一缕蓝光，两个诺奖

科普中国-科普融合创作与传播 2017-12-18

　　习主席访英期间，我国自主研发的“华龙一号”压水堆核电技术第一次出口到老牌发达国家，那么压水堆到底是怎样的一种堆型呢？今天的《一起愉快地聊核电》，咱们就来说说压水堆。另外，还有人质疑，你们天天说核电站很安全，那为何不建在北京？今天的文章也会回答这个问题。
烧水烧水　　“压水堆”包含三个字，咱们先说第三个字——堆。　　这堆长什么样？

压水堆装置图

　　大概就是这样了，压水堆的核心藏在“压力容器”里面，叫做堆芯，核燃料就在那里发生裂变并产生大量热量，而热量由流经堆芯的水带走，这些水属于第一回路，它不断循环流动，源源不断地把热量传递给第二回路的水，二回路水在蒸气发生器那里变成大量的高温水蒸气，水蒸气冲击汽轮机，汽轮机带动发电机从而发电。　　水蒸气完成使命后，在河水、海水或者冷却塔的冷却下又变成水，继续在第二回路循环。
水水水　　瞧，这从头到尾都是水水水，这也是“压水堆”里面有一个“水”字的原因之一。　　第一、第二回路需要的水不多，但是为了冷却第二回路，需要的水却一定是海量的。　　社会上，有不少人这样质疑核电站：既然你天天说核电站如何如何安全，如何如何环保，那你怎么不在北京建一个呀？北京本来就缺电。　　没错，北京缺电，但北京更缺水，耗资巨大的南水北调本来就是为了解决北方的缺水问题，如果把北京的生活用水拿去冷却核电站，那实在是太浪费，也不经济。　　当然，为什么不在北京建大型核电站，还有很多很多原因，比如是不是处在地震带上？是不是具有广阔的、而且很便宜的闲置土地能够安置核电站等等。　　纽约是美国人口最多的大城市，也是全球最大的金融中心，而纽约的周围就有好几座核电站，除了别的很多技术因素外，有河流、靠海也是纽约部署核电站的一个原因之一。

印第安角核电站距离纽约市北部60公里左右，位于哈德孙河东岸

就像个高压锅　　说完了“堆”和“水”，咱们再来看看“压水堆”中的“压”是什么意思，这并不难理解，其实它跟高压锅里面的“压”，意思是一样一样的。　　水的沸腾就是水里面不断生成大量气泡的过程，而气泡在水里面不断变大的过程其实就像小孩子吹气球一样呢，如果吹气球的时候用两只手压着气球，那么就算是张飞，即使他把眼睛鼓出来了也甭想把气球吹大。　　同理，只要我们提高压力，那么水中的气泡就难以生成了，而没有大量气泡产生，水就不会沸腾。　　为什么不让它沸腾？　　这是为了提高水的温度，好让它把鸡炖得更烂一些！错了，是为了让相同体积的水具有更大的热能，从而提高发电效率。　　压水堆第一回路里面的水，温度可高到343℃而不沸腾，如此高的温度可以使它将第二回路的水快速加热到260℃左右。
诞生于蓝色辉光的两个诺贝尔奖　　上文不是说水就是说水压，现在咱们来了解一下核电站最核心的部分——堆芯。

图3 压水反应堆堆芯示意图

　　堆芯主要由燃料组件和控制棒等组成。而燃料组件又是核燃料等等构成的，这么多名词，大家不用怕，咱们一个个来，先说核燃料。

　　你没看错，这黑漆漆的就是核燃料了，它是把二氧化铀的粉末压缩成圆柱形小块，并在高温下烧结，形成高密度的陶瓷核燃料芯块。

　　这些黑色的核燃料芯块就像小煤块一样，但可不是把它们扔到堆芯，一“烧”了事。

　　它们会被放置得整整齐齐的，然后装入一根管子中。

　　装着核燃料的那根长管子就叫做核燃料棒。

　　可别小看核燃料棒，它是由锆合金制成，有好几层防护，非常坚固，　　能防止核燃料泄露到一回路中的水里面去，从而防止核污染。

　　把很多根燃料棒捆在一起，于是，它们就组成了燃料组件。

燃料组件

　　把很多个燃料组件插入堆芯里面后，“柴火”就搭好了，点火！

　　哎呀呀，这是怎么回事？光为什么不是红色的而是蓝色的？重新点火！　　且慢，它已经点燃了，之所以发出蓝色的光，那是因为切伦科夫辐射的缘故。　　关于切伦科夫辐射的发现和对其原理的解释，还产生一个诺贝尔物理学奖呢，后来，科学家们又利用切伦科夫辐射的效应去发现中微子的一些性质，于是，又一个诺贝尔物理学奖产生了。　　光在真空中的速度c大约是30万千米每秒，但光在其它介质中，比如玻璃和水中，传播的速度是小于c的，比如光在水中的传播速度只有0.75c，之所以这样，这是因为光子在水中前进的时候会遇到很多原子，有时光子被碰撞导致拐弯于是行进路线变长了，还有光子被原子吸收又被发射出来，这个吸收和发射的过程会有一定的延时，这两个因素是光在介质中传播速度减慢的原因。　　反应堆在运行的时候会产生大量带电粒子，这些粒子因为能量很高，速度很快，它们的速度超过了0.75c，也就是超过了光在水中的传播速度，于是就产生了切伦科夫辐射，它的特征是蓝色的辉光。

切伦科夫辐射是由苏联物理学家切连科夫在1934年发现，并以他的名字命名
　　1937年，另两名苏联物理学家伊利亚•弗兰克和伊戈尔•塔姆成功地解释了切连科夫辐射的原理。于是，三人共同获得1958年的诺贝尔物理学奖。后来，日本的超级神冈探测器利用少数高能中微子在水中前进时会带来切伦科夫辐射，而它的蓝色辉光比较容易探测到，所以发现了中微子的一个重要性质——中微子振荡。于是，工作在超级神冈探测器里面的科学家又获得了一个诺贝尔物理学奖。

　　那蓝色辉光原来是有出处的，咱们就不深究了，但是等等！这几个“熊孩子”是怎么回事，不要命了吗？核辐射很厉害知道不？　　嗨嗨嗨，别一惊一乍的，核电站并没有你想的那么恐怖。有的核电站在运行的时候，工作人员是可以去观看的，上图的那几个“熊孩子”，后来他们有的成了物理学研究员，有的成了核工程师，因为了解，所以不怕。
那个控制棒怎么用　　控制棒其实就相当于你音响上的声音调节旋钮，扭一下声音大一些，往回扭一下，声音小一些。

　　堆芯中铀235，其在中子的轰击下裂变，并放出两到三个中子，这些中子又去轰击别的铀235，于是，裂变反应得以持续。这里的关键是中子，控制了中子数量的多少，也就控制了反应堆的反应速率。

　　压水堆中的控制棒使用特殊材料制成，它能有效地吸收中子，从而实现对反应堆功率大小的精确控制。

燃料组件的上方，手拿着的那个就是控制棒。

　　当然，控制棒还有更重要的作用，如果核电站遇到突发情况，控制棒会由于重力的作用，快速插入反应堆中，于是，反应堆就熄火了——停堆。
没有强约束也就没有核爆炸　　核电站虽然使用铀235，但它绝不会发生像原子弹那样的核爆炸，这是由物理定律，而非人为的控制决定的，它并不依赖于安全防范措施是否做得好。　　首先，压水堆中的核燃料，铀235含量只有2%～4.4%左右，其余的都是铀238。而铀238在中子的轰击下是不会产生裂变的。

用于制造原子弹的铀235浓度需要超过80%以上。人们常用的一个比喻是，酒精能点燃，而啤酒却点不燃。
　　其次，核电站中并没有强约束！我们知道，手榴弹是由炸药和金属外壳制成，现在，给你一把很纯的炸药，你能让它爆炸吗？不能，你顶多让它剧烈燃烧，因为你没有强约束，也就是类似手榴弹的金属外壳。更何况，核燃料中的铀235是浓度很低的“炸药”。　　还有，即使核电站的堆芯熔毁，所有的核燃料熔化并聚拢在一起，它也不会发生核爆炸，原因是裂变反应产生的大量热量会推开核燃料，距离变远，中子鞭长莫及，于是裂变速率会迅速变弱。此过程不依赖于人为的控制，因为它是一个物理的必然过程。日本的福岛核电站爆炸乃氢气在厂房里面聚集而引发的爆炸，并非类似原子弹那样的爆炸。　　莫要再说安全了，我现在最大的疑问是：天然铀中，铀235只占0.7%多一点，其他的全是不能利用的铀238，这是不是太可惜了？　　是的！　　要是铀238也能裂变，那咱们可利用的铀资源岂不是要翻数十倍？　　没错。而这，就是快中子增殖反应堆的使命了！　　请关注科普中国，咱们下次再聊！

责任编辑：科普云

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