核裂变链式反应与临界质量

实验原理

核裂变：1 个中子轰击可裂变核（如 U-235），原子核分裂为两个较轻的碎片，释放能量，同时放出约 2~3 个新中子（ν≈2.4）。

• k < 1 亚临界：中子逐代减少，链式反应熄灭；
• k = 1 临界：中子数稳定，反应堆稳态运行（核电站目标）；
• k > 1 超临界：中子数指数增长，功率飙升，必须立刻控制。

临界质量：材料越小、表面积/体积比越大，中子越容易在命中前逸出（漏失）。低于临界质量时，无论注入多少中子都无法维持链式反应。慢化剂让快中子减速为热中子以提高裂变概率；控制棒由强吸收中子材料制成，插得越深 k 越小，用于启停与功率调节。

操作指引

• 先看停堆：初始控制棒全插（k<1），点「注入中子」——中子很快被吸收/漏失，链式点不燃。
• 情景②：点「核电站稳态」，观察中子数与功率在涨落中保持平稳、k 在 1 附近抖动——这正是反应堆的正常运行状态。
• 情景③：点「超临界失控」，观察中子数指数爆炸、闪光密集、功率曲线飙升；本仿真在中子数过高时演示控制棒自动全部插入（自动停堆 SCRAM）。
• 情景①：质量滑块拉到 12%（低于临界质量），打开持续中子源——中子始终形不成链式。
• 也可自行拖动各滑块，对照 k 读数与三条曲线，理解每个变量如何改变 k。

模型说明与局限

本仿真为二维蒙特卡洛式概率教学模型：中子以直线（开启慢化剂时带随机散射）运动，每个微步按平均自由程抽样发生裂变、被吸收或散射；穿过边界即漏失。k 由滑动时间窗内"裂变产生的中子数/消失的中子数"实时估计，样本有限故存在统计涨落——这正是真实反应堆中子噪声的特征。

已做的大幅简化：二维几何替代三维；中子能谱、缓发中子、温度反馈、多普勒效应均未建模；原子核均匀分布且数量远少于真实情形；裂变概率、吸收概率与几何尺寸均为教学标定值。

本模型仅用于理解核电站控制原理与临界概念，不涉及任何真实装置结构、工艺或工程参数，所有能量与功率数值均为相对示意。