核電站，這個(gè)名詞你應(yīng)該不陌生，但它是如何運(yùn)作的，你知道嗎？

讓能量慢慢釋放

核電站是怎么把核能變成電能的呢？這首先就要講講核裂變反應(yīng)了。

核裂變反應(yīng)，說(shuō)的是一個(gè)重原子的原子核在受到中子撞擊之后，會(huì)發(fā)生裂變，生成兩個(gè)比較輕的原子核。在這個(gè)過(guò)程中，往往還會(huì)同時(shí)生成一些副產(chǎn)物，比如幾個(gè)中子以及額外的能量。

像鈾-235、钚-239發(fā)生核裂變反應(yīng)時(shí)，釋放出的中子能量往往比較高，這樣的中子被稱作快中子，它們的速度能達(dá)到光速的5%。

因?yàn)樗俣群芸?，所以這些中子能在短時(shí)間里繼續(xù)跟鈾或者钚原子核碰撞，引發(fā)更多的核裂變，這一系列反應(yīng)就是人們熟悉的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

在原子彈爆炸的時(shí)候非常重要，只有在最短的時(shí)間里發(fā)生盡可能多的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，才能讓原子彈發(fā)揮出巨大威力。但在核電站的核反應(yīng)堆里，情況就不一樣了。

核電站并不希望讓核能在短時(shí)間內(nèi)迅速釋放，讓它們溫和、穩(wěn)定地輸出才是最重要的。所以在絕大部分核電站的核反應(yīng)堆里，都有減速劑讓快中子減速，把它們變成效率更高的慢中子（或者叫熱中子）。

利用這個(gè)能量，核電站就可以把水燒開(kāi)，之后用產(chǎn)生的水蒸氣去推動(dòng)汽輪機(jī)的葉片，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這就實(shí)現(xiàn)了把核能轉(zhuǎn)化成電能的目的。

幾種不同類型的核反應(yīng)堆

不同類型的核電站在燒水方法上是有一些不同的。我們先從兩種最常見(jiàn)的核反應(yīng)堆說(shuō)起，它們是沸水反應(yīng)堆和壓水反應(yīng)堆。

前面我們說(shuō)到核電站的核反應(yīng)堆里需要加入一些東西讓快中子減速。其實(shí)普通的水就可以作為中子減速劑，而水同時(shí)也是很好的冷卻劑，所以這兩種反應(yīng)堆就是用水來(lái)做中子慢化劑和冷卻劑的。

不過(guò)，這兩種反應(yīng)堆又有一些不同之處。

沸水反應(yīng)堆比較“簡(jiǎn)單粗暴”，是直接把水跟核燃料放在一個(gè)容器里，核燃料把水燒開(kāi)之后，水就直接變成水蒸氣去推動(dòng)汽輪機(jī)。

而壓水反應(yīng)堆則稍微復(fù)雜一些。壓水反應(yīng)堆有兩個(gè)回路，分別叫一回路和二回路。在一回路里，水也是直接跟核燃料放在一起的，水在這里被加熱到200—300攝氏度（一回路里是高壓狀態(tài)，因此即便超過(guò)100攝氏度水也不會(huì)沸騰）。

這些熱水會(huì)通過(guò)管道把熱量輸送到二回路里。注意，這些水并不會(huì)進(jìn)入二回路，而只是把熱量轉(zhuǎn)移到二回路里。在二回路的蒸汽發(fā)生器里，水被燒開(kāi)變成水蒸氣，水蒸氣再去推動(dòng)蒸汽輪機(jī)。

這兩種核反應(yīng)堆各有優(yōu)缺點(diǎn)。

比如，跟沸水堆相比，壓水堆包括一回路和二回路，鏈路比較長(zhǎng)且涉及的設(shè)備比較多。在一回路中還需要把水維持在高壓狀態(tài)，技術(shù)性能的要求和造價(jià)往往比較高。

而沸水堆的水蒸氣直接和堆芯接觸，輻射量比較高，它的輸送鏈路以及和蒸汽輪機(jī)接觸的整個(gè)鏈路都需要做好放射性防護(hù)。

我們國(guó)家建造壓水反應(yīng)堆的技術(shù)處在世界領(lǐng)先水平，我們大部分正在運(yùn)行的核電站主要也是壓水反應(yīng)堆。另外，我們國(guó)家自行研制的“華龍一號(hào)”機(jī)組也屬于壓水反應(yīng)堆，目前“華龍一號(hào)”已經(jīng)出口至巴基斯坦，英國(guó)和阿根廷也在積極引入“華龍一號(hào)”機(jī)組。

重水反應(yīng)堆

那無(wú)論是沸水反應(yīng)堆還是壓水反應(yīng)堆，它們里面都是普通的水，我們初中化學(xué)就知道，水就是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的，分子式是H2O。

但氫元素其實(shí)還有兩種同位素，氘和氚。在氫原子核里多加一個(gè)中子，就變成了氘（多加兩個(gè)中子就是氚）。氘跟氧原子也可以形成水分子，即D2O。這樣的水在重量上比普通的水重很多，因此被稱作重水。

重水跟普通的水一樣，也可以用來(lái)做核反應(yīng)堆的冷卻劑和慢化劑，而且它和普通的水相比有一個(gè)天然優(yōu)勢(shì)。普通的水雖然能夠作為中子慢化劑，但它也會(huì)吸收一部分中子。這就要求核反應(yīng)堆原材料中的鈾-235需要達(dá)到比較高的濃度才可以。

相比之下，重水對(duì)中子的吸收程度比普通水要小得多。這使得人們不需要把鈾-235濃縮到特別高的濃度，甚至可以直接用天然鈾氧化物來(lái)作為堆芯的原料，這樣就可以跳過(guò)濃縮鈾這一步了。

我們國(guó)家的秦山三期核電站，就是我國(guó)首座商用的重水堆核電站。

快中子增殖反應(yīng)堆

前面說(shuō)的三種核反應(yīng)堆，都是把快中子轉(zhuǎn)化成熱中子來(lái)引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的。那有沒(méi)有直接利用快中子的核反應(yīng)堆呢？

當(dāng)然有，這樣的核反應(yīng)堆叫作快中子增殖反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱快堆?？熘凶幽軌蚋?238反應(yīng)，使它發(fā)生β衰變，變成钚239，钚239又可以繼續(xù)作為核反應(yīng)的燃料，所以才被稱作增殖堆。

我們國(guó)家自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）已經(jīng)在2011年7月并網(wǎng)發(fā)電。另外，我們國(guó)家的示范快堆也于2017年12月開(kāi)工建設(shè)。

除此之外，還有氣冷反應(yīng)堆、小型模塊化反應(yīng)堆。核能也在以更加溫和的方式為人類提供能源，而且隨著技術(shù)的更新，核反應(yīng)堆也變得越來(lái)越安全可靠。