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这是科学世界杂志的一期专栏。很难得有这么详尽介绍核电机组的科普作品，最难得的是配了多幅极难见到的反应堆内部构造照片。没办法，工科出身的人，看到这类作品就忍不住，就像敝号推介过的《大型喷气机的飞行》、《未了的传奇：波音747的故事》、《我是怎么设计航空发动机的》，包括近期的《原子弹秘史》，说不定将来还会有火箭发动机原理之类的介绍，权当好玩，各位好文史的也可借这么几分钟机会了解一个机械的世界。 我国虽然掌握核技术较早，包括核电站也建得很早，但实际上，能称得上真正有自主知识产权和全产业链的，还只有2015年建成的华龙一号核电站。即便是有了自主知识产权，完全自主的部分，也只有88%。——这也是为什么本人还是更喜欢与工科人士打交道的原因，拿图纸榔头和扳手要做出东西来的人，得分清什么是实在的，什么是宣传的。 华龙一号的首席科学家邢继说，其实直到2015年，我们才算能说打破了核技术垄断。此前我们中学教科书上“自主研发和管理运行”的大亚湾核电站，其实全套都是买进来的，连水泥和电话线都从法国进口；能沾得上“自主”二字边的岭澳核电站，其实是土建工程自主设计。所以邢继说，不能光喊口号，关键是提升自身能力，承担责任，保持好奇心。——保持好奇心！我国目前的核电站分布 发现了五夸克粒子和双粲重子的实验物理学家高原宁院士说，高能粒子物理研究领域的国际开放和合作程度是旁人难以想象的，以至于他认为在全球化遭遇政治经济挑战的时候，大科学合作可能会是唯一能幸存的领域。不过，他也和邢继一样，认为阻挡我们进步的，是好奇心与探索宇宙的梦想的湮灭。 说实话，不去了解不知道，近二十年来，涉及基础性、根本性问题的微观粒子领域研究，尤其是亚原子领域（那18种各种各样的“子”），量子力学，日本科学家一直处于全球领先水平，他们在这些基础领域拿了六个诺奖——小柴昌俊发现中微子，梶田隆章证实中微子有质量，小林成和益川敏英发现了6种夸克，南部阳一郎推进超弦理论——吓不吓人？你可以说拿诺奖有鸟用，咱们有举国体制，小日本迟早完蛋哈哈这类爱国壮语，但你稍稍能安定下来读两篇科学家写的技术问题文章，就会知道什么叫科学面前来不得半点虚假。精神意志、组织体制，这些“软件”毕竟是需要依托技术条件“硬件”才能发挥作用的。纵观新中国科技发展史，我国真正工业和实用意义上的技术突破，主要发端于经济实力快速发展的上世纪九十年代，没有别的巧，有钱有设备了。光喊精神和主义，忽略实际的后果，新中国建国之前有刀枪不入的义和拳，建国之后有超英赶美大炼钢铁，我们不是没有尝试过。 此前科学世界上还有一篇对中国天然气之父——戴金星院士的访谈，戴院士说：我国经常宣称“地大物博”，其实困难很多，油气资源不论在条件上还是量上都很不足，很多时候各种勘探成果也只是说资源量，实际能工业开采的也不多。比如，美国开采的页岩气区域有二十多个，关键是地层储存条件还非常好，我国能开采页岩气的区域只有一个，还在断层众多、地震频发的四川盆地。所以说，我国在能源上长期依赖进口的形势不会轻易改变。 国家战略的重大项目也好，资本市场那些一年一变的技术风口也好，一堆投资人成天问下一个风口在哪从来不问之前那个风口咋样了也好，只要掺杂了半点虚假，最终必定是一地鸡毛，这些例子，从90年代初到今天，实在是太多了。在现有的政治经济环境下，扎实做点事确实很难。 言归正传。 核电机组发热的基本原理，其实在敝号之前推介的五篇《原子弹秘史》中已有十分详尽的介绍，就是铀235核裂变的原理和过程。 从华龙一号的反应堆来看，目前的核反应技术并没有发生质的改变：以铀235为燃料，以铍和锎（第一颗原子弹用的是铍钯）为中子发生器——启动链式反应，首先需要启动的中子来轰击铀235原子；铀235原子被中子击中，分裂为两个新原子，同时释放新的中子，原子核裂变之后，两个新原子的质量之和小于铀235原子，产生质量亏损，这点质量亏损就转化为热能释放出来，新产生的中子又击中其他铀235原子，这就是链式反应。 燃料棒和控制棒，控制棒就是中子发生器，通过移动控制棒来控制中子数量 显然，对于反应堆来说，最重要的，就是对链式反应的控制，不实施控制，那基本就是核爆。实施控制，让热能有节奏地产出，就成为能源。 控制的方式无非是两个，其一是控制中子产生数量，其二是控制铀的临界质量。在实际的反应堆设计上，已经实现了合二为一——通过分割包装核燃料，达到增大外壳锆合金吸收中子的要求，并且以中子发生装置为控制棒，通过增加和减少中子发射数量来控制核反应。 文章中提供了极为少见的最新核燃料组件的照片和排列组合方式。华龙一号用的CF3燃料组件，采用的是方阵排列17×17，264根燃料组件捆绑在一起。其后，177组这样的CF3方阵燃料，组合排列成一个正六边形结构，构成反应堆的堆芯。 很难得的现场安装堆芯的照片，星型架就是用来提升和下降控制棒的 排列组合非常重要，要确保整个堆芯都能均匀受到中子击发，均匀发生裂变反应。如果所有阵列的核燃料富集度都一样，大家可以想象得到，毫无疑问那堆芯的中央部分是反应最剧烈的，那就会造成中心区域过热，对安全不利，也造成不必要的损耗。所以，燃料棒外形一样，但里面的燃料富集度是不一样的，而且堆芯排列必须按照不同的富集度进行排布，这叫——功率展平。可以想象得到，在堆芯中心区域，燃料棒的富集度最低，最高富集度的燃料棒肯定是在外围。 排列组合的重要性，三年前敝号给大家推介过的《硅谷钢铁侠》马斯克做特斯拉电池组的时候也有过提及，电池组的能量均衡性以及安全性，全在于电池组的排列组合方式。 燃料棒就是氧化铀，也就是铀235，被加工成一节一节的柱状，然后用锆合金管进行包裹，扎成束，成为燃料组件。有趣的是，这个阶段的燃料棒，放射性是很小的，人可以拿在手里。 一节一节的氧化铀——铀235燃料棒 启动反应堆，也就是把铍锎控制棒——中子发生器，沉降至燃料组件中间，让中子四面八方地发射出来，击发组件中的氧化铀棒，开始反应。反应堆启动后，会发出幽幽的蓝光，即所谓“切连科夫辐射”，浸泡在冷却水中的堆芯发出的粒子，速度超过了水中的光速（光在水中的速度只有正常光速的75%），由此发出来的一种电磁辐射。 被锆合金外壳包好的燃料棒 铀235在裂变之后，会变成不同的原子，而且由于分裂方式多种多样，可能会产生不同的裂变原子。比如，分裂为铯137原子和铷95原子，也可以分裂为碘131原子和钇103原子，然后再在各自基础上继续放射衰变，铯137释放电子即β射线，变成钡137，铷95释放β射线，变成锶95等等。当铀235衰减到只剩下1%的时候，就变成了废料——乏燃料，经回收之后就成了核废料。核废料有很强的放射性，而且很持久——钚239的半衰期为2.4万年，铯137半衰期有30年，差不多要经过10万年之后，这些废料的放射性才会降低到安全水平。 微观的裂变 再有，也就是因为这种放射性的安全性问题，导致核电站的发电效率要低于常规的火电站。一般而言，核电站发电效率为30%，火电站效率可达40%。为什么呢？因为核电站也是通过加热水，用高温高压的水蒸气驱动发电汽轮机来发电的，而热水也不能是直接由堆芯加热，堆芯加热的对象是内部封闭运行的“一回路”水——硼酸水，这种水不能外泄，因为直接接触核燃料，有很高的放射性。加热到320摄氏度的硼酸水，通过热交换管道，把管道中的“二回路水”——这才是正常的水，加热加压，这个二回路水才会变成蒸汽去驱动发电汽轮机。所以，核电的热量是经过了两轮传递，其间的热损耗显然就大了。效率当然也就低了。 反应堆的三个回路 下面简要叙述核电机组的结构。其实核心就是三个回路，前面说过的，一回路，就是围绕着反应堆的冷却水——硼酸水，就是溶解了硼酸的高纯水。硼原子有较大的中子吸收面，所以也是一种很好的安全防范网。硼酸水在核反应堆中大量使用，常常使得反应堆看起来蓝幽幽的，其实是光线在硼酸水中折射出来的效果。硼酸水接触到了反应堆的热量，被加热到150个大气压和320度高温，然后被泵到蒸汽发生器里。蒸汽发生器就是硼酸水与“二回路水”交叉换热的地方，在这里，二回路水被加热到280度高温，变成蒸汽被送到汽轮机里。三回路则是从大海中取水，以及冷却二回路水的过程。 核电站全景（有趣的是，我上传了五次照片，都自动跳没了，智能！） 从安全性上来讲，最重要的其实是选址，大部分核电站都要选择在地震较少的地方。不过，现在的核电站抗震强度都很高，比如华龙一号，可以抵抗9级地震强度，整个核电站都可以随着地震上下左右摆动来化解震动力量！从福岛核电站事故来看，地震并没有影响，出事的是地震后引起的海啸，海水使得福岛核电站中的安全设施失灵。所以，华龙一号选择的福清这个地方，也是基本没有海啸发生的地方，而且还做了应对海啸的地质工程。 其次是防恐怖袭击。核电站也都建得跟碉堡一样坚实，可以抗住飞机撞击和常规爆破的袭扰。 再次才是反应堆内部设计的安全性，这些倒是都没有什么有趣的地方。 |
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