由來已久的“談核色變”
1986 年 4 月 26 日，在蘇聯(lián)烏克蘭境內(nèi)，由于設(shè)計上的缺陷、測試實驗的不合時宜，以及出現(xiàn)問題后的“蜜汁”操作，第四號反應(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，最終造成多座機組的廠房爆炸，大量放射性氣體釋放到大氣中。
經(jīng)過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均為核事故的最高等級：7 級（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，已有逾百人受此次事故的核輻射影響患癌。
其實，從上世紀(jì) 50 年代核電站誕生至今，全世界范圍內(nèi)發(fā)生過很多次或大或小的核電站事故或異常。包括我國境內(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，同時也給全球幾十億人民帶來了巨大恐慌。你也許會問，既然核電站“這么危險”，為什么還要大力建設(shè)核電站呢？？？
強大的核能
相寧聽說：每個男孩都有造一顆原子彈的夢想。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星長出巨大的“??蘑菇云”，所以，能為核電事業(yè)做點貢獻也是非常不錯的，畢竟，兩者都是鈾-235 的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)嘛！
說到鈾-235，它是第 92 號元素，一個鈾-235 核內(nèi)部有 92 個質(zhì)子和 143 個中子，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)一個中子快速轟擊鈾-235 的原子核時，原本的鈾-235 會分裂產(chǎn)生另外兩個元素、2-3 個中子，以及 200 MeV 左右的能量。而生成的這 2-3 個中子也不閑著，又會繼續(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)。
這里相寧計算過，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“武器沒有正邪之分”，重要的是怎么利用。如此巨大的能量，用來發(fā)電可好？當(dāng)然好！
核電站真的清潔又安全嗎？
核電站發(fā)電的過程簡單來講就是：先利用鈾-235 裂變產(chǎn)生的熱量燒熱水，熱水沸騰后產(chǎn)生的水蒸氣推動渦輪旋轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。再經(jīng)過輸電、變電線網(wǎng)的輸送，你我他的家里就用上了清潔的核電了。
可能你會問，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%，遠遠低于其在核武器內(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)電機等部分組成的，主要用來將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，進而轉(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。這種近乎“冗余”的保護策略，被稱為“縱深防御”。足以看出，如果沒有天災(zāi)人禍，核電站的安全毋庸置疑！
不過即便如此，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？這個時候，慢化劑就出來發(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：日本福島核電站的核廢水是不是就是用來慢化中子的水呢？Bingo，答對了! 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被泄漏出來的。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程中產(chǎn)生的镎、镅、鋦等超鈾元素，另外還有裂變元素鍶-90、銫-137、锝-99 等。如果未經(jīng)處理就排入大海，勢必會造成巨大的危害！
燒開水的一百零八種姿勢
目前，在全世界范圍來看，核電站采用的反應(yīng)堆有輕水堆、重水堆和改進型氣冷堆及快堆等。在這幾種類型中，輕水堆的使用最為廣泛。不懂就問：輕水是啥？其實，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)很簡單，只有一個冷卻水回路。而且，在這個水回路里的水，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)的壓強基本保持在 70 個大氣壓，水會在 270℃左右沸騰。
在反應(yīng)堆里，汽水混合物經(jīng)過堆芯上方的汽水分離器和蒸汽干燥器過濾掉液態(tài)水，然后直接送到渦輪機處推進發(fā)電機運轉(zhuǎn)發(fā)電。而離開渦輪機的蒸汽經(jīng)過冷凝器凝結(jié)為液態(tài)的水后，又被送回至反應(yīng)堆，從而完成一個循環(huán)。
與壓水反應(yīng)堆相比，沸水反應(yīng)堆的構(gòu)造簡單，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，可能使渦輪機受到放射性污染，也可能對反應(yīng)堆內(nèi)渦輪機等設(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)由兩個循環(huán)回路組成。看圖，就是黃色的一回路和藍色的二回路。一回路連接著堆芯和二回路中的蒸汽鍋爐，這一回路內(nèi)的壓強比較高，一般在 150 個大氣壓左右，在這樣高的壓強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)冷卻水在通過蒸汽鍋爐后把熱量傳給二回路，因為二回路的壓強約為 70 個大氣壓，一回路的水將二回路的水加熱至約 270℃沸騰，經(jīng)過凈化后水蒸氣送至渦輪機帶動發(fā)電機運轉(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 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題上，我們不難推測出福島核電站反應(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？
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：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。因為核燃料儲備多，與一次能源相比，能用的時間就久得多；而且，核電站也不像傳統(tǒng)熱電站會產(chǎn)生大量的溫室氣體。所以，從長遠的發(fā)展來看，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 ——
對于核電
安全可靠且萬無一失的設(shè)計和運行至關(guān)重要！
希望人類的未來能與核電和諧共處！
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[5] 核廢水的前世今生.
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[8] 動圖解密原子彈制造
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：顏相寧
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