介绍完了这么一大堆以后，我们就要说几个反应堆的核心概念，在明白这些以后，核能或者说核电的现有问题与发展方向也就呼之欲出了。

1、富集度，这个是指核燃料里易裂变核素的含量，在铀的天然同位素里面铀-235的丰度仅为0.7%，而铀-238则高达99.2%，所以天然铀在大多数情况下是无法发生链式反应的。那么该怎么办呢？其实很简单，提高铀-235的富集度，也就是一般所说的浓缩铀。

实现的办法有很多种，最简单的就是离心分离法（因为铀-235和铀-238在密度上是有细微差别的，铀-238的密度较大，会富集在边缘，因此如果不断去除边缘的铀-238，U-235的浓度就会逐渐提高）。这个方法简单到什么程度呢？简单到把家里的洗衣机改装一下就能用，这个并不是小编自己扯的，据韩国《中央日报》网站今年3月10日报道，韩国正拟定对朝鲜禁售洗衣机。

当然，一般的浓缩离心机看起来还是很高大上的（见下图）。那么这个富集度到底要达到多少才够呢？一般认为核电用的轻水反应堆在3%-7%，仅是达到3%的富集度，每生产1吨的核燃料就需要将近7吨的天然铀，考虑到武器级别高达90%的富集度，朝鲜人民现在衣服估计都靠手洗了吧。

那么这里就能看到一个巨大的问题，那就是每生产1吨核燃料，就会产生6吨左右的核废料，这些所谓的“贫铀”废料大约含有0.2%的U-235，同样具有放射性，因此必须小心看管。因此核燃料对富集度的要求直接就产生了大量的核废料，这个即升高了核电的成本，也造成了对环境的重大隐患。

一排排用来浓缩可裂变铀同位素的气体离心机（图片来源Wikipedia）

2、燃耗，即消耗的重金属的质量与重金属初始质量的比值：ΔMhm/Mhm0。之前提到过反应堆里面实际上在同时进行两个反应，一个是易裂变核素（铀-235和钚-239）消耗分裂成较轻的原子核并且放出能量，另一个则是铀-238受到快中子轰击最终生成钚-239的增值反应。

两个反应对核燃料的富集度的影响一个减少，一个增加。而当增值速度赶不上裂变速度时，富集度会慢慢低于临界值，最终链式反应会自动终止。目前的普通核反应堆的燃耗在5%左右，这就意味着将近95%的核燃料又将变成核废料，并且这次不是贫铀废料，而是高放射性，并且不断放热。

因此这些核废料的处理成本将更高——不但要长期妥善保存（半衰期高达十几万，甚至上百万年），防止泄露，同时还必须不停地为它们降温。从结果看，核能一方面是十分“节约”燃料的，另一方面又是极其“浪费”燃料的，生产的时候丢弃85%，燃烧的时候丢弃95%，核能的超强“造废料”能力也成了反核人士的最主要诟病对象。

海量的核废料（图片来源ezycopter.powweb.com）

3、中子慢化剂（Neutron moderator），这个也有叫中子减速剂的，但是无论如何，望文生义，就是让中子变慢的一个东东，而且是大幅度变慢，要让中子从快中子（1MeV）减速到热中子（0.025eV），两者的速度相差2万多倍。为什么要这么做呢？

这里其实就是不同原子核的俘获截面的问题（absorptioncross section），这个所谓的截面，说白了就是一个俘获中子的概率，截面大时，俘获概率就高。铀-238对快中子的俘获截面大，而铀-235对热中子的俘获截面大，换句话说，增值反应就需要快中子，而链式反应的维持，则需要热中子。对于维持一个反应堆持续工作，首先考虑的是维持链式反应的进行，所以到目前为止，地球上绝大多数反应堆都使用了慢化剂。

那么哪些东西可以做慢化剂呢？最常见，也是用的最多的就是水。

从性能来说，水价格低廉，慢化效果好，但是水对中子的吸收截面较大（就是说部分中子给水“没收”了），因此以水为慢化剂的反应堆都需要一个比较高富集度的核燃料。而把水浇到核燃料上的感觉，像极了把汽油浇到火星上，瞬间就可以燎原了。同样，一旦发生了问题，比如反应堆温度过高，那么水就会被蒸干，这样在没有慢化剂持续提供热中子的情况下，链式反应就自然终止了，这整个过程被称作所谓的负反馈机制。

除去水，或者说轻水之外，另外的比较常见的慢化剂是重水（D2O）和石墨。它们的共同优点是对中子的吸收截面小，因此在有些工艺下甚至可以直接用天然铀做燃料，但是也各有各得问题。重水的问题在于本身剧毒，并且价格昂贵（氘的天然丰度仅为0.0115%），而石墨因为缺乏类似水的负反馈机制存在巨大的安全隐患，切尔诺贝利核电站当时使用的就是石墨堆。

弄清楚上面的三个概念之后，就可以大约得理出一条核能或者说是核电的发展方向了，首先，是要建立一个可靠的负反馈机制，保证反应堆的安全，其次，尽可能降低核燃料的富集度门槛并且提高燃耗，这两条都为了一个目的，就是减少核废料，甚至是二次利用目前堆放着的核废料继续发电，而看一看大家公认的所谓四代核反应堆的发展轨迹，确实就是这么一路走来的。

第一代是上世纪50年代到60年代的原形堆，也是用了轻水作为慢化剂。第二代则是商用设计类型，大量修建于20世纪60年代末到90年代初，目前世界上商业运行的400多台机组大部分属于此种类型，包括了我国的秦山核电站和大亚湾核电站。第三代反应堆在设计上有所改进，采用了更好的燃料技术和被动安全技术，一旦发生事故，反应堆无需操作人员干预就能自动关闭（即我们一直提的负反馈机制），主要包括美国的AP1000和欧洲的EPR等型号，它们发生严重事故的概率比第二代核电机组小100倍以上。中国核电未来发展的重点就在建设第三代核电机组上。

应该说，核电到了第三代，热反应堆从设计上来讲已经是非常安全了，所以从第四代反应堆开始，科学家就开始考虑如何提高核燃料的使用率了。第四代反应堆2000 年首先由美国提出，2001年被众多核能国家认可。第四代反应堆几乎清一色是我们之前提到了快中子增值反应堆（也可简称为快堆）。

快堆和传统热反应堆的本质区别就是不再使用中子慢化剂生成热中子，而直接用快中子维持链式反应，因此快堆燃料需要较高的富集度，同时由于缺乏水堆的天然负反馈机制，在安全性上也有很多问题需要解决，但是快堆的最大优点就是提高了铀的利用率（有说法是在50倍左右）。

首先是可以将贫铀包在反应堆外围以俘获快中子并且增值为易裂变燃料，其次由于快中子数量众多，增值速度有时候会超过分裂的速度，这样就大大增加了核燃料的利用率，减少了核废料的产生。至于所谓的六种先进堆型：钠冷快堆（SFR）、气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)、超临界水堆(SCWR)、超高温堆(VHTR)和熔盐堆(MSR)，这些都是从不同的角度来尝试在保持高燃料利用率的同时增加安全性。

看到这里，有些核能的其他概念，就比较好理解了。比如从反应堆对型上的分类：压水堆（PWR）、沸水堆（BWR）、重水堆（CANDU）和改进型气冷堆等。从燃料棒的原料上的分类：陶瓷（氧化铀）燃料芯和金属（铀合金）燃料芯。目前来看，技术最成熟的是压水堆，即用轻水作为冷却剂和慢化剂，并且给水加压，使其在堆芯温度为300℃的条件下依旧保持液态，这个内压力一般在15MPa（150个大气压）左右。而陶瓷燃料芯虽然导热性略差于金属燃料芯，但是由于熔点高，不容易出现熔芯的情况。