核电站的核能能量密度极高，人类也渐渐把目光放到了核能上
wujiai
|核能具有极高的能量密度。 1公斤铀235通过核裂变释放的能量相当于270万公斤标准煤燃烧释放的能量——而且不排放碳。 在当前碳中和的目标下，核能是化石能源特别好的替代品之一。
在核电站中，核能的释放是通过控制棒、慢化器、冷却循环系统等一系列设施进行精确控制的。 就像家里的火一样，“热”可大可小，可急可慢。 此外，核电站还部署了燃料元件包壳、压力容器、安全壳三道严格可靠的安全屏障。 在正常运行情况下，核裂变产生的放射性物质根本不会泄漏。
有人担心：核电站会不会发生核弹般的爆炸？ 答案是否定的，因为核电站的设计与核武器根本不同。
1.“啤酒不能着火”。 核电站核燃料丰度仅不足5%（核武器则超过90%）；
2、“中子丰产计划”，反应堆中有多少中子负责点燃核燃料，在各个环中减速扩散……一切都严格按照计划进行；
3.“趁早挽回局面”。 迄今为止，核电站在一万多年的运行历史中只发生过三起核事故（美国三哩岛、切尔诺贝利、日本福岛）。 在这三起天灾/人祸之后，核电站已经完善了各方面的防护措施来应对各种极端情况，风险极低。
在核电技术方面，中国是后来者又是先行者。 到目前为止，所有反应堆都已达到第三代和第三代+，包括国家最重要的武器华龙一号。 目前，世界核电站主要依靠热中子“点火”； 但相信在未来几十年内，核电站将转向快中子点燃的核裂变反应堆，以及备受期待的人造太阳核聚变反应堆。
18世纪末，人类迎来第一次工业革命，随着蒸汽机的诞生改变了农耕文明，正式进入工业化时代。 一个世纪后，第二次工业革命中，随着电磁学的发展，我们掀起了电气化革命。 序言从我们对能源的需求开始。
在第三次工业革命中，我们打开了技术和数字化的大门，能源消耗从此呈指数级增长。
1800 年以来全球能源消耗总量（按能源来源）
能源消耗快速增长的背后，一方面带来了碳排放等重要环境污染问题。 另一方面，也使能源科技、经济社会发展进入了一场你追我赶的竞争。 核能正是本次大赛的焦点。
我们之前提到，1公斤铀235通过核裂变释放的核能比1公斤煤通过燃烧释放的化学能大270万倍，相差六个数量级。 能量密度的优势是核能发展的根本原因。
核电站：原子核有序分裂
核反应要想用于核发电，首先必须是可控的，就像做饭时，火力可高可低，可快可慢。 20世纪中叶，可控核裂变得以实现，现已成为各国核电站运行的基础。
图片来自网络
要实现可控核裂变，首先需要核反应堆。 反应堆是一种特殊的锅炉，有人称其为原子反应堆。
在反应堆中，燃�**籼峁┮子诹驯涞挠�235核； 中子源提供中子，引发核裂变，产生更多的中子，形成链式反应。 要控制核裂变速率，关键是控制这些中子的数量，而这主要是通过控制棒和慢化剂两种方法来实现的。
控制杆
控制棒由硼、镉和铪等材料制成，这些材料具有足够高的中子捕获截面，可以有效吸收中子。 将控制棒插入反应堆堆芯可以减慢链式反应速度，降低输出功率； 相反，退出控制棒会增加输出功率。
绿色是控制棒，橙色是燃�**�
主持人
裂变反应需要诱发中子，但核裂变产生的自由中子一般都太快，达到每秒2000公里。 这种快中子与铀核反应的截面较小，链式反应的速率也比较低。 低的。 然后慢化剂负责与这些快中子碰撞，吸收它们的能量，并将它们减速成热中子。 这可以增加反应截面，从而增加核反应的输出功率。
用作慢化剂的材料必须能够有效地慢化中子，吸收尽可能少的中子，并且经济。
常用的慢化剂材�**ㄗ魑禾宓那崴℉2O）和重水（D2O），作为固体的石墨、铍金属或氧化物，以及作为气体的氦。 我们经常听说轻水堆、重水堆、石墨堆、气冷堆、液冷堆，其中很多都是按照慢化剂来分类的。
冷却循环系统
有了控制棒和慢化剂来控制核裂变速率，我们还需要冷却循环系统。 它的任务是冷却核心并转移裂变产生的能量。 常见的冷却剂包括轻水或重水、气体、熔盐或熔融金属。
现有核电站中，应用最广泛的是轻水堆（使用轻水作为慢化剂和冷却剂）； 其中，轻水堆可分为沸水堆（Water）和压水堆（Water）两种。
从字面上看，沸水堆是用沸水来冷却，而压水堆是用高压水； 不过，两者的主要区别体现在水循环系统上。
压水堆有两个冷却循环回路：第一回路用于冷却堆芯，第二回路用于产生蒸汽发电； 而沸水堆只有一套内循环冷却系统，直接依靠反应堆的热能来获得驱动汽轮机的蒸汽。
压水堆：一回路（红色）的高压冷却水进入堆芯，带出热能，然后通过传热管将热量传导给二回路（蓝色）的水，使其沸腾并产生蒸汽驱动汽轮机发电。
沸水堆：冷却水进入堆芯，吸收热能并逐渐汽化，驱动汽轮机发电。
三重屏障
除了控制裂变和利用能源的机制外，核电站还对核燃料及相关设施设有严格可靠的三道屏障，以确保核裂变产生的放射性物质不外泄。
第一个是燃料元件包壳。 燃�**舭凑找欢ǖ耐及概帕校槌隹掌淙牒て缓笥镁哂心透呶隆⒏哐沟扔帕嘉锢砘阅艿娘辖鸸芑虿恍�钢管制成的外壳严格密封。电阻、耐辐射、耐腐蚀。
第二个通道是压力容器。 它由极其优质的合金钢板和工艺制成，内部为燃料元件包壳，外部为压力外壳。 如果燃�**敲芊馑鸹挡⑶曳派湫晕镏市孤鲎爸萌越幻芊狻� 空间中。
第三个通道是安全壳。 它是一座球形顶部的预应力钢筋混凝土建筑。 可承受3至4个大气压，可抵御地震、飓风、龙卷风以及内部或外部导弹和飞机失事的影响。 可以说坚不可摧。 的堡垒。 安全壳将定期进行泄漏测试并保持负压，以防止任何放射性气体逸出。
核事故：有一天爆炸成蘑菇云？
1945年，美国在日本长崎和广岛投下两颗原子弹。 两大城市瞬间化为废墟，近二十万人死伤。 时至今日，核恐怖心态依然难以消除。 很多人担心：核反应堆会不会在某个时刻像核弹一样爆炸，重演广岛和长崎的悲剧？
事实上，这样的爆炸不太可能发生在核反应堆中。 因为核反应堆和原子弹的设计理念、原理和部件完全不同。
1.啤酒不能着火
反应堆内充满天然铀或低浓度铀。 铀235的丰度不足5%，这是非常关键的。 上节课我们提到，武器级铀的丰度必须达到90%以上，就像浓度95%的酒精可以点燃，但酒精浓度5%的啤酒却无法点燃一样。 也是同样的原因。
2.中子有“生育计划”
反应堆内产生多少快中子、减速多少、扩散多少、吸收多少，都严格按照计划进行，以保持链式反应的可控性和稳定性。 同时，反应堆还涉及一系列严格的保障措施，一旦某些环节失控，有相应的应对措施。
3、失去后的弥补
截至目前，全球一万多座反应堆的运行历史中，核电站已发生过三起重大核事故，其中既有自然灾害，也有人为灾害。
第一次是1979年在美国三哩岛，主要原因是水泵、阀门、信号灯故障和操作人员失误，导致约三分之二的反应堆堆芯熔化。 但没有造成人员伤亡，也没有造成严重的环境污染。 。
第二次是著名的1986年切尔诺贝利事故，除了人为失误外，根本原因还在于反应堆的设计缺陷。 切尔诺贝利核电站由于缺乏安全壳，事故时放射性物质释放到大气中，对白俄罗斯、乌克兰、俄罗斯约3万平方公里土地造成不同程度的污染，造成巨大的经济损失和社会影响。
这里有一些细节我想阐述一下。 关于切尔诺贝利事故的离奇报道经常在媒体上流传，比如50万伤亡、老鼠变异成猪大小等等，美国人还制作了专门的艺术宣传视频，引起了轰动。 事实上，1986年切尔诺贝利实际上有28人死亡。后来，从1987年到2004年，有19人死亡，但无法确定死因是否是放射性辐射。
第三次是前段时间引起轩然大波的日本福岛事件。 9级地震和海啸导致冷却水系统故障，进而导致反应堆堆芯无法冷却。 结果水在高温下分解成氢气和氧气，最终引发氢气爆炸（非核爆炸）。 与此同时，大量的水涌入反应堆堆芯，形成无处处理的核废水。
三哩岛和切尔诺贝利两起人为灾难为核电发展敲响了警钟，从而推动了一系列改革，例如关闭或改造类似核电站设计以提高安全性； 加强人员培训，完善人机界面； 修订多项安全法规，完善维护、操作规程和安全监管制度。 福岛事件引发的自然灾害也对核电站选址提出了更加精准、严格的要求。
经过三次尝试弥补，现阶段核电站针对极端情况在各方面都采取了极其完善的防护措施，风险很低。 因此，无需担心核电站的安全。
事实上，人类的科技不可能一蹴而就，我们也不能因为噎住而停止进食。 面对必要的技术，我们只能认真对待每一次风险，尽最大努力确保尽可能的安全。
中国核电：后来者为先
迄今为止，核电站反应堆外形已经历了四代发展。 我国核电虽然起步较晚，但起点较高。 现在我们所有的反应堆类型都是第三代和第三代+，包括华龙一号。 华龙一号被称为国家最重要的武器。 它不仅是世界领先的，而且是我们自主研发和建造的。
对于未来的第四代核电站，国际社会正在积极开发高温气冷堆，即采用高温氦气作为冷却剂和慢化剂的反应堆。 高温气冷反应堆的优点之一是蒸发器低于反应堆堆芯。 只有氦气和水蒸气可以接触反应堆堆芯，像福岛这样的水侵入事故不会再发生。
在此基础上，高温气冷堆进一步模块化，主要是将反应堆分成几个小模块，使单个模块的功率足够小，即使不进行紧急冷却，燃料元件温度也不会超过阈值（例如 1600°C ）。
清华大学团队自主研发的中国模块化高温气冷堆（HTR-PM）荣获国家科技进步特等奖。 山东石岛湾2012年投资建设以高温气冷实验堆为基础的核电站示范工程，已基本成型，并进行了冷热试验，但尚未正式开始发电电。 除模块化高温气冷堆外，石岛湾核电站的核心技术还包括十大设备、八项重大验证实验等，全部为自主研发。
未来核电：快中子、聚变
自1942年科学家费米首次实现可控自持链式裂变以来，各种反应堆相继启动。
然而，目前世界上运行的绝大多数反应堆，无论是轻水堆、重水堆还是气冷堆，都是热中子反应堆，这意味着它们需要将链式反应产生的能量进行转换成快中子减速成热中子。 热中子反应堆使用的铀235仅占天然铀的0.7%，是一种特别稀缺的资源。
目前各国正在强化的快中子反应堆可以充分利用剩余的99.3%的难熔铀238，通过核反应将其转化为可裂变的钚239。 可以预见，快堆很快就会得到发展。
如果说热中子裂变反应堆是第一代核电站，快中子裂变反应堆是第二代核电站，那么聚变反应堆将是未来的第三代核电站。 毫无疑问核电站是干什么的，聚变发电是一种更加理想的能源。
如今，中国、欧盟、日本、俄罗斯、加拿大等国家正在积极推进新的国际热核实验堆（ITER）计划——有关核聚变和ITER的更多细节。