由來(lái)已久的“談核色變”
1986 年 4 月 26 日，在蘇聯(lián)烏克蘭境內(nèi)，由于設(shè)計(jì)上的缺陷、測(cè)試實(shí)驗(yàn)的不合時(shí)宜，以及出現(xiàn)問(wèn)題后的“蜜汁”操作，第四號(hào)反應(yīng)堆發(fā)生了嚴(yán)重的爆炸，這就是史上最嚴(yán)重的核電站事故之一 —— 切爾諾貝利核電站事故。在那之后的十年里，將近 20 萬(wàn)人因此而喪生。
2011 年 3 月 11 日，在日本東北部太平洋海域發(fā)生了里氏 9 級(jí)地震，并引發(fā)了巨大的海嘯。福島第一核電站出現(xiàn)故障，控制棒無(wú)法插入，堆芯溫度上升，包殼與水反應(yīng)導(dǎo)致大量氫氣產(chǎn)生并積聚，最終造成多座機(jī)組的廠房爆炸，大量放射性氣體釋放到大氣中。
經(jīng)過(guò)日本原子力安全保安院（NISA）鑒定，福島核電站事故與 1986 年切爾諾貝利核電站事故的等級(jí)均為核事故的最高等級(jí)：7 級(jí)（特大事故）。福島核電站事故發(fā)生迄今已十年有余，據(jù)統(tǒng)計(jì)，已有逾百人受此次事故的核輻射影響患癌。
其實(shí)，從上世紀(jì) 50 年代核電站誕生至今，全世界范圍內(nèi)發(fā)生過(guò)很多次或大或小的核電站事故或異常。包括我國(guó)境內(nèi)，位于廣東省的大亞灣核電站，在 2010 年間也發(fā)生了一次異常現(xiàn)象，雖然這次事件可能并不能算得上是“事故”，但仍讓當(dāng)時(shí)的工作人員捏一把汗。
如今，日本又因意圖把福島核事故產(chǎn)生的核廢水排放至大海而在世界范圍內(nèi)引起熱議，同時(shí)也給全球幾十億人民帶來(lái)了巨大恐慌。你也許會(huì)問(wèn)，既然核電站“這么危險(xiǎn)”，為什么還要大力建設(shè)核電站呢？？？
強(qiáng)大的核能
相寧聽說(shuō)：每個(gè)男孩都有造一顆原子彈的夢(mèng)想。當(dāng)然，有些女孩也有，比如相寧本人。但在和平年代，大家都不希望美麗的藍(lán)星長(zhǎng)出巨大的“??蘑菇云”，所以，能為核電事業(yè)做點(diǎn)貢獻(xiàn)也是非常不錯(cuò)的，畢竟，兩者都是鈾-235 的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嘛！
說(shuō)到鈾-235，它是第 92 號(hào)元素，一個(gè)鈾-235 核內(nèi)部有 92 個(gè)質(zhì)子和 143 個(gè)中子，是錒系元素中的一種放射性元素。自然界中還有兩種常見的鈾-235 的同位素，它們分別是：鈾-234 和鈾-238，但是這兩種同位素基本只是吸收中子，不會(huì)參與裂變反應(yīng)。
鈾-235 的裂變反應(yīng)主要由中子轟擊誘發(fā)。當(dāng)一個(gè)中子快速轟擊鈾-235 的原子核時(shí)，原本的鈾-235 會(huì)分裂產(chǎn)生另外兩個(gè)元素、2-3 個(gè)中子，以及 200 MeV 左右的能量。而生成的這 2-3 個(gè)中子也不閑著，又會(huì)繼續(xù)轟擊其它鈾-235，繼而引發(fā)更多的裂變。當(dāng)這種反應(yīng)此起彼伏、一呼百應(yīng)，就叫發(fā)生了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
這里相寧計(jì)算過(guò)，1g 純的鈾-235 完全裂變所產(chǎn)生的能量，不僅能燉熟幾百噸牛肉，還相當(dāng)于 20 噸 TNT 炸藥爆炸，產(chǎn)生的威力足以炸毀方圓 200 米內(nèi)的建筑物。有道是“武器沒(méi)有正邪之分”，重要的是怎么利用。如此巨大的能量，用來(lái)發(fā)電可好？當(dāng)然好！
核電站真的清潔又安全嗎？
核電站發(fā)電的過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)講就是：先利用鈾-235 裂變產(chǎn)生的熱量燒熱水，熱水沸騰后產(chǎn)生的水蒸氣推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。再經(jīng)過(guò)輸電、變電線網(wǎng)的輸送，你我他的家里就用上了清潔的核電了。
可能你會(huì)問(wèn)，核電真的安全嗎？不要驚慌，我們首先看核電站的主要組成部分，它包含了核島、常規(guī)島、核電站配套設(shè)施以及核電站的安全防護(hù)部分組成。這其中，核島是核電站的主要組成部分。
我們拿沸水堆舉例。先看下圖最左側(cè)這一部分，核島包括了反應(yīng)堆和外殼，反應(yīng)堆由核燃料棒、控制棒和反應(yīng)爐等部分組成，在這里會(huì)發(fā)生鈾 235 的核裂變反應(yīng)。其中，每根燃料棒中鈾-235 這種放射性元素的含量約為 2%～4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其在核武器內(nèi)的含量（約 90%），而且這里的鈾主要以二氧化鈾的形式存在，被密封在鋯合金包殼管中。低濃度的鈾-235 只具備較低的反應(yīng)速度，不會(huì)在瞬間產(chǎn)生巨大能量引發(fā)爆炸。
控制棒是啥？顧名思義，它是用來(lái)控制核反應(yīng)速度的?？刂瓢糁饕怯摄y銦鎘材料制成，外面套有不銹鋼包殼，可以吸收反應(yīng)堆的中子。把控制棒插入燃料棒間隙中后，就會(huì)降低的速度甚至停止核反應(yīng)。
而常規(guī)島是由渦輪、發(fā)電機(jī)等部分組成的，主要用來(lái)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能；核電站配套設(shè)施包括一些控制系統(tǒng)以及應(yīng)急控制系統(tǒng)；核電站的安全防護(hù)措施主要包括由鋯合金管或不銹鋼管制成的燃料棒包殼、由厚合金鋼板構(gòu)成的反應(yīng)堆壓力容器殼體以及由鋼筋混凝土建成的安全殼（或稱反應(yīng)堆廠房）三層保護(hù)。這種近乎“冗余”的保護(hù)策略，被稱為“縱深防御”。足以看出，如果沒(méi)有天災(zāi)人禍，核電站的安全毋庸置疑！
不過(guò)即便如此，鈾-235 裂變產(chǎn)生的中子依舊具有較大的速度，而挑剔的鈾-235 又不愛吸收這么快的中子，那怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候，慢化劑就出來(lái)發(fā)揮作用了。常用的慢化劑非常常見，那就是人類的生命源泉 —— 水，它可以降低中子的速度而又不吸收中子。
看到這里是不是又有小伙伴想提問(wèn)：日本福島核電站的核廢水是不是就是用來(lái)慢化中子的水呢？Bingo，答對(duì)了! 正常情況下，核電站處于安全工作狀態(tài)下，這些慢化劑的水是不會(huì)被泄漏出來(lái)的。但是，福島發(fā)生地震之后，前期冷卻水不足導(dǎo)致核心燃料棒一直升溫進(jìn)而發(fā)生不可控的爆炸。之后為了冷卻核心，不得已往反應(yīng)堆內(nèi)灌入了大量水，從而產(chǎn)生了大量的帶有放射性的核廢水。
所以，這些核廢水里邊，含有大量的核反應(yīng)產(chǎn)物，包括大量未用完的可增殖材料鈾-238 或釷-232，未燒完的和新生成的易裂變材料钚-239、鈾-235 以及核燃料在輻照過(guò)程中產(chǎn)生的镎、镅、鋦等超鈾元素，另外還有裂變?cè)劓J-90、銫-137、锝-99 等。如果未經(jīng)處理就排入大海，勢(shì)必會(huì)造成巨大的危害！
燒開水的一百零八種姿勢(shì)
目前，在全世界范圍來(lái)看，核電站采用的反應(yīng)堆有輕水堆、重水堆和改進(jìn)型氣冷堆及快堆等。在這幾種類型中，輕水堆的使用最為廣泛。不懂就問(wèn)：輕水是啥？其實(shí)，輕水是一種重要的二元化合物 ：一氧化二氫（H?O）！
而按“燒水”方式不同，輕水堆又包括沸水堆核電站和壓水堆核電站等類型。這里小編拋出問(wèn)題：福島核電站是什么反應(yīng)堆呢？切爾諾貝利核電站呢？
1、 沸水反應(yīng)堆
沸水堆的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只有一個(gè)冷卻水回路。而且，在這個(gè)水回路里的水，不僅是冷卻劑，也是中子慢化劑。在沸水堆里，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)基本保持在 70 個(gè)大氣壓，水會(huì)在 270℃左右沸騰。
在反應(yīng)堆里，汽水混合物經(jīng)過(guò)堆芯上方的汽水分離器和蒸汽干燥器過(guò)濾掉液態(tài)水，然后直接送到渦輪機(jī)處推進(jìn)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。而離開渦輪機(jī)的蒸汽經(jīng)過(guò)冷凝器凝結(jié)為液態(tài)的水后，又被送回至反應(yīng)堆，從而完成一個(gè)循環(huán)。
與壓水反應(yīng)堆相比，沸水反應(yīng)堆的構(gòu)造簡(jiǎn)單，反應(yīng)堆的工作壓力和堆芯溫度也低得多，因此反應(yīng)堆的安全性更高，造價(jià)也更低。但沸水堆的循環(huán)系統(tǒng)直接連接了堆芯和渦輪機(jī)，可能使渦輪機(jī)受到放射性污染，也可能對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)渦輪機(jī)等設(shè)備的穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利影響。
2、壓水反應(yīng)堆
但是，目前世界上最廣泛使用的反應(yīng)堆堆型是壓水堆，幾乎占到了核電總?cè)萘康?60% 以上。目前我國(guó)大力發(fā)展的也是這種堆型，這是為什么呢？
首先看一下壓水堆的結(jié)構(gòu)。壓水堆的結(jié)構(gòu)相比沸水堆更加復(fù)雜，它的冷卻系統(tǒng)由兩個(gè)循環(huán)回路組成。看圖，就是黃色的一回路和藍(lán)色的二回路。一回路連接著堆芯和二回路中的蒸汽鍋爐，這一回路內(nèi)的壓強(qiáng)比較高，一般在 150 個(gè)大氣壓左右，在這樣高的壓強(qiáng)下可以把冷卻水加熱到約 343℃而不沸騰。
然后，一回路的循環(huán)冷卻水在通過(guò)蒸汽鍋爐后把熱量傳給二回路，因?yàn)槎芈返膲簭?qiáng)約為 70 個(gè)大氣壓，一回路的水將二回路的水加熱至約 270℃沸騰，經(jīng)過(guò)凈化后水蒸氣送至渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。傳送熱量后的一回路的水降低了溫度并流回堆芯，完成一回路的循環(huán)；從渦輪機(jī)處流出的二回路水經(jīng)冷凝器凝結(jié)后也回流至蒸汽鍋爐，完成二回路的循環(huán)。
雖然和沸水反應(yīng)堆相比，壓水堆更復(fù)雜，堆芯中的工作壓力和溫度都較沸水堆高，因此對(duì)反應(yīng)堆材料性能的要求也比沸水堆更高。但是，壓水堆堆芯體積更小，堆芯的功率密度也更大（大型壓水堆的堆芯功率密度可達(dá) 100 千瓦 / 升），因此壓水堆的發(fā)電效率比沸水堆要高一些。
再回到相寧剛剛拋出的問(wèn)題上，我們不難推測(cè)出福島核電站反應(yīng)堆堆型。Bingo！沸水堆！這也是導(dǎo)致它事故后產(chǎn)生了大量帶有放射性物質(zhì)核廢水的重要原因！而切爾諾貝利核電站建造年代較早，屬于第二代石墨沸水反應(yīng)堆，采用石墨做慢化劑，沸騰輕水做冷卻劑。
發(fā)現(xiàn)沒(méi)？
核電站的核心奧義不就是
花式燒開水！
為什么大力發(fā)展核電？
若問(wèn)：為什么要發(fā)展核電？那當(dāng)然是它存在很多突出的優(yōu)勢(shì)呀！
在這里，我們不能以一概全，雖然核電站一旦發(fā)生事故就是很嚴(yán)重的；但從發(fā)生事故的概率看，核電屬于安全環(huán)?？沙掷m(xù)的能源。因?yàn)楹巳剂蟽?chǔ)備多，與一次能源相比，能用的時(shí)間就久得多；而且，核電站也不像傳統(tǒng)熱電站會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體。所以，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看，核電是非常有益的。
當(dāng)然，核電也的確存在一些令人煩惱的地方。在核廢料里，還存在著大量難以處理的沒(méi)有反應(yīng)完的放射性核素；而且，核廢水和被污染的設(shè)備和衣物等，也都讓人頭疼。
最后再次倡議 ——
對(duì)于核電
安全可靠且萬(wàn)無(wú)一失的設(shè)計(jì)和運(yùn)行至關(guān)重要！
希望人類的未來(lái)能與核電和諧共處！
參考文獻(xiàn)：
[1] 核電站的工作原理是什么?[J].財(cái)富生活，2019 (23):13.
[2] 馮獻(xiàn)靈，薛廣宇.核電站工作原理及發(fā)展前景展望 [J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021,20 (07):75-76.
[3] 胡安邦.核電站廢水之謎 [J].課堂內(nèi)外 (科學(xué) Fans),2021 (06):24-25.
[4] 核廢料該如何處理，奧特曼發(fā)話了
[5] 核廢水的前世今生.
[6] 王群，耿云玲.日本福島核事故分析與思考 [J].國(guó)防科技，2012,33 (06):11-19.
[7] 王永強(qiáng)，楊濱.淺談核電及其安全 [J].金屬世界，2011 (03):10-15.
[8] 動(dòng)圖解密原子彈制造
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：顏相寧
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