核電站里面什么樣？網(wǎng)上有核電站是“燒開水”的說法，甚至認(rèn)為核電就是“蓋罩子”的原子彈……事實真是這樣嗎？

撰文/記者 趙天宇 編輯/劉昭

新媒體編輯/房永珍

從1954年世界上第一座核電站建成至今，核電站被認(rèn)為是人類和平利用核能的典范，距今已有超過60年的歷史。發(fā)展核電對保障能源供應(yīng)與安全，保護(hù)環(huán)境，實現(xiàn)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著十分重要的意義。但另一方面，普通公眾對于核電站并不了解，網(wǎng)上有核電站是“燒開水”的說法，甚至認(rèn)為核電就是“蓋罩子”的原子彈，事實情況真是這樣嗎？

△福清核電廠區(qū)現(xiàn)場（攝影/江建平 江春輝）

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裂變：核電站的基本原理

核裂變，也稱為核分裂反應(yīng)，是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個或多個質(zhì)量較小原子的一種核反應(yīng)形式。早在1938年，核裂變現(xiàn)象，就由德國科學(xué)家奧托·哈恩和他的助手斯特拉斯曼在實驗當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，由此拉開了人類利用核能的序幕。

當(dāng)鈾235這種核素的原子核受到外來中子轟擊時，一個原子核會吸收一個中子分裂成兩個質(zhì)量較小的原子核，同時放出2-3個中子，這些中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變，如此循環(huán)往復(fù)，進(jìn)行的就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最大的“優(yōu)勢”就是可以產(chǎn)生大量熱能，對于現(xiàn)代人類而言，這種熱能最直接的作用正是發(fā)電。1942年，美國科學(xué)家費(fèi)米等建成世界上第一座人工核反應(yīng)堆；1954年6月，蘇聯(lián)在莫斯科近郊奧布寧斯克，建成了世界上第一座向工業(yè)電網(wǎng)送電的核電站奧布寧斯克核電站。

核電站的工作原理是什么？以最常見的壓水堆式核電站為例，用鈾制成的核燃料，在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行裂變并釋放出大量熱能；高壓下的循環(huán)冷卻水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)生成蒸汽，推動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。

除了壓水堆核電站，目前全球范圍內(nèi)還有沸水堆、重水堆、高溫氣冷堆和快堆核電站。沸水堆只有一個回路，省去了蒸汽發(fā)生器，相對比較簡單，有時候和壓水堆核電站一起被稱作“輕水堆”；而重水堆是以重水作慢化劑的反應(yīng)堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料。

高溫氣冷堆產(chǎn)生的熱量，則是由氦氣冷卻劑帶走，具有安全性好、出口溫度高等特點(diǎn)；快堆核電站，直接利用快中子引起鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，具有不需要慢化劑、體積小、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前國際核能界最成熟也是最具發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)堆型之一。

△快堆核電站原理圖

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借助回路實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換

高溫氣冷堆和快堆核電站，被認(rèn)為是未來新一代核電站的主力技術(shù)，但目前世界上應(yīng)用最廣泛的主力堆型，依然是壓水堆核電站。數(shù)據(jù)顯示，目前全球范圍內(nèi)在運(yùn)行的核電站共有440多座，其中大部分是輕水堆，我國投入運(yùn)行并將建造的絕大多數(shù)核電站，也都是輕水堆型的。

那么，壓水堆核電站是怎樣工作的？它又是怎樣把核能轉(zhuǎn)換成為電能的？

一般而言，壓水堆核電站有兩個回路，其中一回路是核電站最核心的地方，相當(dāng)于火電廠的鍋爐，核裂變反應(yīng)在這里發(fā)生以后，產(chǎn)生了巨大的熱量，這些熱量將高壓水加熱到300℃以上。

因為涉及放射性物質(zhì)，為了確保安全，核電站所使用的核燃料，外面都會包裹著特制的燃料包殼。整個一回路系統(tǒng)，也被安裝在一個叫安全殼的密閉廠房中，核電站圖片當(dāng)中的“大殼子”就是這種封閉廠房，安全殼能夠在核電廠發(fā)生事故時，最大限度地保證公眾和環(huán)境不受到影響。

二回路系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。由蒸汽系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組、凝汽器、蒸汽排放系統(tǒng)、給水加熱系統(tǒng)和輔助給水系統(tǒng)等組成。二回路的水通過蒸汽發(fā)生器吸收了一回路蒸汽的熱量，使自身變?yōu)轱柡驼羝?，推動汽輪機(jī)發(fā)電，然后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中冷卻后,再通過給水泵進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。

有時候核電廠將冷凝器的冷卻回路叫做三回路，這個回路利用冷卻水源冷卻二回路的水，三回路會將廢熱傳到環(huán)境中。

不難發(fā)現(xiàn)，核電站的兩個或三個回路彼此是獨(dú)立運(yùn)作，也是相互隔絕的，只有一回路的冷卻劑中具有放射性，二三回路的水對于生態(tài)環(huán)境不會造成任何影響。

△“華龍一號”全球首堆福清核電5號機(jī)組現(xiàn)場（圖片來源/中國核能電力股份有限公司）

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核電站就是“燒開水”嗎？

長久以來，網(wǎng)上一直把核電站的工作原理，形象地比喻為“燒開水”。這讓不少人感到意外：核能這種具有科幻感的黑科技，為何與燒開水的稱呼畫上了等號？

實際上，從設(shè)備上來看，核電站的反應(yīng)堆，相當(dāng)于火電站的鍋爐。并且在具體方法上，也就是用核裂變產(chǎn)生的熱量，將水“燒開”來推動汽輪機(jī)工作，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。這與燃煤電廠通過將煤炭燃燒后產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能的方法并無差異。

但從燃料的角度上來說，兩者還是有本質(zhì)區(qū)別的，核電主要利用的是燃料裂變能，而火電廠利用的是化學(xué)能。后者只是單純地用煤炭或者其他化石燃料燒水，效率低、污染嚴(yán)重。而前者則通過核裂變反應(yīng)以及回路式設(shè)計，傳遞熱量，并且能量密度極高。

以一座發(fā)電量為100萬千瓦的電站為例，如果燒煤，每天需耗煤 7000~8000噸左右，一年高達(dá)300萬噸。但改用核電站，需要鈾燃料量只有煤炭的270萬分之一，所以每年只消耗約1.5噸鈾或钚燃料，并且一次換料，可以滿功率運(yùn)行連續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年。

所以用“燒開水”來形容核電站并不錯誤，但就是這個“燒”的過程，核電站是有很高科技含量的，對于人類利用能源而言也是一大進(jìn)步。

△“華龍一號”全球首堆5號機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器順利引入（攝影/過東海）

另一方面，核電站的安全性能也很高，不可能像原子彈一樣爆炸。這是因為，雖然兩者的燃料相似，都含有鈾235或者钚239，但它們的含量差距卻是巨大的，原子彈的含量高達(dá)90%以上，所以可以釋放出摧毀一座城市的巨大力量，但核電站含量僅為3%左右，猶如酒精和啤酒的差異。

此外，核電廠對選址、設(shè)計、建造、調(diào)試和運(yùn)行都有嚴(yán)格要求，并且各個階段的每一項具體活動，都有單項的質(zhì)量保證要求，對于人員的培訓(xùn)也非常嚴(yán)格。如果遇到自然災(zāi)害等情況，核反應(yīng)堆也能安全停閉，不會對當(dāng)?shù)鼐用窈妥匀画h(huán)境造成危害。

（本專題由北京科技報與中核集團(tuán)宣傳文化中心聯(lián)合策劃）

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報 | 科學(xué)加客戶端


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