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“毫无疑问的，人类更古老的、与猿相似的史前祖先，会反对烹煮食物这项创新，同时会摆出道理，指出使用'火’这种新动力是非常危险的。我个人十分肯定，我们周围随时都有可以使用的次原子能源，总有一天，总有人会释放并且控制这种几近无穷的力量……” ——1922年诺贝尔化学奖得主弗朗西斯·阿斯顿 1942年12月2日，人类历史上第一个反应堆 ——“芝加哥一号堆” （ Chicago Pile—1）开始试运转。费米抬起手腕看了一下表：9时45分。他大声喊道：“大家注意，现在启动反应堆。”此时此刻，在场所有人员的注意力都集中在“炉灶”上，等候费米的命令。15分钟后，费米下达命令：“抽出控制棒！”当把镉棒慢慢地向外抽出一些时，只听得计数器“咔咔咔”的声响越来越快——铀核裂变开始了！只是声音不稳。到了下午3时20分，费米再次下命令：“再把控制棒往外抽1英尺！”3分钟后，计数器的“咔咔”声终于变成了稳定的响声。反应堆达到临界点，人类历史上第一次核的链式反应开始自持动进行了。坐在原子能控制室的恩里科·费米。这位逃离墨索里尼统治的意大利难民带领一批物理学家在美国芝加哥大学的网球场上制造出世界上第一座原子反应堆，被誉为“原子能之父” 如今，在芝加哥大学校园的这座运动场西看台的前面外墙上挂着一块镂花金属牌，上面用英文写着：“1942年12月2日，人类在此实现了第一次自持链式反应，从而开始了受控的核能释放。”1942年11月，芝加哥，正在建造的原子反应堆（即芝加哥一号堆），费米将其描述为“粗制的一堆黑色砖块和木料”，下面支撑用的是木板，上面黑色部分为石墨砖，部分砖打孔后嵌入了铀球“核能之门”被打开后，人们很快就认识到了它的价值，并将其投入应用之中。正如许多科学发现一样，核能最早的用武之地是在军事上，1945年7月16日，第一颗试验原子弹在美国的阿拉莫哥多沙漠爆炸成功。1945年8月6日在广岛、8月9日在长崎，美国向拒绝接受《波茨坦公告》的日本投掷了两颗原子弹，使人们第一次清楚地感受到了核能的巨大威力。实际上，铀原子受到慢中子的轰击，发生核裂变，产生大量的能量，当能量集中、短时间（不可控）突然释放出来时，就产生大爆炸，这就是原子弹。而可控核裂变则可以用来发电，这就是核电站。核电站的原理其实并不复杂：用铀制成的核燃料在反应堆内进行核裂变并释放出大量热能；高压下的循环冷却剂把热能带出，在蒸汽产生器内生成蒸汽；高温高压的蒸汽推动汽轮机，进而推动发电机旋转。从热力学的角度讲，反应堆就是个“热源”，跟锅炉没什么两样。反应堆的工作温度（也就是冷却剂从反应堆出来的温度）越高，发电量也就越多。1951年，美国爱达荷国家反应堆试验中心的一座试验反应堆上，进行了人类首次用反应堆发电的尝试。这座反应堆用钠钾合金作为冷却剂，热功率1400千瓦。冷却水通过反应堆后的出口温度为350℃。由于具有放射性，所以它从反应堆带出的热量，首先是通过中间热交换器，传递给在中间回路里流动着的没有放射性的钠钾合金。再通过一个蒸汽发生器，将中间回路里的钠钾合金所携带的热量传递给二次回路里的水，使其变成288℃的蒸汽，带动一个200千瓦的汽轮发电机，其效率为14%。1951年12月21日，人类第一次用核能发出了100多千瓦的电力。这些电带动了反应堆厂房内的设备，点亮了小镇的一些灯泡。于是，美国总统艾森豪威尔1953年在联合国发表“原子能和平利用”演说时断言：“美国知道，以原子能作为和平利用的动力，并不是未来无法实现的梦想，而是现在就已经证明拥有这种能力。”然而在核电站方面捷足先登的却是美国的冷战对手——苏联。1954年，苏联在莫斯科西南方110千米处的奥布宁斯克建成世界上第一个民用核电站，首次正式将6000千瓦的电能输入电网。英国人对此表示不服气，他们认为奥布宁斯克核电站只是一个半实验性核电站，而且仅仅0.6万千瓦的发电量没有多大实用价值。英国自己的考德尔霍尔核电站于1956年8月27日接入电网，并于同年10月17日正式投入商业使用。该核电站拥有4个石墨反应堆，用二氧化碳气体作冷却剂，发电量相当可观——每个反应堆发电5万千瓦。得意扬扬的英国人为此举办了盛大的典礼，并邀请女王伊丽莎白二世启动开关。美国原子能委员会1953年10月宣布要在宾夕法尼亚州希平港的俄亥俄河边建造一座压水堆（以轻水作为慢化剂和冷却剂）核电站。在花费了1.8亿美元巨款（包括研制费用）之后，希平港核电站（Shippingport Atomic Power Station）在1957年12月落成，电功率达到9万千瓦。尽管晚了苏联一步，美国还是自我宣布胜利：“世界上第一座专门用于和平目的的、全尺寸的原子能发电厂。”这个说法的玄机在于，英国人的考德尔霍尔核电站在满足国内电力需求的同时，还为制造核武器而浓缩了钚。虽然有着吹牛的嫌疑，但希平港核电站仍是核电站发展史上的重要里程碑。到1982年10月1日退役为止，希平港核电站总共发出73亿度电，进行了大量的试验研究。美国希平港核电站使用的反应堆压力容器，摄于1956年施工期间在它的基础之上，1961年7月，美国又建成了杨基核电站。由于有了希平港核电站的技术基础，杨基核电站虽然规模加大，但基建费减少，发电成本大大降低。相比前者，杨基核电站功率增加一倍，投资却降为0.436亿美元，发电成本从每度电0.6美元降为0.09美元。只经过了三年半，发电成本就降低了80%以上，显示出核电站强大的生命力——核能发电的运行成本与火电厂已相差无几。这一时期，各工业发达国家的经济处于上升时期，电力需求以十年翻番的速度增长。各国出于对化石燃料资源供应的担心，寄希望于核电。苏美英之外，法国、日本、加拿大以及全球大部分工业化国家也都争先恐后地建造自己的核电站。从20世纪60年代中期至80年代初，核电经历了一个大规模高速发展阶段，鼎盛时期全球平均每17天就会有一座新核电站投入运行。1971年，美国原子能委员会新任主席、曾荣获诺贝尔奖的格林·西博格（Glen Seaborg）更是乐观地宣称，到20世纪末，美国的电力将有一半是靠核能供应，而核动力宇宙飞船将会载着人类飞到火星。当时美国已拥有22座核电厂——尽管它们所提供的电力仅占全国电力的2.4%。从1970年到1982年，美国的核电从218亿度增加到3000亿度，增加了12.8倍，在电力生产中的比例提高到了16%；法国核电增加了20.4倍，比例从3.7%增加到40%以上；日本增加了21.8倍，比例从1.3%增加到20%。印度、巴西、阿根廷等发展中国家也建成了一批核电站。是不是核电前途就因此一片大好了呢？倒也未必。究其原因，还是核电站里的“核”字。人们根深蒂固地认为，核电站里的放射性元素会像原子弹一样触发难以想象的力量，造成大量人员伤亡。其实这种想法并不正确。核反应堆并不会形成瞬间的链式反应，也不存在核爆威胁，因为反应堆内的燃料并没有像在原子弹里的那么容易裂变。不过，反应堆内的燃料，裂变元素或其他元素，放射性都极高，所产生的热能足以点燃、融化或分解周围的物质，包括反应堆本身，最后造成骇人听闻的后果。它还可以将水汽化成蒸汽，以极快的速度膨胀，其效应好比汽锅发生了超级大爆炸。在某些情况下，它可以将水分解成氧和氢，形成化学爆炸。正因如此，几乎从核反应堆起步的那一刻起，人们对安全问题就不敢大意。费米制造的第一座反应堆为了确保安全，除了有三人各拿一个盛满了吸收中子的溶液桶站在堆顶外，还有一人拿了一把斧子站在反应堆旁，以便必要时砍断绳索，让安全棒迅速插入堆内，停止链式反应。而在后来的核电站里，更是为此设置了4道防线：第一道安全屏障是核燃料本身。核电站用的燃料，大都是物理化学性能十分稳定的二氧化铀小圆柱形的陶瓷块，熔点为2800℃。这些陶瓷块被放在性能优异的锆管内制成燃料元件，只要芯块不熔化，即使包壳破裂，芯块与水接触时也不易起化学反应。第二道屏障是燃料元件包壳，将从芯块逸出的少量裂变产物保持在包壳内。第三道屏障是反应堆的压力容器，燃料元件是放在压力容器内。反应堆的冷却剂在封闭的回路内来回流动，既不与核燃料直接接触，又不与推动汽轮机的传热工质接触。而防止放射性物质外逸的最后一道“防线”则是安全壳。在核电站里，包括反应堆本体、泵、稳压罐、管道、阀门，以及蒸汽发生器，都安装在很厚的安全壳内，组成所谓核岛，即使回路出现破裂，放射性物质也不会跑出安全壳。有鉴于此，1975年的拉斯姆森报告（WASH—1400）指出，在美国每年每人死于汽车车祸的概率比死于核电站事故的概率大76000倍。而100座核电站给美国人带来的风险，只及闪电带来风险的1/2500。1979年4月2日，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站大门前挤满了新闻记者和看客
不过，毕竟没有绝对的安全。1979年3月28日，位于美国宾夕法尼亚州米德尔顿附近的三里岛核电站（Three Mile Island Nuclear Generating Station）事故，终结了人们对于原子能前景的乐观期望。这个意外始于冷却剂停止循环，陆续造成各种机制出现故障，作业人员却根本没有得到相关信息的反馈。操作人员错误地关闭了应急冷却系统，这就人为地制造了一次失水事故。堆芯暴露于蒸汽中，燃料元件停堆后的剩余发热得不到冷却，造成部分燃料元件包壳温度过高而烧穿。由于安全壳内排污管道失修，从堆内流出的放射性污水进入安全壳外没有密闭的辅助厂房。这些污水在辅助厂房内蒸发时，放射性气体和蒸汽从通风系统逸出，使周围放射性剂量增加。三里岛事故发生令全美震惊，核电站附近的居民惊恐不安，约20万人撤出这一地区。经济损失也是个天文数字：清理与恢复费用约4亿美元；关闭核电站后的购买火电费用，事故发生后每月为1800万美元；疏散8千米内的3000多户家庭（10000人）的赔款费约120万美元……但这次事故比起之后的两次核电站事故又的确是小巫见大巫了。1986年4月25日，苏联的切尔诺贝利核电站备用冷却系统失效。核反应产生巨大热能，与水相遇之后造成大爆炸，将反应堆重达1000吨的屋顶给掀开，溢出的放射性物质不仅扩散至邻近地区，还爆冲到大气层。事故当场造成31名人员伤亡。苏联政府将切尔诺贝利邻近地区的13万居民疏散，并且协助他们搬迁到其他地方。2011年3月11日，日本福岛第一核电站因东日本大地震及后继海啸造成涡轮机及反应堆自动停止，之后亦发生紧急用的柴油发电机故障停止运转。随之发生冷却水循环系统异常。为释放围阻体压力，蒸汽也被排放到大气中，之后发生氢气爆炸、接着建筑物崩落……而堆芯内所有核燃料也已熔毁。事故发生迄今已十余年，但善后工作尚未完成。在这种情况下，尤其是20世纪80年代，由于三里岛与切尔诺贝利事件接连跃上新闻头条，核能产业逐渐失去优势与支持者，遭到越来越多的反对。20世纪70年代末，美国拥有70家商用核电厂，但在1978年之后，在很长时间里不再有新增任何核电厂的兴建计划。光是1978—1983年，美国就取消了67座核电站的订货，净减少发电能力约7800万千瓦；另一些国家如瑞典、奥地利、荷兰、意大利等国放慢甚至停止发展核电，甚至苏联也作出了不再建造石墨水冷堆核电厂的决定。除了事故风险，核电厂制造出来的放射性废料也是一个问题。在这些物质当中，部分物质只在短期内具有危险性，但也有一些物质所具有的放射性，能够维持极长的时间。显然，将放射性废物加以处置，使其毒性持续期限从“数千年”缩短到“数百年”的成果是无法令人感到满意的。当然，人类也可以将放射性物质压成碎屑，深埋在几千米深的干燥石窟中，但这无法保证它们不会再次威胁人类。
2021年4月12日，日本，航拍福岛第一核电站核污水仓而在中国，核电站在确保安全的前提下在短短几十年里就实现了跨越式的发展。1983年6月1日，我国自行设计的30万千瓦压水堆核电站在浙江省海盐县秦山镇破土动工。1985年3月，核电厂主厂房浇灌第一罐混凝土，标志着秦山核电站进入正式建设阶段。秦山核电厂于1991年底并网发电，1994年4月投入商业运行。它的建成结束了中国大陆无核电的历史，被誉为“国之光荣”。截至2021年6月底，我国商运核电机组50台，总装机容量5214.5万千瓦，位居全球第三 ；核准及在建核电机组23台，总装机约2480万千瓦，居全球首位。2020 年，我国核能发电装机占比约2.3%，发电量占比约4.9%。自秦山核电厂正式投入商运以来，我国核能发电量已累计达到2.6万亿千瓦时以上，等效减排二氧化碳约21亿吨，为“碳达峰”与“碳中和”作出了巨大贡献。大亚湾核电站，位于广东省深圳市大鹏半岛，邻近香港，1987年开工、1994 年投入商运，实现了我国大陆大型商用核电站零的突破如何才能“驯化”核聚变以产生足够多的能源呢？20世纪50年代初期，苏联科学家伊戈尔·叶夫根耶维奇·塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm）和安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫（Andrei Dmitrievich Sakharov）提出了“托卡马克”的概念。所谓“托卡马克”是磁线圈圆环室的俄文缩写，是一个中空的环形管，逐段设置铁块作磁场的铁心，把管子围起来，配上高强度的磁场，把环形腔内的高温氘、氚封闭起来，使它们在环形腔内完全分解成带电的离子，而这些带电的离子在磁场作用下，只能沿磁力线方向运动，就像把高温的核燃料“盛放”在“磁瓶”里，有控制地运行热核反应一样。如今，在安徽合肥的中国科学院等离子体物理研究所也建成了一个高11米、直径4米、重达400吨的庞然大物，这就是世界上第一个“非圆截面全超导托卡马克装置”——“东方超环”EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）。科学家把这类装置形象地称为“人造太阳”。
世界上第一个全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），由中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制，科学家把这类装置形象地称为“人造太阳”
表面看来，依照“托卡马克”原理实现可控核聚变并不困难。1954年，苏联的第一个托卡马克装置就实现了个别的聚变反应，但聚变反应产生的能量极微。1970年，苏联又在托卡马克装置T—3上实现了可以察觉的聚变能量输出。问题在于，聚变反应与裂变反应不同。裂变反应时不需要入射中子有动能；而为了实现聚变，首先要输入能量。当输入的能量与聚变反应产生的能量相等，即能量增益因子等于1时，称为得失相当。实际上，由于创造聚变条件消耗的电能，要3倍于它的热能才能生产出来，所以要使能量增益因子等于3时，才能真正地实现得失相当，能量收支平衡。而只有大于3时，人们将核聚变反应堆用于发电才谈得上经济性。如果人类想要一劳永逸地解决能源问题，并如同无数科幻小说描述的那样走出地球乃至太阳系，那么可控核聚变又是必须点开的“科技树”。唯有如此人类才能踏上星辰大海的征途。而这也将是核能这把“双刃剑”的最佳归宿。参考文献： 阿尔弗雷德·克劳士比：《人类能源史：危机与希望》 郭星渠：《核能：20世纪后的主要能源》 范珊珊：《欧洲核电重启？》等 本文摘编自《国家人文历史》2021年4月上，原标题为《天使抑或魔鬼 人类手中的核能“双刃剑”本文摘编自《国家人文历史》2021年4月上，原标题为《天使抑或魔鬼 人类手中的核能“双刃剑”》，有删节，本文系“国家人文历史”独家稿件，欢迎读者转发朋友圈。
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