出品：科普中國

作者：科學邊角料（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

核電站，這個名詞你應該不陌生，但它是如何運作的，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了。

核裂變反應，說的是一個重原子的原子核在受到中子撞擊之后，會發(fā)生裂變，生成兩個比較輕的原子核。在這個過程中，往往還會同時生成一些副產物，比如幾個中子以及額外的能量。

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

鈾-235裂變反應

（圖片來源：wikimedia）

因為速度很快，所以這些中子能在短時間里繼續(xù)跟鈾或者钚原子核碰撞，引發(fā)更多的核裂變，這一系列反應就是人們熟悉的鏈式反應。

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

核電站并不希望讓核能在短時間內迅速釋放，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）。

利用這個能量，核電站就可以把水燒開，之后用產生的水蒸氣去推動汽輪機的葉片，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。這就實現(xiàn)了把核能轉化成電能的目的。

幾種不同類型的核反應堆

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的核反應堆說起，它們是沸水反應堆和壓水反應堆。

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

不過，這兩種反應堆又有一些不同之處。

沸水反應堆比較“簡單粗暴”，是直接把水跟核燃料放在一個容器里，核燃料把水燒開之后，水就直接變成水蒸氣去推動汽輪機。

沸水堆

（圖片來源：wikimedia）

而壓水反應堆則稍微復雜一些。壓水反應堆有兩個回路，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100攝氏度水也不會沸騰）。

壓水堆

（圖片來源：wikimedia）

這些熱水會通過管道把熱量輸送到二回路里。注意，這些水并不會進入二回路，而只是把熱量轉移到二回路里。在二回路的蒸汽發(fā)生器里，水被燒開變成水蒸氣，水蒸氣再去推動蒸汽輪機。

這兩種核反應堆各有優(yōu)缺點。

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

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接觸的整個鏈路都需要做好放射性防護。

我們國家建造壓水反應堆的技術處在世界領先水平，我們大部分正在運行的核電站主要也是壓水反應堆。另外，我們國家自行研制的“華龍一號”機組也屬于壓水反應堆，目前“華龍一號”已經出口至巴基斯坦，英國和阿根廷也在積極引入“華龍一號”機組。

重水反應堆

那無論是沸水反應堆還是壓水反應堆，它們里面都是普通的水，我們初中化學就知道，水就是由兩個氫原子和一個氧原子構成的，分子式是H2O。

但氫元素其實還有兩種同位素，氘和氚。在氫原子核里多加一個中子，就變成了氘（多加兩個中子就是氚）。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，也可以用來做核反應堆的冷卻劑和慢化劑，而且它和普通的水相比有一個天然優(yōu)勢。普通的水雖然能夠作為中子慢化劑，但它也會吸收一部分中子。這就要求核反應堆原材料中的鈾-235需要達到比較高的濃度才可以。

重水（D2O）

（圖片來源：wikimedia）

相比之下，重水對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作為堆芯的原料，這樣就可以跳過濃縮鈾這一步了。

我們國家的秦山三期核電站，就是我國首座商用的重水堆核電站。

快中子增殖反應堆

前面說的三種核反應堆，都是把快中子轉化成熱中子來引發(fā)鏈式反應的。那有沒有直接利用快中子的核反應堆呢？

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

我們國家自主研發(fā)的實驗快堆（CEFR）已經在2011年7月并網(wǎng)發(fā)電。另外，我們國家的示范快堆也于2017年12月開工建設。

建設中的中國實驗快堆

（圖片來源：wikimedia）

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

參考文獻：

【1】國家核安全局：核電站的類型都一樣嗎？

【2】國際原子能機構：水冷堆

【3】國際原子能機構：快堆

【4】查爾斯·D·弗格森，《核能》（牛津科普讀本），華中科技大學出版社