第四章：核能的开发和利用
4、世界上第一批反应堆
自从第一座天然铀—石墨反应堆成功地启动后，科学家们更加相信利用核裂变链式反应的原理，实现原子武器的制造已为期不远了。这样，人们也就更加担忧战争狂人希特勒也能生产这种可怕的杀人武器。而美国军事当局为了能早日赢得战争的胜利，不得不也加快了研制原子弹的步伐。
但是，毕竟在实验室里成功的东西，并不等于马上就能在实际中加以应用。在CP-1堆中，核裂变链式反应不但未能释放出巨大的能量，而且也不能满足在核武器里要求在极短时间内释放出巨大能量的条件。另外在反应堆中，可以使用大量天然铀和石墨慢化剂，而且不受体积和重量的限制。
然而。在原子弹里就完全不同了，为了能用飞机或大炮等运载工具把它运送到敌方阵地，就要求其体积和重量愈小愈好。故就不能用天然铀作裂变燃料，慢化剂也不能用了。否则几千吨重的大家伙就无法运载，而对战争来说，这也就失去了实用价值。
在核武器中所用的裂变燃料是一种高浓铀(铀235含量占93.5％以上)。但就当时的核科学技术而言，这样的高级核燃料是难以提供的。因为铀235的浓缩过程是由一系列非常复杂的工艺流程所组成的，需要建立十分庞大的工业体系。而且从理论上讲，欲得一公斤铀235，需从铀矿石提炼得140公斤纯金属铀，而铀矿石的需要量则更大为200多吨。这样经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼和最后浓缩分离等一系列生产过程。结果铀燃料的价格当然就非常昂贵了。
然而，曼哈顿工程的组织者仍不惜代价，动用了国家电气公司的力量。即由通用电气公司负责生产动力设备；阿利斯-恰尔默公司生产磁铁；威斯汀豪斯公司生产控制操作箱和其它有关部件。并在1943年2月开始建造第一个用电磁分离法生产浓缩铀的工厂，同年11月安装了第一批设备。到建成时共耗资三亿零四百万美元，其中很大部分是用于产生强大磁场的导线，由于战争的缘故，铜材奇缺，只得动用15000吨银丝作为导线。先后共征集了近40万建设者，工厂的运行人员超过24000人。
与此同时，又建造了一个采用气体扩散法生产浓缩铀的工厂。该厂从1943～1945年，短短三年内共投资5亿美元。战后经多次扩建，使总投资猛增到15～20亿美元。全厂总耗电量相当于纽约市的供电量，而直接用于生产的冷却水量，足够供应一个有五百万人口的大城市。该厂生产的铀235，在1945年7月24日被运往洛斯阿拉莫斯，作为用于投往日本的第一颗原子弹的装料。
当初美国政府对用分离法取得铀235作为原子弹装料的计划不是很有把握。为此采用双管齐下两条腿走路的方针，即对另一种核装料钚进行研究。而且经过麦克米伦和美国化学家西博格等人的艰苦努力，最后获得了直接从经过中子辐照的天然铀中，提取钚239的重大成果。
而在此以前，第一台回旋加速器的设计和制造者劳伦斯，当时他是美国研制原子弹的高级四人小组中的一员。他在1941年7月11日的一篇报告中曾经写道：“链式反应可由未经分离的天然铀来实现的，这一点就为我们开辟了一条新途径。即链式反应发生后，可能会在其激烈反应的过程中产生少量的94号元素(即钚)。这种元素能用普通的化学方法，从经过反应的铀中提取出来，并且很有可能具有像铀235一样的价值，也能用来产生链式反应”。
由此可以看出劳伦斯早已预见到生产钚239的可能性和重要性，所以美国政府把生产钚239作为曼哈顿工程的另一个突破口。在1942年9月10日首次从被中子辐照过的铀238中，分离得2.72微克钚的氧化物。但是为了获得更多的钚239，就需要建造大功率的反应堆对铀238进行辐照。于是曼哈顿工程的执行者，就开始着手建造第一批用于生产钚的反应堆。
首先，他们在1943年2月拆除了已成功运行(最大功率为200瓦)两个月的CP-1堆。紧接着把“冶金实验室”改装成CP-2堆(即芝加哥2号反应堆)，后来又变成为美国有名的阿贡国立研究所。CP-2在结构上类似于CP-1堆，它也没有冷却系统，仍借助于空气自然对流散热，最大功率不超过2000瓦，并在堆本体四周围上了混凝土生物屏蔽层。
不过对于生产钚而言，CP-2的功率实在显得太小了。为此人们又着手设计和建造功率更大的反应堆，即在1943年11月建成了X-10反应堆。它被建造在克林顿工程师区的X-10工区。该区后来成为美国的另外一个核基地，即美国橡树岭国立研究所。X-10堆的运行功率为3800000瓦时，平均热中子通量密度为每秒每平方厘米5千万亿中子。它比小居里夫妇的镭-铍中子源的最大通量大一百万倍，所以它能生产更多的钚239核燃料。
由于X-10堆的功率比较大，自然对流冷却就显得不够了。故它是采用流动空气进行强迫冷却。而慢化刘和反射层仍用石墨，活性区是用铀燃料块和石墨块堆砌而成。其外形尺寸是每边长为7.32米的立方体，石墨总重量为620吨，铝包壳的金属铀棒外径为2.8厘米。燃料棒被均布在石墨孔道内，孔间距为20.3厘米。金属铀棒的总重量为54吨，堆的总高度有两层楼那么高，从1943年11月4日到1944年2月底，该堆和后处理工厂生产钚239的能力为每月平均可生产几克钚。
这对制造原子弹的紧迫需要来说，其生产速度实在太慢了。所得的钚只能用来制作供研究用的钚样品，而堆本身也只能作为设计制造更大的钚生产堆的原型堆使用。
就在X-10堆这个小型钚工厂还没有完全建成以前，美国政府己在华盛顿州的汉福特建立了曼哈顿工程区的第二座原子城——汉福特原子能中心。而且仍由杜邦公司承建，并在1944年建成了三座用来生产钚的大功率反应堆。每座堆都是由5～8层楼那样高的无窗钢筋混凝土建筑物所组成，堆所用的冷却水来自哥伦比亚河。此外，为了安全起见，堆与堆之间相隔1～3公里。而后处理分离钚的厂房，则建在远离反应堆的地方。堆厂房附近不冒烟的高大烟囱是为了能把放射性废气排入大气之中，这些都是原子能工业工厂的特点。
就这样，到1944年美国生产钚239的能力已达公斤级，这就为核武器的早日研制成功提供了必要的核燃料。
在此同时，1944年5月美国又设计建造了第一座用重水作慢化剂的CP-3反应堆。所用核燃料是天然金属铀棒，其直径为2.79厘米，长为182.88厘米，铀棒中心间距为5.83厘米，整个活性区被布置在直径为182.88厘米盛满重水的水箱内。其底部和四周是用厚为61厘米的核纯石墨作为中子反射层，顶部则用重水作反射层。当运行功率为300千瓦时，就可具有同X－10堆一样水平的中子通量密度。由此可见重水确是比石墨更为有效的中子慢化剂。
除美国外，世界上早期建成反应堆的国家还有加拿大、英国、苏联和法国。
1945年，加拿大建成了用重水作慢化剂的零功率实验性反应堆ZEEP。
1947年，英国建成了第一座石墨低功率实验性反应堆GLEEP。它也是欧洲第一座反应堆。堆本体的外形尺寸是每边长约为6.4米的石墨立方体，在石墨慢化剂中共钻了682个孔道，中间插入外表面包有铝壳的天然铀棒，四周的水泥屏蔽层厚为1.52米。共有5根控制棒和6根停堆棒，它们是在不锈钢管内充以碳化硼制成的。堆的设计运行功率为100千瓦，但实际运行的最大功率为3千瓦，用流动空气进行冷却。
同年，苏联也建成了第一座反应堆，所用燃料也是天然金属铀，共重45吨，慢化剂也是用石墨。其外形尺寸为10×10×60厘米，共用去数百吨石墨。铀棒直径为3～4厘米，孔间距为20厘米。反射层的材料是厚80厘米的石墨块，外形尺寸近似为半径等于3米的球面。可在10瓦功率下长期工作，而瞬时功率可高达数千瓦。
1948年，法国建成了第一座重水型氧化铀零功率反应堆ZOE，它用重水作慢化剂，可获得高的中子通量密度。
