核電專題 | 同樣是“燒開水”，核電站燒的跟我燒的有啥不一樣？
核電站裡面什麼樣？網上有核電站是“燒開水”的說法，甚至認為核電就是“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，核電站被認為是人類和平利用核能的典範，距今已有超過60年的歷史。發展核電對保障能源供應與安全，保護環境，實現電力工業結構最佳化有著十分重要的意義。但另一方面，普通公眾對於核電站並不瞭解，網上有核電站是“燒開水”的說法，甚至認為核電就是“蓋罩子”的原子彈，事實情況真是這樣嗎？
福清核電廠區現場（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，是指由重的原子核（主要是指鈾核或鈽核）分裂成兩個或多個質量較小原子的一種核反應形式。早在1938年，核裂變現象，就由德國科學家奧托·哈恩和他的助手斯特拉斯曼在實驗當中發現，由此拉開了人類利用核能的序幕。
當鈾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箇中子分裂成兩個質量較小的原子核，同時放出2-3箇中子，這些中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變，如此迴圈往復，進行的就是裂變的鏈式反應。
鏈式反應最大的“優勢”就是可以產生大量熱能，對於現代人類而言，這種熱能最直接的作用正是發電。1942年，美國科學家費米等建成世界上第一座人工核反應堆；1954年6月，蘇聯在莫斯科近郊奧布寧斯克，建成了世界上第一座向工業電網送電的核電站奧布寧斯克核電站。
核電站的工作原理是什麼？以最常見的壓水堆式核電站為例，用鈾製成的核燃料，在反應堆內進行裂變並釋放出大量熱能；高壓下的迴圈冷卻水把熱能帶出，在蒸汽發生器內生成蒸汽，推動汽輪機旋轉，從而產生電能。
除了壓水堆核電站，目前全球範圍內還有沸水堆、重水堆、高溫氣冷堆和快堆核電站。沸水堆只有一個迴路，省去了蒸汽發生器，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堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料。
高溫氣冷堆產生的熱量，則是由氦氣冷卻劑帶走，具有安全性好、出口溫度高等特點；快堆核電站，直接利用快中子引起鏈式裂變反應，具有不需要慢化劑、體積小、功率密度大等優點，是目前國際核能界最成熟也是最具發展潛力的先進堆型之一。
△快堆核電站原理圖
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藉助迴路實現能量轉換
高溫氣冷堆和快堆核電站，被認為是未來新一代核電站的主力技術，但目前世界上應用最廣泛的主力堆型，依然是壓水堆核電站。資料顯示，目前全球範圍內在執行的核電站共有440多座，其中大部分是輕水堆，我國投入執行並將建造的絕大多數核電站，也都是輕水堆型的。
那麼，壓水堆核電站是怎樣工作的？它又是怎樣把核能轉換成為電能的？
一般而言，壓水堆核電站有兩個迴路，其中一回路是核電站最核心的地方，相當於火電廠的鍋爐，核裂變反應在這裡發生以後，產生了巨大的熱量，這些熱量將高壓水加熱到300℃以上。
因為涉及放射性物質，為了確保安全，核電站所使用的核燃料，外面都會包裹著特製的燃料包殼。整個一回路系統，也被安裝在一個叫安全殼的密閉廠房中，核電站圖片當中的“大殼子”就是這種封閉廠房，安全殼能夠在核電廠發生事故時，最大限度地保證公眾和環境不受到影響。
二回路系統是汽輪發電機系統。由蒸汽系統、汽輪發電機組、凝汽器、蒸汽排放系統、給水加熱系統和輔助給水系統等組成。二回路的水透過蒸汽發生器吸收了一回路蒸汽的熱量，使自身變為飽和蒸汽，推動汽輪機發電，然後進入冷凝器，在冷凝器中冷卻後，再透過給水泵進入蒸汽發生器。
有時候核電廠將冷凝器的冷卻迴路叫做三迴路，這個迴路利用冷卻水源冷卻二回路的水，三迴路會將廢熱傳到環境中。
不難發現，核電站的兩個或三個迴路彼此是獨立運作，也是相互隔絕的，只有一回路的冷卻劑中具有放射性，二三迴路的水對於生態環境不會造成任何影響。
△“華龍一號”全球首堆福清核電5號機組現場（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，從裝置上來看，核電站的反應堆，相當於火電站的鍋爐。並且在具體方法上，也就是用核裂變產生的熱量，將水“燒開”來推動汽輪機工作，將熱能轉換為電能。這與燃煤電廠透過將煤炭燃燒後產生的熱能轉換為電能的方法並無差異。
但從燃料的角度上來說，兩者還是有本質區別的，核電主要利用的是燃料裂變能，而火電廠利用的是化學能。後者只是單純地用煤炭或者其他化石燃料燒水，效率低、汙染嚴重。而前者則透過核裂變反應以及迴路式設計，傳遞熱量，並且能量密度極高。
以一座發電量為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噸鈾或鈽燃料，並且一次換料，可以滿功率執行連續數月甚至數年。
所以用“燒開水”來形容核電站並不錯誤，但就是這個“燒”的過程，核電站是有很高科技含量的，對於人類利用能源而言也是一大進步。
△“華龍一號”全球首堆5號機組反應堆壓力容器順利引入（攝影/過東海）
另一方面，核電站的安全效能也很高，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或者鈽239，但它們的含量差距卻是巨大的，原子彈的含量高達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、設計、建造、除錯和執行都有嚴格要求，並且各個階段的每一項具體活動，都有單項的質量保證要求，對於人員的培訓也非常嚴格。如果遇到自然災害等情況，核反應堆也能安全停閉，不會對當地居民和自然環境造成危害。
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（本專題由北京科技報與中核集團宣傳文化中心聯合策劃）
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