关于核能技术

1938年哈恩（Otto Hahn）和斯特拉斯曼（Fritz Strassman）发现了铀裂变。从此揭开了核能的神秘面纱。因为核能本身包括核裂变和核聚变（nuclear fusion）两个方面，而目前唯一可以用来发电的只有裂变，所以我们在这边暂时先只讨论裂变，聚变会在后面稍作说明。

我们首先要撇开大家知道的和不知道的核能知识，来讨论一个最本质的问题，为啥核能这么牛，用一点点燃料（或者说原料）可以释放出这么大的能量？原因也不太神秘，就是重原子。

比如铀裂变成更轻的原子，并释放出中子时，总质量会减少，而按照爱因斯坦著名的质能守恒方程E=mc2，这部分消失的质量，会释放出相当于该质量物体处于光速时动能的两倍的能量（很拗口么？反正就是很大）。用比方来说明的话，就类似于我们很多科幻小说里面的物质湮灭机，即不管把啥东西扔进去，都会产生能量。用数字来说明的话就是核反应堆中的重金属（比如铀）每消耗1kg，将会释放出大约1千兆瓦日（MWd）的能量。

一句话来概括核能的划时代意义就是，核能彻底摆脱了过去依靠拆装化学键以获得能量的时代（编者注：一般普遍认为的是化学反应是遵守质量守恒定律，即反应前后质量总量没有发生变化，然而现在也有说法，是化学反应前后的总质量也会有极小的损失，这里不展开讨论了。），直接拿物质换能量。

1942年，在意大利物理学家费米在芝加哥大学建立了第一座裂变反应堆，自此便一直流传着这么一句有趣的话：第一位意大利的领航员（哥伦布）在1492年发现一个新世界，而第二位则于1942年发现了另一个新世界。

核能之所以好用，还因为裂变一旦开始就会自动继续，这里面的巨大功臣就是大家耳熟能详的链式反应。铀在裂变时会放出3个中子，轰击其他铀核，进而引发新的裂变，使得整个反应能够自行维持，因此，一旦反应开始后，核反应堆属于只需“监”，不用“管”的状态。

链式反应（图片来源：atomicarchive.com）

需要注意的是天然铀是由铀-235与铀-238组成的，其中铀-235仅占0.7%，其余为铀-238。铀-235是易裂变核素，很容易发生裂变，铀-238只在被中子能量较大的高速中子（也叫快中子）轰击时才裂变，所以链式反应所依靠的是铀-235。

反应堆在发生链式裂变反应的同时，还会发生所谓的增值反应，高速中子轰击铀-238时，它会方吸收一个中子变成另一个铀的同位素，铀-239，然后通过两步的自然衰变，很快变成了钚-239。钚-239是与铀-235同样的易裂变核素。这是反应堆中发生的另一个重要过程（也可以称之为核嬗变），铀-238被称为增值核素或材料。就其稀有性、重要性和价格方面，铀-235与铀-238的对比关系可形象地比喻为金子和银子的关系。（关于增值反应的概念，大家请先记下，这是后面要介绍的快中子增值反应堆的核心原理。）

令人唏嘘的是裂变反应刚好发现于第二次世界大战，1939年，爱因斯坦在齐拉特与其他两位物理家的劝导下写信给美国总统罗斯福，建议在纳粹之前发展核武器。然后就是1945年落在日本广岛和长崎的两颗原子弹，核能就以这样的方式为世人所知。

核弹让大家领教了它的巨大威力，但同时也让大家认识到核能的巨大潜力，因此在这之后核能便开始化身核电服务与人类。1954 年，苏联首先建立试验核电站进行发电，为核能的和平利用提供了先例。半个世纪来核电技术日趋成熟。截至 2015年1月，全世界拥有437台核电运行机组，核能已经成为占世界发电量17%的新一代能源。据美国核能研究所（NEI）2014年的数据，核电占法国电力比重高达76.9%，而我国核电比重仅为2.4%。

核电就是把火电的锅炉换成了反应堆，火电以煤为燃料，核电以铀为燃料。反应堆将铀裂变产生能量传递给冷却剂，冷却剂再通过蒸汽发生器将热量传递给水蒸气，水蒸气推动涡轮进行发电，仅此而已。核能听起来似乎很高大上，但实际上却并没有那么神秘。

核电站工作原理图（图片来源：dbcp.gov.hk）

反应堆具有三道保护屏障来屏蔽辐射，即反应堆燃料棒包壳（一般为锆合金，这也是燃料棒技术里面最难的一个环节）；反应堆压力容器其管道构成的压力边界，压力边界有放射性的冷却剂（一般为普通水）完全与外界隔离；还有就是有很厚的混凝土构成的安全壳，这层混凝土足以吸收反应堆内所有可能的任何辐射。所以在核电站安全壳外完全不用担心自己会受到辐射。