花式沸腾法：核电站算是把烧水玩会了！
来源： 中国科协、中科院携手“互联网 科普”平台，深耕科普内容创作 发布时间：2023-11-17
出品：科普中国
作者：科学边角料（科普创作者）
监制：中国科普博览
核电站，这个名词你应该不陌生，但它是如何运作的，你知道吗？
让能量慢慢释放
核电站是怎么把核能变成电能的呢？这首先就要讲讲核裂变反应了。
核裂变反应，说的是一个重原子的原子核在受到中子撞击之后，会发生裂变，生成两个比较轻的原子核。在这个过程中，往往还会同时生成一些副产物，比如几个中子以及额外的能量。
像铀-235、钚-239发生核裂变反应时，释放出的中子能量往往比较高，这样的中子被称作快中子，它们的速度能达到光速的5%。
铀-235裂变反应
（图片来源：wikimedia）
因为速度很快，所以这些中子能在短时间里继续跟铀或者钚原子核碰撞，引发更多的核裂变，这一系列反应就是人们熟悉的链式反应。
在原子弹爆炸的时候非常重要，只有在最短的时间里发生尽可能多的链式反应，才能让原子弹发挥出巨大威力。但在核电站的核反应堆里，情况就不一样了。
核电站并不希望让核能在短时间内迅速释放，让它们温和、稳定地输出才是最重要的。所以在绝大部分核电站的核反应堆里，都有减速剂让快中子减速，把它们变成效率更高的慢中子（或者叫热中子）。
利用这个能量，核电站就可以把水烧开，之后用产生的水蒸气去推动汽轮机的叶片，进而带动发电机发电。这就实现了把核能转化成电能的目的。
几种不同类型的核反应堆
不同类型的核电站在烧水方法上是有一些不同的。我们先从两种最常见的核反应堆说起，它们是沸水反应堆和压水反应堆。
前面我们说到核电站的核反应堆里需要加入一些东西让快中子减速。其实普通的水就可以作为中子减速剂，而水同时也是很好的冷却剂，所以这两种反应堆就是用水来做中子慢化剂和冷却剂的。
不过，这两种反应堆又有一些不同之处。
沸水反应堆比较“简单粗暴”，是直接把水跟核燃料放在一个容器里，核燃料把水烧开之后，水就直接变成水蒸气去推动汽轮机。
沸水堆
（图片来源：wikimedia）
而压水反应堆则稍微复杂一些。压水反应堆有两个回路，分别叫一回路和二回路。在一回路里，水也是直接跟核燃料放在一起的，水在这里被加热到200—300摄氏度（一回路里是高压状态，因此即便超过100摄氏度水也不会沸腾）。
压水堆
（图片来源：wikimedia）
这些热水会通过管道把热量输送到二回路里。注意，这些水并不会进入二回路，而只是把热量转移到二回路里。在二回路的蒸汽发生器里，水被烧开变成水蒸气，水蒸气再去推动蒸汽轮机。
这两种核反应堆各有优缺点。
比如，跟沸水堆相比，压水堆包括一回路和二回路，链路比较长且涉及的设备比较多。在一回路中还需要把水维持在高压状态，技术性能的要求和造价往往比较高。
而沸水堆的水蒸气直接和堆芯接触，辐射量比较高，它的输送链路以及和蒸汽轮机接触的整个链路都需要做好放射性防护。
我们国家建造压水反应堆的技术处在世界领先水平，我们大部分正在运行的核电站主要也是压水反应堆。另外，我们国家自行研制的“华龙一号”机组也属于压水反应堆，目前“华龙一号”已经出口至巴基斯坦，英国和阿根廷也在积极引入“华龙一号”机组。
重水反应堆
那无论是沸水反应堆还是压水反应堆，它们里面都是普通的水，我们初中化学就知道，水就是由两个氢原子和一个氧原子构成的，分子式是h2o。
但氢元素其实还有两种同位素，氘和氚。在氢原子核里多加一个中子，就变成了氘（多加两个中子就是氚）。氘跟氧原子也可以形成水分子，即d2o。这样的水在重量上比普通的水重很多，因此被称作重水。
重水跟普通的水一样，也可以用来做核反应堆的冷却剂和慢化剂，而且它和普通的水相比有一个天然优势。普通的水虽然能够作为中子慢化剂，但它也会吸收一部分中子。这就要求核反应堆原材料中的铀-235需要达到比较高的浓度才可以。
重水（d2o）
（图片来源：wikimedia）
相比之下，重水对中子的吸收程度比普通水要小得多。这使得人们不需要把铀-235浓缩到特别高的浓度，甚至可以直接用天然铀氧化物来作为堆芯的原料，这样就可以跳过浓缩铀这一步了。
我们国家的秦山三期核电站，就是我国首座商用的重水堆核电站。
快中子增殖反应堆
前面说的三种核反应堆，都是把快中子转化成热中子来引发链式反应的。那有没有直接利用快中子的核反应堆呢？
当然有，这样的核反应堆叫作快中子增殖反应堆，简称快堆。快中子能够跟铀-238反应，使它发生β衰变，变成钚239，钚239又可以继续作为核反应的燃料，所以才被称作增殖堆。
我们国家自主研发的实验快堆（cefr）已经在2011年7月并网发电。另外，我们国家的示范快堆也于2017年12月开工建设。
建设中的中国实验快堆
（图片来源：wikimedia）
除此之外，还有气冷反应堆、小型模块化反应堆。核能也在以更加温和的方式为人类提供能源，而且随着技术的更新，核反应堆也变得越来越安全可靠。
参考文献：
【1】国家核安全局：核电站的类型都一样吗？
【2】国际原子能机构：水冷堆
【3】国际原子能机构：快堆
【4】查尔斯·d·弗格森，《核能》（牛津科普读本），华中科技大学出版社
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