造核反應堆需要怎麼樣的知識儲備？
他掌握了等離子物理、化學、輻射計算量和電氣工程等20多個領域的技術知識。在14歲生日後不久，泰勒在戴維遜學院的實驗室里製造出了一個迷你型核反應堆的核心，成為全球第32位完成核聚變的個人，也是其中最年輕的一個。
地址：http://www.cnbeta.com/articles/173106.htm
個人網站：http://sciradioactive.com/Taylors_Nuke_Site/Welcome.html
首先本文所討論者僅限於已鈾為原料的裂變反應堆。
其次，本人系核工程學生，希望內行打臉要輕，外行不要輕信。
再次，本文是基於設計建造一個「安全負責」的反應堆，並稍微擴展到整個反應堆從鈾礦開採至核廢料處理等整個核工業循環等諸多領域，另外離題萬里，請慎重閱讀。
最後，本文僅系拋磚引玉，力求通俗，細節錯誤蓋不負責。
P.S. 如若有意向在本文指導下進行反應堆設計建造工作，請務必在成年人監督下進行！
P.P.S 參考資料就不一一列舉了（
P.P.S 渣排版請原諒（
另可能更新緩慢（
背景：
核裂變反應堆：一種製作工藝極其複雜的熱得快裝置，其由自動產熱的熱得快芯以及大量存在與暖壺裡的水構成，在高溫高壓的情況下運行。
熱得快芯原理：
裂變及鏈式反應：拿玻璃（中子）球砸裝滿玻璃球（質子和中子）的玻璃罐的過程，但是大部分玻璃球會變成玻璃罐的一部分飛出（裂變產物），僅有兩到三個玻璃球（裂變中子）飛出並砸向別的玻璃罐。但是這種玻璃罐有一種奇特的特性：只有特定速度範圍內（並且是個小速度）的玻璃球有很大幾率能夠打碎玻璃罐。
慢化：彈力球扔到地上彈起的高度逐漸降低的過程（對應的即裂變產生的中子能量/速度在和其他原子碰撞的過程中逐漸變慢到特定速度範圍內的過程）
吸收：水槍打進水杯里的過程（中子被原子通過各種核反應消耗掉）
理想反應堆內的鏈式反應舉例：反應堆燃料含有約7%的二氧化鈈（PuO2），93%的二氧化鈾UO2（其中0.7%U235,99.7%的U238）
中子轟擊反應堆燃料造成100次裂變，併產生259個裂變中子，其中59個在慢化的過程中被吸收或逃離反應堆，59個被鈈吸收並造成32次裂變，78個被鈾235吸收並造成63次裂變，63個被鈾238吸收並造成5次裂變，這個循環總共再次造成100次裂變（每個循環裂變次數不變，反應堆產生能量穩定並可控），當然中子的慢化靠和慢化劑（比如水）的撞擊來實現，就像拿水分子織一個網，中子在網節與網眼中穿行，偶爾撞到網節速度就慢點，慢到一定程度就有很大機會和燃料的網節相撞產生裂變。如果溫度升高一點，慢化劑的網眼就變大點，網節就變小點，更少的中子會和燃料反應（負溫度係數），同時使得溫度降低，如果溫度降低，則相應的網眼變小，網節變大，更多的中子會參與到裂變反應中來，同時溫度升高，反應堆的運行很大程度上就是要維持這樣一個微妙的平衡。
熱得快發電原理：暖壺裡的水（冷卻劑）流過熱得快表面並被加熱，熱水放涼釋放熱量推動發電機（原理同普通火電廠），在輕水堆里，水同時還充當慢化劑的角色。
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1、鈾礦的開採並加工
首先你要發現一個鈾礦，鈾在地球上廣泛分布，大多數以U3O8或UO2的形式存在於岩石中。從露天或者地下礦場背回來含有U3O8的大石頭之後，要做的第一件是是要把這大石頭弄碎，再加入酸劑進行淋溶過濾(此時須小心礦石中產生的氡氣)，此時要通過萃取或離子交換的方式將含鈾酸劑提純，繼而加入銨使其反應得到重鈾酸銨（ADU），並可以通過各種分離方式將其從試液中分離出來。將純凈的重鈾酸銨加熱分解，就可以得到純凈U3O8（yellow cake）。
圖：天然鈾礦石
圖：天然鈾礦石
圖： 黃蛋糕 （U3O8 or Yellow Cake)
有了U3O8之後就可以進行第二步了：將其轉換成鈾的氟化物（UF6），其中原因是由於鈾的富集需要在氣態下進行，而運輸則需要在固態，而UF6則是一種在常壓不是很高溫度（56.4攝氏度）就可以直接從固體升華成氣體的化合物（另外這貨比較安全）。要生產UF6首先則要把黃蛋糕（yellow cake，U3O8）變成綠蛋糕（green cake，UF4）。其烹飪過程大致如下：1、將U3O8溶解於硝酸，產生鈾的硝化物；2、(如果必要的話）通過萃取或離子交換提純；3、與氫氟酸反應產生UF4；4、分離並乾燥。得到的UF4粉末再通過高溫下氣床與氣體氟反應得到UF6，並在低溫下使其直接凝華成固體。固體的UF6會裝入六角缸中運輸至富集工廠。
圖：從鈾礦石到六氟化鈾（UF6）流程圖
圖：從鈾礦石到六氟化鈾（UF6）流程圖
2、鈾的富集（Enrichment）
鈾的富集可謂是前期燃料加工中的核心技術，更是核武器製造中的技術難點。天然鈾礦中含有99.275%的鈾238，0.720%的鈾235以及0.0055%的鈾234。而裂變的主要燃料主要是鈾235,如此低的含量無法在普通慢化劑（如普通水）的支撐下維持穩定的鏈式反應。還是那個簡單的比方，要想產生一次裂變，中子需要與慢化劑的網節撞擊若干次，並與鈾235的網節撞擊。要想完成這個過程只要增加慢化劑網節的大小（如使用重水）或者增加鈾235網節的大小（富集）。通常輕水堆會富集到2%到4%的富集度。
註：鈾的富集是一項非常燒錢的技術，請有志於此的同學準備好大量鈔票
目前常見（其實一點都不常…）的兩種商業富集鈾技術：氣體擴散法和離心分離法都是基於鈾235與鈾238細微的質量差別，其中後者是現在世界上大部分鈾富集廠所使用的技術。
2a.氣體擴散法：統計上講，氣體的溫度直接反應的氣體的能量，因而溫度相同時氣體分子的質量的平方根與速度成反比，簡單來說，相同溫度下，質量越大的氣體分子跑得越慢。由於鈾235與鈾238有細微的質量差，其在大壓差下通過多孔介質壁壘的鈾235較鈾238要稍微多一點點，因此在壁壘的另一側就能找到富集度略微高一點的鈾。將次流程反覆循環若干次（約1200次達到4%的富集度），即可得到達到標準的鈾（2%~4%，一般20%以下）
圖： 氣體擴散法示意圖
圖： 氣體擴散法示意圖
2b.離心分離法：在高速離心機中，質量較大的成分會更多的存在於離心機的外邊緣，而質量較小的成分則聚集於稍內側。因此鈾235含量較高的六氟化鈾會聚集在離心裝置較中心的位置。離心法的效率要高於氣體分離法，而且更節省能源。
圖：離心分離法原理圖
圖：離心分離法原理圖
濃縮後的鈾存在臨界的可能性，請勿使用大罐裝在，另外注意罐於罐之間的距離以及罐矩陣排布的方式。
註：濃縮鈾裝置是要被嚴格檢查的，請務必建造在地下隱蔽處，並看好自家電錶。
3.反應堆燃料的生產
圖：反應堆燃料組件生產流程圖
圖：反應堆燃料組件生產流程圖
反應堆通常使用二氧化鈾（UO2）作為燃料，因此經過富集後的第一步就是要將六氟化鈾轉化為二氧化鈾。選擇二氧化鈾陶瓷的原因包括其很高的熔點（約2800攝氏度），極高的熱穩定性和輻射抗性，以及在高溫下與熱水反應的惰性
從六氟化鈾到二氧化鈾的轉化主要有兩種方式：
3a.干法：1.先將固體六氟化鈾加熱升華至高壓釜；2. 在高壓釜中讓氣態六氟化鈾與過熱蒸氣反應形成氟化鈾醯（UO2F2）和氫氟氣（HF）；3. 氟化鈾醯（UO2F2）再在水蒸氣、氫氣、氮氣的環境中去氟化分解形成二氧化鈾（UO2）;4.從反應器的底部把UO2粉末導入到一個略微傾斜的旋轉窯，進一步減少粉末中的含氟成分（少於50ppm）；
3b.濕法：有多種方法可以將六氟化鈾（UF6）轉化為二氧化鈾（UO2）。
甲：將六氟化鈾（UF6）降解成為四氟化鈾（UF4），再水解四氟化鈾（UF4）至二氧化鈾（UO2）
乙：將六氟化鈾（UF6）注射到水中，形成氟化鈾醯（UO2F2）漿液，繼而加入氨（NH3）生成重鈾酸銨（ADU，（NH4)2U2O7），或加入碳酸銨((NH3)2CO3)生成碳酸鈾醯銨（ACU，UO2CO3.(NH3)2CO3）。將含有ADU/ACU的漿液過濾，烘乾並在大氣中加熱，以生成純凈的二氧化鈾（UO2）。
註：兩種方法生成的二氧化鈾（UO2）在形態上存在不同，可能會影響最終燃料球的微結構
二氧化鈾（UO2）的粉末需要首先被加工成燃料陶瓷燃料芯塊（fuel pellet），但再此之前需要對粉末進行前期處理：1.粉末首先要經過充分混合，以確保粉末顆粒大小以及表面積在整個粉末中均勻的分布。2.添加各種其他成分，如可燃毒物（如釓Gd），U3O8（調整燃料粉末密度以及微結構）等。經過處理的二氧化鈾粉末需被引導入圓柱模具中，由高速熱壓機在高壓下雙軸壓實，形成圓柱，再將此圓柱在約1750攝氏度的高溫爐中燒制，並在氬氫氣下鞏固，最後形成長1cm直徑1cm的圓柱形燃料芯塊。二氧化鈾（UO2）粉末需要全程隔絕氧氣以免其他鈾的氧化物生成干擾燃料特性。而且全程需要嚴格的對二氧化鈾（UO2）粉末純度，生成燃料芯塊進行嚴格監控。
註：這樣一個燃料芯快的產額略相當於一噸煤。
注2:可燃毒物指的是可以用來吸收反應堆內中子已減少裂變次數的物質，並未說該物質真的有毒。
圖：反應堆燃料芯塊（這個真的可以用手拿）
燃料芯快製造好之後，即可開始燃料棒及燃料組件的製造。將燃料芯快裝在入金屬管的殼中組裝成燃料棒。所使用的金屬管材料與反應堆堆型相關，如輕水堆使用鋯合金（Zircolay-2/4，約98%鋯（Zr），1.5%錫（Sn）及其他金屬）,而氣冷堆AGR則會使用不鏽鋼。選擇合金的條件有很多，如對中子的吸收能力（即前文所指水槍打在水裡的過程)，熔點以及高溫下的材料特性，是否容易斷裂、形變等等，與燃料慢化劑冷卻劑的反應特性等等諸多性質，如福島事故中出現的起火事故就是由於包殼材料鋯（Zr）與水在高溫情況下反應生成的氫氣與外界氧氣接觸而造成的。因此包殼材料的選擇至關重要。
圖：壓水堆燃料芯塊、燃料棒、燃料組件
在裝載的過程中燃料芯塊須與包殼材料保持一定距離，即存在一個間隙，以一般PWR為例，約&<0.2mm，在其中沖入氦氣（He）做保護氣。包殼材料的厚度大約為&<1mm（這些數據據不同反應堆設計參數不同，文中僅提供一大約參考值）。間隙的存在是為了維持燃料芯塊與包殼之間良好的熱傳導性能，為燃料芯塊熱膨脹以及產生裂變產物（一個鈾原子生成兩到三個裂變碎片）提供空間，並可以容納裂變產物中的氣體如氙（Xe）和氪（Kr）。燃料棒的長短粗細視反應堆設計而定，就一般壓水堆來講，為大約3.7m長，1.0cm直徑的長圓柱。
圖：反應堆燃料棒橫截面示意圖（作為輕水堆，右為氣冷堆）
有了燃料棒之後並不意味著就能把它塞進反應堆讓反應堆運行了。首先還要把燃料棒加工成燃料組件，燃料組件的存在使得反應堆的控制與燃料的更換更加模塊化，簡化了反應堆設計，並使得反應堆行為的分析更加容易。燃料組件的設計據反應堆不同設計而不同，造型也是千奇百怪(如FMR-2，Munich），但大多數商用輕水堆都採取n*n正方形/六邊型矩陣設計（大多為正方形，俄羅斯及東歐壓水堆型VVER為六邊型設計），商用氣冷堆則多是環形設計（不含高溫氣冷堆，一個例外是前蘇聯RBMK石墨慢化沸水堆，也為環形設計，對這貨就是切爾諾貝利的堆型）。n的大小則跟反應堆熱功率有關（一般來講，熱功率越大n越大），現在最常見的是17*17矩陣，其他常見的大小有18*18，16×16，15*15，現在流行的小型模塊化反應堆則有很多採取了17*17大小的燃料組件。
圖：左：壓水堆控制棒 中：沸水堆控制棒 右：壓水堆燃料組件及爪型控制棒
反應堆組件內並非全部所有的槽都會裝載相同燃料棒。而是裝載有不同富集程度，不同毒物含量的燃料棒，以及預留出來位置以裝載控制棒，部分地方被完全空出來供冷卻劑通過。商用堆燃料組件中不同富集度的燃料棒排布通常被視作商業機密，有志於此的同學請在參考大量資料之後謹慎設計。在反應堆運行的過程中，冷卻劑從燃料棒之間的空隙中從下向上進入反應堆，如下圖所示（該圖僅為計算機模擬結果圖，不代表實際景象），圖中藍色部分為冷卻劑，紅色部分為燃料棒，黑色部分為控制棒（這張圖模擬的是控制棒全部插入後局部反應性的變化，在實際操作中，非緊急情況控制棒不會全部插入），可以看到整個燃料組件都在冷卻劑的包圍中。
圖：壓水堆17*17燃料組件橫截面模擬圖（by Serpent）
圖：壓水堆17*17燃料組件橫截面模擬圖（by Serpent）
反應堆組件內並非全部所有的槽都會裝載相同燃料棒。而是裝載有不同富集程度，不同毒物含量的燃料棒，以及預留出來位置以裝載控制棒，部分地方被完全空出來供冷卻劑通過。商用堆燃料組件中不同富集度的燃料棒排布通常被視作商業機密，有志於此的同學請在參考大量資料之後謹慎設計。在反應堆運行的過程中，冷卻劑從燃料棒之間的空隙中從下向上進入反應堆，如下圖所示（該圖僅為計算機模擬結果圖，不代表實際景象），圖中藍色部分為冷卻劑，紅色部分為燃料棒，黑色部分為控制棒（這張圖模擬的是控制棒全部插入後局部反應性的變化，在實際操作中，非緊急情況控制棒不會全部插入），可以看到整個燃料組件都在冷卻劑的包圍中。
燃料組件的設計關鍵在於兩根控制棒中心線之間距離（pitch，我真不知道這個詞中文叫啥…管棒間距？求指正）的設計。簡單來說，一根燃料棒除了是一張可以和玻璃球碰撞的網以外，還是一個不停往外崩玻璃球的機器，而周圍的慢化劑（在輕水堆中同時也是冷卻劑），則相當於一張罩在這個機器上的網，從燃料棒中崩出來的玻璃球從燃料棒中飛出來之後，就會不停的在慢化劑的網節和網眼之間穿梭碰撞，直到進入另一個燃料棒。那麼pitch的長短簡單來講就相當於控制了玻璃球的速度，如果pitch太小,那麼就不能夠有足夠多的速度合適的玻璃球進入到另一根燃料棒中，那麼背景中所描述的100-100循環就會變成100-80循環，逐漸的反應堆就會停下來。相反的，如果pitch稍大，那麼就會有太多的玻璃球慢化到適合裂變的速度，背景中的100-100循環就會變成100-120循環，會有越來越多的裂變發生，最終導致反應堆失控爆炸。再進一步講，如果pitch的大小非常大，那麼就會有太多的慢化劑，這些慢化劑同時也會充當背景里所敘述的水槍-水缸作用——吸收玻璃球，那麼背景中的100-100循環可能又會變成100-90循環，導致反應堆停止。但是這裡存在一個極度危險的因素在於，如果此時擴大網格的大小（比如說溫度升高），被吸收的玻璃球數目就會減少，那麼原先的100-90循環可能隨著溫度的升高變成100-100循環，100-110循環,100-120循環再降至100-100循環，可以明顯的看到在這個過程中會出現一個裂變峰，並且隨著溫度升高這個峰會升高（正反應性係數），導致出現不可控的超臨界使得反應堆事故。切爾諾貝利事故部分就是由於RBMK堆設計中在特定功率下會出現這樣的正反應性係數導致的，這種設計失誤一定要避免。
-------------------------------準備回來更新的分割線,謝謝大家捧場--------------
前文已經簡要講了怎麼怎樣有效的將裂變產生的數目控制在一個穩定的數目。儘管如此，為了發電這個穩定的數目所產生的熱量依然相當可觀。就一個壓水堆來講，主要靠水流過熱得快表面來帶走熱量，這即如同平常用燒水壺燒水原理一樣，發生在更高的壓力與溫度之下。
因熱得快產生的熱量可觀，因而要保證燃料棒的各個部分得到合適的冷卻，簡單說就是要有穩定質量流量（mass flow）流過燃料棒的表面。因此在反應堆燃料組件上都有加裝定位格架來調整冷卻劑的流動。
下圖展示了定位格架（spacer）的大致樣子，以及通過一個卡扣在燃料棒上的定位格架的CFD（計算流體力學）模擬，可以看到通過一個定位格架之後，冷卻劑的流動被重新定向，在很小的的空間內流過燃料棒表面和通道中間的冷卻劑重新混合，使得冷卻劑的溫度更加平均，且以環繞著燃料棒的方式逐漸從下向上流動。
經過大量的計算和實驗，可以得出一個針對某一堆設計的最優燃料組件設計。其中包括選用什麼樣幾何的spacer，以及各種spacer的數量，各個部分的壓阻係數（pressure resistance coefficient）以及各個燃料棒冷卻情況的分析。當然，這個設計要兼顧到運行狀態下與事故狀態下的冷卻，以及在反應堆運行過程中燃料棒由於受熱而產生的形變以及包殼材料的氧化等諸多因素影響，此處不一一展開。
經過大量的計算和實驗，可以得出一個針對某一堆設計的最優燃料組件設計。其中包括選用什麼樣幾何的spacer，以及各種spacer的數量，各個部分的壓阻係數（pressure resistance coefficient）以及各個燃料棒冷卻情況的分析。當然，這個設計要兼顧到運行狀態下與事故狀態下的冷卻，以及在反應堆運行過程中燃料棒由於受熱而產生的形變以及包殼材料的氧化等諸多因素影響，此處不一一展開。
省略掉大部分材料問題以及傳熱問題之後，簡單說燃料組件的幾何已經製作完成了，下一步就可以真正進入到如何設計一個反應堆的階段。
------------------------------------準備開始設計然而是滿口跑火車的分割線------------------------------------------
那麼，在具備了批量製造燃料組件能力之後如何來設計建造一個反應堆呢？筆者也不知道……
不過筆者仍然打算從核工程方面的知識來分析一下設計建造一個反應堆可能要經過哪些流程。
首先，設計一個商用的壓水堆堆芯，首先要確定待建反應堆要填補一個多大的電力缺口或要滿足一個怎樣的電力增長速度。大部分情況下，熱得快是做為電力系統里的基荷負載，也就是說，熱得快幾乎是常年在95%的設計負載下運行的。因此過高或過低的設計功率可能會導致成本過高或無法填補電力缺口的情況。現在市場常見的壓水堆功率多在1000MW上下，大型堆EPR可以達到1700MW，國內不少在建的AP1000則是1000MW，中型堆功率多在200MW到600MW，此外還有若干設計的小型堆（罕有商用小型堆建造）。
以一個1000MW的壓水堆為例（大家在地下室造的時候還是盡量不要造太大）。通常壓水堆的熱效率在33%左右，也就是說，1000MW的反應堆需要設計熱功率在3000MW左右。有了大概的設計功率，下一步就要確定一個粗略的換料方案。現役的反應堆通常是每12個月左右換料一次，而在設計中的反應堆大部分是18月或24個月換料一次，另外有一些小型模塊化的堆可能只有一個燃料循環一次運行四年不換料。
此處需要對換料進行一定的展開，值得注意的是，換料現在仍然是少數非常依靠經驗來進行的操作之一，目前的電腦程序還不能夠像有經驗的工程師一樣有效快速的對換料進行估計。言歸正傳，由於反應堆是有一定的體積的，可以打這樣一個比方，反應堆就如同一個背簍，而中子則是裝在背簍里的小玻璃珠，而背簍本身是由很多網眼的，小玻璃珠就有可能從這些網眼中漏出去，這也就是所謂的中子泄漏。那麼反過頭來再看漁網的比喻，如果漁網的網眼大小是固定的，然而網住的魚相對的少了，那麼魚撞到網結上的幾率相對就小了很多。
那麼通觀一整個反應堆，我們可以用這樣一個模型來描述：一個圓柱形的背簍，裡面布滿了像漁網一樣的網結和網眼，與此同時在這個背簍里裝滿了小的玻璃球，每當一個小的玻璃球撞到一個網結，就會裝出兩個或三個新的玻璃球，或者消失掉，而每當有玻璃球從背簍邊緣的網眼掉出去，那麼這個玻璃球就永遠不會再回到這個背簍了。可以想像的是，在背簍里網眼網結大小都一樣的情況下，背簍的正中心可能會有比背簍邊沿更多的玻璃球。
現在可以引入一個新的性質：燃耗（burnup）。粗略的說原理很簡單，網結沒被撞一次產生了新的玻璃球之後，這個網結本身就消失掉了，換句話說，背簍里的某個部分被撞的次數越多，在這個部分的網眼就越大網結就越少，這個過程可以被稱為燃耗。
枯燥的理論部分講完了，模型的這些特性有什麼可以利用的地方呢？因為在反應堆里熱量的產生是和玻璃球與網眼的碰撞次數息息相關的，單位區域內的崩撞次數越多產生的熱越多，因而需要的冷卻就越多。然而冷卻劑進入反應堆的質量流量分布是相對均勻的，也就是說不可能在反應堆的中心有10000kg/s的質量流量而在邊緣之後100kg/s，因而也就需要在整個背簍之內，單位區域內產生的碰撞數均勻。在這個地方，燃耗和換料就可以起到很大作用。換句話說，可以通過在增加背簍邊緣的網結數和減少背簍中心的網結數來使得整個背簍內單位區域碰撞數更加平均。這體現到反應堆設計上可以簡單歸納為，最新的燃料分布在反應堆的最外圈，經過一次換料之後進入內圈，再次換料則換入反應堆的中心（通常一個燃料組件會在反應堆內經過三到五次換料，總共停留在反應堆內的時間大約是四到六年）。通過這樣的策略，平均了反應堆內部的功率分布，同時也延長了一個燃料組件在反應堆內的使用壽命，降低了成本。下圖提供了一種反應堆堆芯排布，Fd指新燃料組件，X*指經過幾個燃料循環，來自http://goo.gl/UVu2m9
確定了大概的燃料循環長度之後，以及最終一個燃料組件在反應堆里的燃耗之後，就可以大概估算所需要的燃料富集度了，通過前文所述知識，可以生產該富集度的燃料棒以組成一個燃料組件。通常來講，一個壓水堆燃料組件中只含有同樣富集度的燃料棒（沸水堆中可能有兩種不同的富集度），而類似整個反應堆的背簍模型同樣可以適用於一個燃料組件的計算。值得注意的是，為了達到更長的燃料循環，新鮮的燃料組件所能夠產生的中子循環可能是100-130的，因此需要一些物質來吸收掉每個循環中多餘的30個中子，然而，隨著燃耗的增加，循環可能會變成100-110，因此能夠吸收中子的物質在此時就會成為維持鏈式反應的障礙。然而，如果吸收中子的物質可以伴隨著燃料的消耗同時消耗，那麼就有可能在整個燃料循環里一直維持實際上100-100的循環，這類添加的物質被稱作可燃毒物（burnable poison），常用的可燃毒物包括Gd，B4C等。根據燃料組件所在的不同位置，可以決定添加多少量的可燃毒物。
而下面一個需要解決的問題就在於，可燃毒物棒應該安排在燃料組件的那個位置？基本的原則還是相同，要使得整個燃料組件能夠有個盡量平均的功率分布，也就是說背簍模型里的單位碰撞次數應該是盡量相同的。通過計算機程序的反覆嘗試在不同燃耗下可燃毒物棒的分布，大概可以推算出一個符合需求的帶有可燃毒物組件的排布。解決掉了單個燃料組件排布問題之後，接著就要依靠相同的原則來解決來解決整堆燃料組件排布的問題，依然是要盡量展平整個反應堆中的功率分布。與此同時，這個功率分布隨著燃耗的增加會轉移到反應堆中不同的位置，但是在設計時就應考慮到整個燃耗與換料過程中反應堆功率峰值出現在哪個位置。
到此為止，核反應堆的初步中子學設計就結束了，下一步怎可以進入到熱工水利學方面的設計。熱工方面的設計仍然要從一根燃料棒和一個燃料組件開始。
新聞中這個設計採用靜電場約束（Inertial-Electrostatic-Confinement，IEC）而非主流的托克馬克或者慣性約束，是個公開的方案，已經有幾十年歷史了。這個裝置確實可以實現氘氘核聚變模式，但由於會產生中子輻射（會破壞反應室牆壁），而且反應率很低，無法自持（輸出能量遠小於輸入能量）,因此作為能源產生裝置不具備實用性，僅在一些愛好者圈子內流傳。
由於核聚變反應還不能長時間可控穩定運行，因此本文討論範圍限於基於核裂變鏈式反應的反應堆。
首先簡要敘述一下一個典型的反應堆的工作原理：當一個原子數較高的核子（例如U-235或Pu-239）吸收一個中子。會形成一個激發態的核子，然後裂變為兩個或更多個輕核，同時釋放出能量。其中有些中子可能被下一個重核吸收，引發下一個裂變反應，釋放出更多的能量，同時釋放出更多的中子，依此類推。 這個反應就是鏈式反應 。
註：圖片來自 http://sciencecity.oupchina.com.hk/npaw/student/chi/glossary/chain_reaction.htm
反應堆開始運行後就會產生巨大能量，大部分以熱的形式表現。如果不把這些能量帶出來，堆芯就會過熱。目前核反應堆最主要的應用就是用來發電，因此這裡順便一起討論與反應堆的配套裝置。用於裂變反應的核燃料以棒狀（俗稱燃料棒）整齊地（有間隙）排列在反應堆中央（俗稱堆芯），燃料棒產生的熱量由一級冷卻迴路內的介質（按照堆類型的不同，介質也不同，一般有輕水、重水、氣體、融鹽、液態金屬等）帶走。一級冷卻迴路通過蒸汽發生器將熱量傳遞給二級熱機迴路，產生蒸汽，推動汽輪機發電。冷卻後的一級冷卻迴路介質被泵回堆芯，如此循環往複，不斷地把反應堆中的熱量帶出並轉換產生蒸汽。從蒸汽發生器出來的高溫高壓蒸汽推動汽輪發電機組發電。做過功的廢汽在冷凝器中凝結成水，再由泵重新送回蒸汽發生器。
到底造核反應堆需要怎麼樣的知識儲備呢，我認為有以下幾點：
到底造核反應堆需要怎麼樣的知識儲備呢，我認為有以下幾點：
1、 原子核物理學相關知識：有了這些知識你才知道要選用什麼樣的核燃料，核燃料濃度應該控制在什麼範圍；為什麼需要慢化劑，選擇什麼樣的慢化劑；為什麼需要減速劑與吸收劑，選擇什麼樣的減速劑與吸收劑；為什麼需要反射層？反應堆怎麼點火開始工作，選擇什麼樣的中子源點火；反應堆怎麼樣停止。
2、 熱力學相關知識：由上面的反應堆工作原理可以看出，堆芯產生的熱量需要由冷卻迴路不斷地帶走，並通過熱交換裝置把能量交換到二級熱機迴路驅動汽輪機發電，這兩套循環系統都運行在高溫高壓的極限環境下，不斷存在能量的轉移和液態、氣態兩個相（態）的轉換，介質的選擇，流速流量控制，汽水分離器的選擇/設計、蒸汽發生器的選擇/設計都需要用到熱力學相關知識。
3、 放射化學相關知識：核燃料有哪些放射性？核廢料又有哪些放射性？如何進行防護？什麼是內照射？什麼是外照射？如何防止水的輻射分解爆炸？如何檢測反應堆的放射性泄露？人體一年可承受的最大輻射劑量是多少？
4、 材料學相關知識：這一部分和前幾部分密切相關。反應堆的各種材料都處在非常規的極限環境下，高溫、高壓、高流速、高輻射、高腐蝕，越往堆芯，環境越惡劣。因此反應堆各個部分製造材料的選擇需要考慮多種因素，燃料包殼、反射層、屏蔽罩材料的選擇都很有學問，特別是控制部分的輻照脆化和輻照膨脹是必須要考慮的因素。
5、 工程學：有了以上的理論和設計，需要將藍圖實現的時候就需要工程學出場了，可以用到的專業學科知識有：流體力學、機械製造及其自動化、測試計量技術及儀器、熱能工程、流體機械及工程、控制理論與控制工程……太多了！
6、 還有對氣象、地理、地質都要有了解，這樣才能選定一個合適的地方建造你的核反應堆，並對可能發生的地震、洪水、海嘯等災難做好防護和應對措施，防止日本核電站悲劇重演。
最後：如果能再懂一點兒周易八卦之類的就更好了，選擇一個黃道吉日就可以開工了！
這孩子做的不是核聚變反應堆，而是一個「核聚變裝置」，採用的是簡易Fusor設計。
事實上，實現核聚變不困難，一個簡易Fusor就可以實現，也不需要多麼高深的物理學知識，只需要簡單的電氣知識和一定的動手能力就可以實現。
簡單地說，Fusor屬於磁約束核聚變裝置，其核心是一個置於真空罐中的電極，電極是一大一小兩個鎢絲籠，外層接正極、內層接負極，接通大約70KV高壓電。當向真空罐中注入氘氣後，接通電源，核聚變會在瞬間發生，1S內大約4萬次的樣子。氘氣可以在網上買到，也可以從淘寶上買氘代水，就是重水，然後自己點解得到。
如何驗證發生的是核聚變？在真空罐上連接一個中子探測器，如果檢測到中子，就證明發生了核聚變，但是中子探測器比較貴，我的設計是使用蓋革計數器，因為在氘反應生成氦前，會釋放大量電子，在此時此刻，能夠產生電離的只能是聚變反應。
我正在做自己的核聚變裝置，目前為止中國大陸還沒有人公布業餘核聚變裝置，有興趣的話咱們共同來完成，我現在電機方面遇到了一些困難，願意給我給我提供幫助的請留言。
PS：成功的聚變反應會產生藍紫色的光，如下圖：
另：第32位？只是公布的數字吧。據我所知，國外Fusor愛好者和團隊極多，至少上萬人完成了聚變試驗。
此新聞對於核反應裝置的描述不太準確。這位少年製作出來的是Fusor，不是傳統意義上的核聚變反應堆、nuclear reactor。Fusor是一種小型核聚變裝置，製造難度和聚變核反應堆不在一個程度之上。網路上有不少關於Fusor的製造資料，從新聞中看，這位少年參考的是http://fusor.net/ ，並不是獨立發明。
關於Fusor的信息和它與核反應堆之間的區別或可參考http://en.wikipedia.org/wiki/Fusor，我不是相關領域人士，就不多謬評了。
科學家中有不少年輕時具備很強的動手能力，不乏自己設計儀器設備甚至做出小型加速器的，這位少年能做出Fusor當然也是非常強悍，不過還沒有到驚為天人的程度。
前面也提到過這個小型聚變裝置fusor。fusor和真正的人們期待的聚變裝置有著本質上的區別，前者只要求實現聚變，後者則要求能量凈輸出。也就是說fusor只要求達到聚變的目的即可，不必在意究竟輸入了多少能量，以及能夠產生多少能量；而真正的聚變裝置需要考慮的最關鍵的問題就是輸出的能量一定要大於輸入能量。
造一個fusor簡單？相對於大型聚變裝置確實簡單，只需要湊夠基礎器材：上萬伏的電壓、氘、中子探測器、玻璃容器、真空泵……然後找一個合適安全的環境自己玩去就行。但我們在網上夸夸其談說其容易的時候，人家在自己家地下室勤快得調試裝置呢。差距就是這麼來的。
大牛Richard Hull主管得網站Fusor Forums ? Index page專門就是介紹如何自己造fusor，以及所需要的背景知識，以及成功失敗案例得經驗交流。我曾經整理過這個網站上關於背景知識的介紹，看了看還是非常詳細的。需要的話直接去Forum里查閱就好。作為Forum會員之一表示世界上做fusor的人多了去了，早已不是什麼稀罕事。
關於這個fusor的製作流程以及工作原理，是時候上圖了。
裝置全貌：
裝置簡圖：
裝置全圖：
詳細的介紹參見下面一段：
摘自Nuclear Fusor Make
The typical Farnsworth-Hirsch fusor has two concentric electrical grids inside a vacuum chamber: an inner grid charged to a high negative potential, and an outer grid held at ground potential. Our benchtop version has a stainless steel wire inner grid, and uses the aluminum chamber walls as the outer grid.
A variac controls the AC mains voltage input to a neon sign transformer, which steps up standard 110V AC to the 10kV range. A homemade rectifier converts AC to DC power to charge the grid.
A vacuum pump evacuates the chamber to a pressure of about 0.025mm of mercury, clearing the playing field so the few remaining gas molecules can accelerate without premature low-energy collisions. A vacuum gauge indicates the pressure inside.
High voltage across the grids causes gas molecules to ionize; that is, they lose an electron and become positively charged. Electrostatic forces then accelerate the ions — mainly O2, N2, Ar, and H2O — toward the high negative charge at the center. Some ions collide; those that miss the first time are arrested by the electric field and re-accelerated toward the center for another go.
Low-power fusors produce a beautiful purple ion plasma 「glow discharge」 similar to plasma globes and neon signs. In high-power fusors, the inertia of the ion collisions squeezes hydrogen atoms tight enough to fuse, hence the term inertial confinement.
High-power fusors typically fuse deuterium (D or H) into helium and tritium. Deuterium is a hydrogen isotope whose nucleus contains a neutron in addition to the usual single proton. It occurs naturally in very low concentrations, primarily as hydrogen deuteride (HD) but also as 「heavy water」 (D2O), 「semiheavy water」 (HDO), and deuterium gas (D2). Only 1 in 6,000 hydrogen atoms is deuterium. Tritium (a hydrogen atom with two neutrons and one proton) is even rarer.
When two deuterium atoms fuse they create a high-energy helium-4 atom, which stabilizes itself
by releasing a proton, a neutron, or a gamma ray. This release leaves behind a tritium atom, helium-3 atom, or helium-4 atom, respectively.
不是核物理專業的。聚變堆以現在人類的能力還弄不出來。裂變堆有核電站級別的，也有實驗室級別的，就像火藥能造手榴彈，也可以造鞭炮。知識儲備倒不是關鍵，最重要的一點是：你要知道從哪兒弄核燃料，這才是關鍵，很多「流氓國家」政權例如卡扎菲和薩達姆都想知道怎麼弄來這東西。
核燃料有鈾，鈈還有其它放射性元素。這些元素充滿放射性，散發著可以讓男人20分鐘內失去性能力的可怕射線。
還是請核物理專業的同學來回答比較專業，我先湊個數。
額，我覺得有必要澄清一下，Taylor造的是一個可以」產生」核聚變的裝置，而不是一個聚變反應堆，並不能對外產生能量，而是要從外界吸收能量，才能使聚變反應進行下去。
我查了下維基百科：
A fusor is a device that uses an electric field to heat ions to conditions suitable for http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion. The machine has a voltage between two metal cages inside a vacuum. Positive ions fall down this voltage drop, building up speed. If they collide in the center, they can fuse. This is a type of Inertial electrostatic confinement device.
A Farnsworth–Hirsch fusor is the most common type of fusor.
This design came from work by Philo T. Farnsworth in (1964) and Robert L. Hirsch in (1967).
A variant of fusor had been proposed previously by: William Elmore, James L. Tuck, and Ken Watson at the Los Alamos National Laboratory though they never built the machine.Fusors have been built by various institutions. These include academic institutions such as the University of Wisconsin–Madison,
the Massachusetts Institute of Technology and government entities, such as the Atomic Energy Organization of Iran and the Turkish Atomic Energy Authority.
Fusors have also been developed commercially, as sources for neutrons byDaimlerChrysler Aerospace and as a method for generating medical isotopes.
Fusors have also become very popular for hobbyists and amateurs. A growing number of amateurs have performed nuclear fusion using simple fusor machines.
由上可知Taylor造的fusor是一種慣性靜電約束的聚變反應裝置，在抽成真空的鐘形罩內兩個同心的金屬籠，一大一小，然後在這兩個金屬籠間加上直流高壓電，這樣在這兩個金屬籠間就形成了約束電場，往鐘形罩內通入氘氚氣，氘氚氣體分子在電極附近電離帶電，帶電後的氣體離子就會在兩個金屬籠之間的電場作用下向中心的那個小金屬籠（陰極)運動，聚集在金屬籠中心，從而發生聚變。
大概原理應該就是這樣，沒法靠這個向外產能，離反應堆差遠了！你給我點時間，給我點錢，我也能給你做出來，問題是這東西做出來沒有什麼用處，充其量能當個個中子源，做出來這個東西的不知Taylor一個人，很多Geek都做過，不信你可以去Youtube上搜一搜。
Taylor，也用到了這個東西，就是利用這個東西聚變產生的中子照射來往飛機船隻車輛等，來看這些交通工具內是否有鈾之類的核燃料（利用（n,γ）反應），作為安檢手段。
他還」設計「了一個小型的裂變反應堆，可以為一個社區提供源源不斷的能源。
關於造反應堆要哪些知識，我可以推薦幾本書看看：
反應堆物理分析；
反應堆熱工分析；
核電廠系統與設備；
核工程檢測技術；
輻射劑量與防護；
核輻射探測；
核電子；
控制理論等；
可能用到的程序：WIMMSD-4；CITATION；EXTERMINATOR；MCNP；RELAP05；DOT-3.5；（都是之前別人建BNCT反應堆用到的軟體）。
題主，我當年讀高二的時候，因為福島核電站事故突然對核反應堆產生了莫大的興趣，於是本著求(zhuang)知(bi)的精神，我上網買了一本書，就是下面這貨
拿到書的時候，我就在想：啊，從此就可以在浩瀚的核物理世界徜徉了，想想還有點小激動呢。
結果看了一個星期，卧槽！這是啥！這TM又是啥？！連符號我都看不懂啊，不是說好從此可以在核物理世界徜徉嗎，結果就是我溺死了=.=
然後此書就被我埋葬在了箱底，至今還在吃灰。
我看過了許多原理，卻還是學不會核物理。
純吐槽，以此紀念我當年的求知慾。
以上。
到目前為止，核聚變領域是世界科研最透明化的領域，因為它實在不是一個或幾個國家可以完成，它需要全人類上百年的努力，目前對於輕核的約束不管是托哈馬克還是慣性約束都不是很理想，真正實現個人認為至少還得100年，它才是真正的上帝的禮物，輕易無法得到～
技術性反對@田義家
理由: 文不對題 答非所問
題目問的是那個小孩製造的反應堆, 而不是發電電站資本和資源，第一個你要有經濟來源 ，我也有朋友花了三萬塊錢搞了個fusor但最後並不知道有何特別還是成功之處，也就是說你既然花錢製作。你還要跟隨現在的科技動態，所要攻克的難題，熱門的課題。做一個意義上的核聚變裝置（fusor）並不難，當然，這也是要相當好的機械加工，材料，知識基礎等。但如果你要做出成就。也許是難上加難了
我看過此人的TED演講，所謂「反應堆」絕對是炒作的，實質就是個DD或者DT的碰撞，只有有靶物質和高壓加速就行了，這種反應輸入能量比輸出能量大的多，常用作中子源。 我看到過類似的中子源有的只有硬幣大小。視自製程度，反應一定程度的動手能力，理論深度幾乎沒有。那些所謂的等離子物理 電氣工程知識，中國普通高中生半天也能輕鬆學會。
轉載侵刪
教你自製家用小型核反應堆
隨著煤炭石油類化石能源的日益枯竭，以及非法小煤窯的逐漸取締，以化石 資源為主要燃料的常規電廠生產成本不斷增加， 從而導致電費以超過 GDP 的增長 速度突飛猛進地增長， 因此， 製作一台家用簡易微型核反應堆電站是十分必要的。
一、設計和製作： 購買不鏽鋼壓力鍋兩隻，金魚缸里常用的小水泵一台，電風扇一台，暖氣片 一隻，小直徑塑料管道若干，導電線若干。另設法購買核燃料鈾 235 若干、控制 棒原料和硼酸若干，娃哈哈純凈水若干瓶。準備必要的工具若干。
將一隻不鏽鋼壓力鍋（簡稱壓力鍋一）進行一些必要的改造，鍋蓋上面鑽若 干圓孔， 用於插入控制棒。 用兩根塑料管將壓力鍋與暖氣片連接起來， 形成閉 合 迴路，並在出水管上安裝一台小水泵。將暖氣片放入另一隻壓力鍋（簡稱壓力鍋 二）中間固定好，並用兩根塑料管，一根將壓力鍋與自來水管道連接起來，另一 根 一端與壓力鍋二連接，另一端對準電風扇的葉片。用導電線將電風扇的電動 機與電冰箱 、電視機、電飯煲、電腦等家用電器連接起來。
二、使用和運行： 將核燃料製成塊狀，放入壓力鍋一裡面，然後蓋上蓋簾。將控制棒原料製成 棒狀，從鍋蓋及蓋簾的圓孔逐個豎直插入，外面露出一截兒，以便提升和插 入。 將壓力鍋一注滿硼酸溶液。啟動小水泵打循環。提升控制棒，並用純凈水調整硼 酸濃度，使核燃料開始進行裂變反應。反應生成的熱量加熱硼酸溶液後，啟動小 水泵將高溫的硼酸溶液送入暖氣片中，與壓力鍋二裡面、暖氣片外面的水進行換 熱後，再返回壓力鍋一，並按此不斷循環，將核燃料的熱量不斷帶出。 向壓力鍋二裡面不斷送水，將被暖氣片加熱產生的蒸汽通過塑料管導出，並 對準電風扇的葉片衝擊，使電風扇旋轉。旋轉的電風扇這時反帶電動機轉動，這 時候的電動機就變成了發電機。發出的電能通過導線傳輸給全體家用電器們。
此外，壓力鍋二產生的蒸汽還可以用塑料管引出一部分，接到洗手間里與自 來水混合，用於洗浴等，以達到綜合利用能源的目的。
三、注意事項： 家用簡易核反應堆電站雖然功率小，成本低，結構簡單，但麻雀雖小五臟俱 全， 因此， 仍要劃入民用核設施的管理範疇。 所以， 在設計、 製作和使用過程 中， 必須嚴格遵守國際原子能機構和我國國家核安全局的相關法律法規。在設計、制 造和使用前，均應向國家核安全局提出相應申請，在獲得設計、製作和使用許可 證之後才可以進行實施，嚴禁無證設計、製作和使用。
家用簡易核反應堆電站在使用過程中要認真操作， 防止任何核泄漏事故的發 生。為防止溫度一旦失去控制導致壓力鍋一燒毀的事故發生，建議將該裝置放入 淋浴間較好，一旦發生上述事故，可立即打開淋浴頭進行噴淋降溫。 使用後的核燃料稱為乏燃料，因放射性極強，所以不要隨處丟棄，建議進行 濃縮再利用，比如製作家用原子彈，用於保衛家庭安全。也可在偶爾發生夫妻大 戰時，起到核威懾作用，迫使無核方乖乖就範。
此外，為降低日常使用中該裝置對人體的輻射，建議使用人穿好衣服，切記 不要裸體操作。
會上網
1，燃料棒的設計
2.反應器的設計
3，一般火電廠的工藝流程
如果不考慮輻射安全，這三部分就行了，至少我接觸到的只有這些
可以到京東買本書自己看看
http://book.360buy.com/10480600.html
第32個？就YouTube上關於fusor的視頻來看，應該在後面補兩到三個0才對
作為核安全審評人員作答。
我國民用核反應堆商業運行採用兩步法（區別於美國的一步法）需要提交安全分析報告，共計22章，基本涵蓋了核電廠涉及核能得方面，下面列出章節目錄，可以作為參考。
看懂生活大爆炸
@三胖
這位少年如 @崔飄揚所述，是在自己搭建了一個離子加速器。
真正的碉堡了是這位美國17歲少年在自家後院進行核試驗新浪網_新聞中心，這才是自己動手，毀滅世界。
您好，人口普查，請開門
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