点亮4个灯泡的核电站

    出品：科普中国

    制作：寒木钓萌

    监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　就像每个人手里的手机，每一年都在进化升级。核电站也如此，它一直在进步，每次升级的宗旨是比上一代更安全更经济。从1954年开始到现在，核电站的发展已有60多年历史，现在已经发展到第三代，并正在研制第四代。

　　第一代反应堆

　　图为美国码头市核电站的施工图，那个大家伙就是压力容器。

　　码头市核电站1957年开始发电，直到1982年10月才停止运转。

　　第一代反应堆是从上世纪50年代开始建设的，主要是美国、俄罗斯、法国和英国建造的首批原型堆。

　　那个年代的反应堆最主要的目的不是生产电力，而是为了核威慑。尤其是在20世纪50至60年代，工业浓缩铀技术还没有成熟，同时各国又希望拥有核威慑的工具，所以反应堆使用重水或石墨作慢化剂，以天然铀为燃料。

　　在前面的篇章中，咱们已经了解，铀235不是很喜欢快中子，它喜欢慢中子，而对中子慢化效果最好的是重水。现在的压水堆使用普通水作为慢化剂，为了维持链式反应，必须把天然铀中的铀235浓度提高到2%至4%，但因为重水对中子的慢化效果实在太好，所以，即使是没有经过浓缩的天然铀也能维持链式反应。

　　然而，重水堆产生的副产物（钚、氚）比轻水堆（比如压水堆）产生的更多，而钚又是制造原子弹的原料，氚是制造氢弹的原料，因此，如果某个国家掌握重水反应堆技术后，只需天然铀就可以运行核电站，并通过此生产核弹所需原料。

　　2015年7月14日，经历了长达两年的拉锯式谈判，伊朗与中美俄英法德六国宣布达成全面协议，而协议的一个重要内容之一是改造伊朗的重水堆，使其不具备生产核弹所需原料的能力。图为2013 年11月伊朗核问题会议现场。

　　世界上第一座并网发电的核电站建于1954年，位于前苏联的奥布宁斯克。有趣的是，奥布宁斯克这座城市的友好城市是美国的橡树岭，还有中国的绵阳。

　　奥布宁斯克核电站安全运行了近50年后，2002年4月俄罗斯原子能部宣布，正式关闭这座核电站，并将其建成一座核能博物馆。

　　除了并网发电的，第一代反应堆还包括早期的那些实验堆。世界上第一个能生产出电力的是美国的实验反应堆EBR-I，最初，这个反应堆生产出的电力只够点亮实验室的4个150瓦的灯泡，后来经过改进，最终可为整个实验室供电。

　　1951年12月20日，人类首次目睹了由反应堆生产的电点亮了4个灯泡。

　　第二代反应堆

　　第二代反应堆主要是20世纪60年代后期建成的商业反应堆，上世纪70年代，石油大涨价引发能源危机，这促进了核电的大发展。目前，世界上商业运行的400多座核电站大部分属于第二代反应堆。

　　第二代反应堆在安全和经济上都有了大踏步的前进，然而，第二代反应堆只是一个笼统的称呼，并不代表反应堆技术一直停留在20世纪70年代左右，它一直在发展中前进，以至于有的堆型被划分到了“二代加”的范围。总的来说，越晚建造的反应堆，技术较前面的完善。而我国的第一座核电站泰山核电站直到1994年4月1日才开始投入运营。

　　图为我国大亚湾核电站，位于深圳。

　　第三代反应堆

　　第三代反应堆是从第二代改进或者改良而来的，同第二代相比，第三代反应堆在安全性和经济性上继续提高，同时，通过卓越的设计，第三代反应堆缩短了建造周期，简化了运行维修，增加堆的寿命达60年以上。

　　我国的“华龙一号”属于第三代反应堆，采用“非能动”和“能动”相结合的方式。所谓非能动，就是要求在遇到严重的突发情况后，在72小时内，也就是三天三夜在没有外部电源的驱动和工作人员不做任何安全操作的情况下，核电站也能保证安全。也就是说，我国的华龙一号在遭遇类似日本福岛核电站遇到的的9级地震和海啸，甚至是遇到了更严重的灾难，在全厂断电和没有人员干预的情况下，也能保证72小时的安全。

　　下面我们具体来看看，何为“非能动”。在最恶劣的情况下，核电站失去电源，此时最紧要的一步是熄火——把反应堆停下来。

　　如上面的动图所示，在反应堆出故障时，上方的控制棒因为温度、压力和密度等因素的变化，从而触发控制棒落下，而控制棒的落下并非电力驱动，采用的是自然重力落下。

　　停堆以后还没完，因为反应堆还在放出余热，如果这个余热不及时排除，就会导致像福岛核电站那样的氢气爆炸。

　　而华龙一号在排除余热的方式也是非能动的。

　　在全厂断电的情况下，第一回路的水将建立自然循环，把堆芯产生的热带走。第一回路建立循环还不够，还需要让第二回路在不借助电力的情况下工作。

　　第二回路上方有一个大水箱，叫做“事故冷却水箱”，其在重力的作用下能长时间连续流下，冷却第一回路的水。

　　假设上面的措施都不管用，还有另一个超大的水箱，其在重力的作用下自行流下，冷却堆芯。

　　补水箱不依靠外力和人为控制，仅靠温度差、压力差等物理变化自行启动，并依靠重力流下。补水箱很大，加上其他水箱，可连续流三天。

　　以上只是举了几个例子，实际上，非能动还包括将反应堆内的高热蒸气通过自然对流等方式传递到安全壳外面等等。

　　第四代反应堆

　　未来属于第四代反应堆。它将实现以下目标：大幅度提高对铀资源的利用率，最大限度地减少废物排放，降低投资和运行成本，进一步提高安全性，扩展核电站的其他用途如产氢、海水淡化等等。

　　第四代反应堆主要是以《一起愉快地聊核电》前面的文章中讲到的“快中子增殖反应堆”为主，预计2035年左右实现商用。

　　在未来几十年内，世界各国新建的反应堆将以第三代为主，直到第四代反应堆走向成熟。

　　生产电力其实只是核能的一个重要应用，实际上，无论是太空探索还是医疗健康，人类已经离不开核技术。请关注“科普中国”，下期咱们将讲述美苏当年核动力飞机和核动力火箭的疯狂研发史。