核电：一种更花式的烧开水方式
由来已久的"谈核色变"
1986 年 4 月 26 日，在苏联乌克兰境内，由于设计上的缺陷、测试实验的不合时宜，以及出现问题后的"蜜汁"操作，第四号反应堆发生了严重的爆炸，这就是史上最严重的核电站事故之一 -- 切尔诺贝利核电站事故。在那之后的十年里，将近 20 万人因此而丧生。
2011 年 3 月 11 日，在日本东北部太平洋海域发生了里氏 9 级地震，并引发了巨大的海啸。福岛第一核电站出现故障，控制棒无法插入，堆芯温度上升，包壳与水反应导致大量氢气产生并积聚，最终造成多座机组的厂房爆炸，大量放射性气体释放到大气中。
经过日本原子力安全保安院（NISA）鉴定，福岛核电站事故与 1986 年切尔诺贝利核电站事故的等级均为核事故的最高等级：7 级（特大事故）。福岛核电站事故发生迄今已十年有余，据统计，已有逾百人受此次事故的核辐射影响患癌。
其实，从上世纪 50 年代核电站诞生至今，全世界范围内发生过很多次或大或小的核电站事故或异常。包括我国境内，位于广东省的大亚湾核电站，在 2010 年间也发生了一次异常现象，虽然这次事件可能并不能算得上是"事故"，但仍让当时的工作人员捏一把汗。
如今，日本又因意图把福岛核事故产生的核废水排放至大海而在世界范围内引起热议，同时也给全球几十亿人民带来了巨大恐慌。你也许会问，既然核电站"这么危险"，为什么还要大力建设核电站呢？？？
强大的核能
相宁听说：每个男孩都有造一颗原子弹的梦想。当然，有些女孩也有，比如相宁本人。但在和平年代，大家都不希望美丽的蓝星长出巨大的"🍄蘑菇云"，所以，能为核电事业做点贡献也是非常不错的，毕竟，两者都是铀-235 的核裂变链式反应嘛！
说到铀-235，它是第 92 号元素，一个铀-235 核内部有 92 个质子和 143 个中子，是锕系元素中的一种放射性元素。自然界中还有两种常见的铀-235 的同位素，它们分别是：铀-234 和铀-238，但是这两种同位素基本只是吸收中子，不会参与裂变反应。
铀-235 的裂变反应主要由中子轰击诱发。当一个中子快速轰击铀-235 的原子核时，原本的铀-235 会分裂产生另外两个元素、2-3 个中子，以及 200 MeV 左右的能量。而生成的这 2-3 个中子也不闲着，又会继续轰击其它铀-235，继而引发更多的裂变。当这种反应此起彼伏、一呼百应，就叫发生了链式反应。
这里相宁计算过，1g 纯的铀-235 完全裂变所产生的能量，不仅能炖熟几百吨牛肉，还相当于 20 吨 TNT 炸药爆炸，产生的威力足以炸毁方圆 200 米内的建筑物。有道是"武器没有正邪之分"，重要的是怎么利用。如此巨大的能量，用来发电可好？当然好！
核电站真的清洁又安全吗？
核电站发电的过程简单来讲就是：先利用铀-235 裂变产生的热量烧热水，热水沸腾后产生的水蒸气推动涡轮旋转，进而带动发电机发电。再经过输电、变电线网的输送，你我他的家里就用上了清洁的核电了。
可能你会问，核电真的安全吗？不要惊慌，我们首先看核电站的主要组成部分，它包含了核岛、常规岛、核电站配套设施以及核电站的安全防护部分组成。这其中，核岛是核电站的主要组成部分。
我们拿沸水堆举例。先看下图最左侧这一部分，核岛包括了反应堆和外壳，反应堆由核燃料棒、控制棒和反应炉等部分组成，在这里会发生铀 235 的核裂变反应。其中，每根燃料棒中铀-235 这种放射性元素的含量约为 2%～4%，远远低于其在核武器内的含量（约 90%），而且这里的铀主要以二氧化铀的形式存在，被密封在锆合金包壳管中。低浓度的铀-235 只具备较低的反应速度，不会在瞬间产生巨大能量引发爆炸。
控制棒是啥？顾名思义，它是用来控制核反应速度的。控制棒主要是由银铟镉材料制成，外面套有不锈钢包壳，可以吸收反应堆的中子。把控制棒插入燃料棒间隙中后，就会降低的速度甚至停止核反应。
而常规岛是由涡轮、发电机等部分组成的，主要用来将热能转化为机械能，进而转化为电能；核电站配套设施包括一些控制系统以及应急控制系统；核电站的安全防护措施主要包括由锆合金管或不锈钢管制成的燃料棒包壳、由厚合金钢板构成的反应堆压力容器壳体以及由钢筋混凝土建成的安全壳（或称反应堆厂房）三层保护。这种近乎"冗余"的保护策略，被称为"纵深防御"。足以看出，如果没有天灾人祸，核电站的安全毋庸置疑！
不过即便如此，铀-235 裂变产生的中子依旧具有较大的速度，而挑剔的铀-235 又不爱吸收这么快的中子，那怎么办呢？这个时候，慢化剂就出来发挥作用了。常用的慢化剂非常常见，那就是人类的生命源泉 -- 水，它可以降低中子的速度而又不吸收中子。
看到这里是不是又有小伙伴想提问：日本福岛核电站的核废水是不是就是用来慢化中子的水呢？Bingo，答对了! 正常情况下，核电站处于安全工作状态下，这些慢化剂的水是不会被泄漏出来的。但是，福岛发生地震之后，前期冷却水不足导致核心燃料棒一直升温进而发生不可控的爆炸。之后为了冷却核心，不得已往反应堆内灌入了大量水，从而产生了大量的带有放射性的核废水。
所以，这些核废水里边，含有大量的核反应产物，包括大量未用完的可增殖材料铀-238 或钍-232，未烧完的和新生成的易裂变材料钚-239、铀-235 以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素锶-90、铯-137、锝-99 等。如果未经处理就排入大海，势必会造成巨大的危害！
烧开水的一百零八种姿势
目前，在全世界范围来看，核电站采用的反应堆有轻水堆、重水堆和改进型气冷堆及快堆等。在这几种类型中，轻水堆的使用最为广泛。不懂就问：轻水是啥？其实，轻水是一种重要的二元化合物 ：一氧化二氢（H₂O）！
而按"烧水"方式不同，轻水堆又包括沸水堆核电站和压水堆核电站等类型。这里小编抛出问题：福岛核电站是什么反应堆呢？切尔诺贝利核电站呢？
1、 沸水反应堆
沸水堆的结构很简单，只有一个冷却水回路。而且，在这个水回路里的水，不仅是冷却剂，也是中子慢化剂。在沸水堆里，冷却系统内的压强基本保持在 70 个大气压，水会在 270℃左右沸腾。
在反应堆里，汽水混合物经过堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水，然后直接送到涡轮机处推进发电机运转发电。而离开涡轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态的水后，又被送回至反应堆，从而完成一个循环。
与压水反应堆相比，沸水反应堆的构造简单，反应堆的工作压力和堆芯温度也低得多，因此反应堆的安全性更高，造价也更低。但沸水堆的循环系统直接连接了堆芯和涡轮机，可能使涡轮机受到放射性污染，也可能对反应堆内涡轮机等设备的稳定工作产生不利影响。
2、压水反应堆
但是，目前世界上最广泛使用的反应堆堆型是压水堆，几乎占到了核电总容量的 60% 以上。目前我国大力发展的也是这种堆型，这是为什么呢？
首先看一下压水堆的结构。压水堆的结构相比沸水堆更加复杂，它的冷却系统由两个循环回路组成。看图，就是黄色的一回路和蓝色的二回路。一回路连接着堆芯和二回路中的蒸汽锅炉，这一回路内的压强比较高，一般在 150 个大气压左右，在这样高的压强下可以把冷却水加热到约 343℃而不沸腾。
然后，一回路的循环冷却水在通过蒸汽锅炉后把热量传给二回路，因为二回路的压强约为 70 个大气压，一回路的水将二回路的水加热至约 270℃沸腾，经过净化后水蒸气送至涡轮机带动发电机运转发电。传送热量后的一回路的水降低了温度并流回堆芯，完成一回路的循环；从涡轮机处流出的二回路水经冷凝器凝结后也回流至蒸汽锅炉，完成二回路的循环。
虽然和沸水反应堆相比，压水堆更复杂，堆芯中的工作压力和温度都较沸水堆高，因此对反应堆材料性能的要求也比沸水堆更高。但是，压水堆堆芯体积更小，堆芯的功率密度也更大（大型压水堆的堆芯功率密度可达 100 千瓦 / 升），因此压水堆的发电效率比沸水堆要高一些。
再回到相宁刚刚抛出的问题上，我们不难推测出福岛核电站反应堆堆型。Bingo！沸水堆！这也是导致它事故后产生了大量带有放射性物质核废水的重要原因！而切尔诺贝利核电站建造年代较早，属于第二代石墨沸水反应堆，采用石墨做慢化剂，沸腾轻水做冷却剂。
发现没？
核电站的核心奥义不就是
花式烧开水！
为什么大力发展核电？
若问：为什么要发展核电？那当然是它存在很多突出的优势呀！
在这里，我们不能以一概全，虽然核电站一旦发生事故就是很严重的；但从发生事故的概率看，核电属于安全环保可持续的能源。因为核燃料储备多，与一次能源相比，能用的时间就久得多；而且，核电站也不像传统热电站会产生大量的温室气体。所以，从长远的发展来看，核电是非常有益的。
当然，核电也的确存在一些令人烦恼的地方。在核废料里，还存在着大量难以处理的没有反应完的放射性核素；而且，核废水和被污染的设备和衣物等，也都让人头疼。
最后再次倡议 --
对于核电
安全可靠且万无一失的设计和运行至关重要！
希望人类的未来能与核电和谐共处！
参考文献：
[1] 核电站的工作原理是什么?[J].财富生活，2019 (23):13.
[2] 冯献灵，薛广宇.核电站工作原理及发展前景展望 [J].产业与科技论坛，2021,20 (07):75-76.
[3] 胡安邦.核电站废水之谜 [J].课堂内外 (科学 Fans),2021 (06):24-25.
[4] 核废料该如何处理，奥特曼发话了
[5] 核废水的前世今生.
[6] 王群，耿云玲.日本福岛核事故分析与思考 [J].国防科技，2012,33 (06):11-19.
[7] 王永强，杨滨.浅谈核电及其安全 [J].金属世界，2011 (03):10-15.
[8] 动图解密原子弹制造
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：颜相宁
