核弹打工记：核电的爱恨纠葛
导读
氢弹从良不易，原子弹却早早找好了工作，生了一堆娃娃。各位肯定被新闻里那一堆名字困扰过，什么快中子堆、热中子堆、轻水堆、重水堆……今天挨个给大家报仇！
氢弹从良不易，原子弹却早早找好了工作，生了一堆娃娃。各位肯定被新闻里那一堆名字困扰过，什么快中子堆、热中子堆、轻水堆、重水堆……今天挨个给大家报仇！
大跌眼镜的同学先扶一下眼镜，我们把“核动力”分两部分：暖宝宝部分和烧开水部分。后面的“烧开水”技术比较成熟，暂不细说；重点说一说与“核”有关的暖宝宝部分。
今天的故事，就围绕“暖宝宝发热”展开。
“拧原子核”要挑最小的氢，这回“掰原子核”当然挑最大的铀。拧原子核那么费劲，这掰原子核可就简单多了，铀核分裂释放能量，自然界但凡涉及能量变化，大多以“热量”和“辐射”的形式释放。这就是“发热”的来源。
不过，光“发热”是不够的，要随心所欲的发热才行。原理也简单：控制铀浓度和分裂速度，就可以控制发热的速度。
第一个概念出来了：铀浓缩。
利用化学手段把铀提纯，化学反应电子说了算，中子是不屑管的，所以化学提纯的铀是由99.3%的铀238（238U）和0.7%的铀235（235U）组成（即235U丰度为0.7%）。想要再分开，就只能靠两者重量的微小差异了，最成熟的办法就是离心机。
先把铀弄成六氟化铀气体，然后放到圆筒里旋转。不同重量的气体分子就会出现分层，重的往边上挤，轻的留中间，再用导管分别抽走，放到下一个筒继续转，这样多折腾几次，浓度就慢慢提高了。那得折腾多少次？自个儿数数伊朗的铀浓缩设备吧，还遭过黑客攻击呢！这离心机可是大流氓严格控制的设备。
用于发电的235U丰度为3%~5%左右，舰船动力10%~20%，武器级90%以上，而天然铀仅0.7%。认为击中反应堆就会引起核爆炸的，罚抄原子弹原理一百遍！非武器级铀，为了更好的控制发热和后期废料的处理，会添加其他物质，比如兔子的“铀钼合金”就很不错，含铀10%。
能自主造原子弹的国家，浓缩铀技术肯定不在话下。
第二个概念：分裂速度。
原子核分裂是原子的头等大事，质子和中子得商量着来，电子靠边站。235U有143个中子，238U有146个中子，于是他们商量出了不同的结果：235U分裂快能量多，放出的中子也快；238U分裂慢能量少，放出的中子也慢。掰原子核首选235U，就这么愉快地决定了！
世人皆知，235U会自发分裂，用中子轰击分裂的更快，中子哪里来？掰开一个原子核就会产生2~3个中子，子子孙孙无穷尽也！简直完美！
问个题外话：原子核为什么会自发分裂？这得问狗日的量子力学了，改日再叙。
有几个因素会影响掰原子核：235U的浓度、中子的速度、中子的数量。
235U分裂跑出来的中子速度很快，经常撞不到其他原子核就跑到外面去了。为了增加撞击概率，要么增加235U浓度（那就变成原子弹了，不能这么玩），要么就把中子速度降下来。前文说过中子对水很是一往情深，所以就用水做慢化剂，降低中子的速度。这样就能让铀慢慢分裂、慢慢发热，但是这样还不能随心所欲调节速度。别急，还有招。
左右两端蓝色的铀燃料棒，浸泡在水里。中间红色的控制棒，是可以吸收中子的材料，诸如硼、碳化硼、镉等。平时，两个燃料棒互扔中子对飙，控制棒在中间劝架，通过控制棒的升降就可以控制飞到对面的中子的数量，从而调节掰原子核的速度，即反应堆发热速度。
这些控制棒就跟铡刀似的，悬在反应堆上方，一有风吹草动，控制棒立马一插到底，阻止两边的中子对抽，燃料棒只能靠自己产生的中子自虐，发热功率降至最低，即所谓的“停堆”（停堆不是完全不发热）。
那能不能彻底不让235U分裂呢？量子力学说，不行！别说技术了，连理论都还找不到！若没有中子轰击，这些原子核就按自己的节奏，一个一个分裂释放能量，这就是半衰期。
这下麻烦来了，因为这家伙365天24小时每一秒都不停发热，一旦热量不导出，温度就急剧上升，这能有多烫？美帝三里岛核事故，从冷却系统故障到反应堆彻底毁坏，只用了120秒，再然后，索性把堆芯熔化了，导致放射性物质外泄。
核反应堆最危险的就是冷却系统故障，这是核心的核心！
人类之所以愿意火中取栗，是因为掰原子核收益不菲。一次加料，暖宝宝可以持续发热几个月到几十年不等（航母通常是几十年）。领导都天天加班了，你员工好意思不加班吗？就因为“加班”问题，暖宝宝分成了好几种。
同学们注意，下面开始报仇啦！
沸水堆：
水既是慢化剂，也是导热剂，铀棒泡在水里发热，直接把水加热沸腾，气化后推动汽轮发电。看这原理就有点慌，这个水带着放射性，还跑去推动汽轮，转轴的地方总归还是有缝隙的吧，出点故障就容易泄漏，所以大家玩的就少。但因为沸水堆结构简单、成本低，不乏艺高人胆大之辈，大名鼎鼎的福岛核电站和切尔诺贝利核电站就是沸水堆。兔子胆小，从来不玩沸水堆。
压水堆：
顾名思义，把水压着不让沸腾，加压到150个大气压以上，水的沸点超过300度，这个热水通过循环管道加热外面的水，让外面的水沸腾气化，推动汽轮。这样和铀棒接触的水就完全与外界隔绝了，不容易泄漏，安全性高，压水是比较主流的玩法。
兔子玩核电一直很保守，在与美苏飙原子弹时判若两人，中学课本上一度只有秦山和大亚湾两座核电站。最近几年估计是长进了，在建的有十几座压水堆。
能看出上下两图的本质区别吧？
轻水堆：
沸水堆和压水堆用的慢化水，若用最普通的水（俗称轻水），就叫轻水堆。这是最常见的堆型，水多便宜啊！
重水堆：
慢化水若用氘化水（俗称重水），就叫重水堆。这厮可了不得！氘核比氢核重，所以中子减速效果更好，中子吸收也更少，对铀浓度的要求就低，甚至用天然铀就可以做燃料。而轻水堆只能靠提高铀浓度来弥补中子的损失，通常铀浓度在3%-5%。
秦山三期核电站就是重水堆，加拿大的技术，据说这手艺加拿大最牛，这貌似是两国合作过最大的项目了，当然引渡贪官除外。
热堆：
这名字不太好理解，砖家们把变慢的中子就叫热中子，而不是慢中子，上述这些把中子变慢的暖宝宝，统称“热中子反应堆”，简称：热堆。
石墨气冷堆：
又叫“高温气冷堆”，这个得好好说道说道。兔子算上在建的有十几座压水堆，说实话，压水堆技术不算出众，但凭借石墨气冷堆一举实现弯道超车，已经玩到了所谓的核电第四代！这里的区别可大了，大家瞪大眼睛。
核反应堆之所以麻烦，是因为暖宝宝不停发热，万一冷却系统故障就game over！石墨气冷堆采用了非常巧妙的办法，把核燃料塞到一个石墨球里，利用石墨做慢化剂（话说，看到现在，还记得慢化剂的作用吧），然后用非常惰性的氦气做冷却剂（或叫导热剂）。这结构妙在哪里呢？我来描述一下工作过程：
中间那个小煤球就是铀燃料，60mm的煤球，中间大约只有0.2mm的铀燃料；正常工作时，就是对着一堆煤球吹氦气，让滚烫的氦气去烧开水发电；等煤球不烫了，就从下面放走，再从上面放进新的煤球，继续吹气；万一吹气系统失灵了，温度超过正常值，系统就停止扔新煤球；让石墨和氦气硬抗里面的热量，这俩哥们不怕烫，氦气轻松900度，石墨1600度小意思！然后等煤球自己冷却便可。
厉害了，我的石墨球！
这个结构非常安全，清华大学做过多次表演，直接关闭冷却系统，在没有任何外界干预的情况下，石墨气冷堆自动实现了停机，妥妥的。这个结构也非常简单，越简单的东西越稳定，而且符合兔子的风格：便宜！
再有一点，压水堆更换燃料棒非常繁琐，所以一次加料比较多，变相增加了危险系数。高温气冷堆就很方便，堆芯存了几万颗煤球，每次自动扔一点到中间，不需要太多也不需要停堆，显然更安全，热效率也远高于压水堆。
既然石墨气冷堆这么牛逼，你咋不早点上天呢？答：一则高温高压氦气回路加工要求特高；二则煤球也不是谁都能做的；三则气冷功率不如水冷，功率密度小于压水堆（同样体积的反应堆，功率偏低）。
其实大英帝国50年前第一个玩高温气冷堆，可惜后来荒废了。现在美帝、毛子、脚盆做的都不错，高温气冷和压水堆的技术衔接性不多，大家都是白手起家，所以兔子很窃喜。据说现在可能跑到前面去了，这不，居然跑到大英帝国去得瑟了。
说了一堆的“堆”，过瘾了没？别急，还有一“堆”呢！
上面说的那些暖宝宝，全都要让中子慢下来（简称热堆）。接下来，介绍一位新人：快中子反应堆（简称快堆）。这位也是著名的核电第四代传人，全球第四代核能系统的优选堆型，这堆得从头说起。
虽然人类成功让大杀四方的原子弹沦为“开水工”，但好景不长。第一，铀235太少，榨干了也没多少，99.3%是铀238。第二，废料处理太麻烦。于是大家就想，怎么样把铀238也赶尽杀绝了。
直接下手有点困难，但用一个中子轰击一下，铀238就变成钚239，这可是宝贝，可堪大用，煮茶叶蛋的时候加一些，风味倍增！所以大流氓严格控制小流氓玩快堆，自己却大大方方建造“生产堆”，就是那种不用来烧开水，专门生产钚239的反应堆。当然，原子弹好不容易从良，咱别老想一些打家劫舍的勾当，钚239和铀235一样，也会裂变产生能量。哈哈，有主意了！
用钚239作为反应堆的核燃料，不用慢化剂，外面直接围上一圈铀238。钚239裂变，产生的中子直接撞击铀238，然后铀238就变成钚239。这个过程产生比消耗还快，钚239越烧越多，直至铀238全部消耗完。于是取名叫“快中子增殖反应堆”，也叫快中子反应堆，简称快堆。
顺便辟个谣，钚的致死量大约是5mg/kg，杀死50kg重的人就得用250mg，而不是谣言里的“5克毒死全人类”。
快堆几乎可以将所有的铀燃料烧干净，而且能充分利用储量较多的铀238。不过，在前期生产燃料时会有些废料，总体算下来，60%-70%的利用率吧，这个已经超过原有堆型很多了。
卧槽，又是一个能上天的货？那你也得有副硬翅膀才行！
快堆要用快中子，所以不能用水冷却（水是慢化剂），而且内部反应剧烈，需要导热性好的冷却剂，快速把热量导出来烧开水。也就是说，冷却剂第一不能减速中子，第二导热性要好，这类材料往往就是金属，所以“高温液态金属冷却技术”是快堆的核心技术，甚至可以说是决定性技术。
好了，开始第二轮，再来一“堆”。
第一：钠冷快堆。
没错，把核燃料泡在金属钠里！高中化学没忘的同学肯定开始慌了，还别说，钠堆是最主流的快堆，中国第一座快堆也是钠冷堆，2010年运行，用了260吨金属钠，这在同行里算少的。金属钠的导热性比水好太多了，所以功率大增！
纵然金属钠千好万好，可毕竟还是金属钠！堆芯的工作温度在500°C以上，几百吨高温熔化的金属钠，想想就慎得慌，这对冷却系统的要求非常高，没绝对的工业实力，还是别碰了。后果请参考日本文殊堆。
第二：铅冷快堆。
应该叫“铅基快堆”更严谨，冷却剂用的是铅铋合金。这得益于中科院某团队，“聚变堆”的铅锂冷却剂也是他们搞的，反正他们擅长用各种铅基材料导热！
铅不怕空气不怕水，这尼玛比“金属钠”可爱太多了！铅基冷却的难点是非常容易腐蚀包壳和结构组件材料，这玩意儿能直接把金属溶解了，就好像用盐块去盛沸水。再想想那个可怜的泵，要不断倒腾滚烫熔化的液体铅，先抽出来烧开水，再抽回去冷却堆芯……
正当美帝、毛子、脚盆削尖脑袋防腐蚀的时候，兔子突然推出了铅冷快堆：核能宝！这尼玛是要把核能当白菜卖吗！美帝别怕，这“核能宝”功率不大，几千到一万千瓦左右，也就驱动几千台立式空调，体积有集装箱那么大，功率密度不高。不过，未来提升空间还是有的，铅铋冷却回路是关键，目前估计是冷却剂自然循环，如果那个驱动液态铅的泵做好了，功率就还能提高，甚至超过钠冷堆。
铅冷快堆，兔子冷不丁又冲到了第一名，这个成熟度到底如何，就看兔子敢不敢真用了。现在虽然功率小点，但1个不够可以放2个、3个，像离岛这些地方还是很方便的。怎么用？你没看广告吗？“想去戈壁荒滩煮茶叶蛋吗？想去南海诸岛看潮涨潮落吗？想到海上钻井平台捞石油吗？……赶快扔掉那些柴油发电机吧！核能宝，你的不二之选！”
博学的同学肯定要问前苏联的铅铋冷却核潜艇了，大毛的粗线条你还不了解吗？当年为了和美帝对飚，压根没解决铅腐蚀的问题，一路开一路泄漏，爆炸不断，那真是魔鬼之旅，死了不少人，最后没辙，全扔海里去了。
第三：气冷快堆。
不用说，肯定还是氦气，惰性又耐高温，但导热功率小，只能作为备选堆型，也是最没前途的快堆。注意和前面石墨气冷堆的区别，那是热堆，这是快堆。
看完热堆和快堆的原理，大家肯定很蛋疼，大名鼎鼎的“核动力”，居然最后都要靠“烧开水”发电，当年知道真相的我，也是眼泪掉下来。有没有办法能不干“烧开水”这个苦差？有的，隆重有请“塞贝克效应”登场！
塞贝克效应，两个不同的导体或半导体靠在一起时，如果有温度差就会产生电压，相当于一个电池。于是大家很开心，利用这个原理，制造了：
温度计！！
就是温度计！尼玛太暴殄天物了，这么好的原理，你居然就做了个温度计！这货还有一个名字叫“热电偶”，这下认识了吧？电子温度计都是这个原理，根据电流大小计算温度，能测量近3000度的高温，酒精和水银温度计真是拍马难及啊！
热电偶已经被玩成地摊货了，大家都觉得不过瘾，于是又搞了个“放射性同位素热电机”，虽然叫电机，实际就是个电池。原理很简单，先把热电偶搞成一个阵列，用不停发热的核燃料，只加热一边的电极，让两边形成温度差，于是就有了电。
咱捋一下哈：
传统核反应堆发电机：核能—> 热能—> 热能—> 机械能—> 电能
放射性同位素热电机：核能—> 热能—> 电能
赚到了，有木有！只要2步啊！为啥还不上天呢？
这还用说嘛，肯定又是功率不足嘛。不加冷却剂的核燃料，你敢让他太热了？太热了电极也受不了哇？只能放一些温度不高的存货，一般用钚238，这种电池最多就几百瓦（几台电脑的功率），但可以用上几十年，在阳光不足的深空卫星、好奇号火星车、毛子以前竖在无人区的灯塔，反正轮不到你的汽车、手机用。这玩意儿还死贵，就这么个几十公斤的电池，足够在帝都随便挑房子了。
难道，真的就没有希望了吗？有请万能的淘宝！
美国City Labs实验室号称开发了氚电池，能用20年。氚不会裂变，但会衰变，氚的β衰变只会放出电子而没有致命辐射，对人体是安全的。电的本质就是电子的移动，所以可以直接把飞出的电子用来发电。一看这原理，就不想提功率了，大家自己看吧。提醒一下，电压乘电流就是功率。
在当前的科学体系内，想直接把核能变电能的，都歇菜吧！等物理学家突破基础理论再动手。人类在捣腾的那个“聚变发电”也是烧开水，只不过是换成聚变来烧而已。
说句正经话，发达国家核电比例有百分之好几十，中国不到5%，从中国核电技术发展的趋势看，未来肯定会大力推广核电。如果你家周边刚好有核电厂，了解它的工作原理还是很有意义的。
对于核电危害的认识，一定要注意：浓度决定毒性。人体比大家想的要坚强，地球人本身每天都在接触各种化学污染、病菌、电磁辐射，数量少是构不成毒性的。
咱来看几个核事故案例，可引以为鉴。大核民族跟“核”真的很有缘，为我们提供了很多难得的活生生的核事故案例，咱都应该心怀感恩。
2011年日本福岛核事故被定为最高的7级，和切尔诺贝利事件同级。很多人光知道是地震惹的天灾，却不知道背后的人祸。
因为钱的问题，起初选址从山上改到了山下。因为钱的问题，防波堤只做了5米高（这里发生过15米高的海啸），到后面你就知道这有多作死了。因为钱的问题，福岛沸水堆的建造非常简单，反应堆外面加个简单厂房而已。福岛就这样裸奔了15年，直到1986年切尔诺贝利事件，才意识到要加个安全壳。
因为钱的问题，安全壳仅仅加了一层钢筋混凝土，这乌龟壳和安全壳是两码事，没有喷淋系统、气体交换系统等一系列结构。美帝的三里岛核事故就是因为安全壳，最后仅3人受到略高于半年容许剂量的照射。
福岛整整裸奔了40年，好运终于耗尽，硬件问题和管理问题联袂而至！
当时地震后，控制棒插入堆芯自动停堆，反应堆发热不足原有水平的10%，对冷却系统要求不高，看起来万事大吉。1小时后，15米高的海啸轻松越过防波堤，这下尴尬了，发电厂没电了！不知哪个脑残把柴油发电机设置在地下室，全泡水里了，厂外应急电源也被海啸全推倒了，四道电力保障措施毁了三道，冷却系统仅仅依靠备用蓄电池。
蓄电池能支撑8小时，其实这个时候情况还不算棘手，毕竟还有8小时。电厂立马向东京电力公司总部求援，要求紧急调拨柴油发电机，十万火急那种急！东电总部的主管一片茫然，因为根本没有预备移动应急发电机。十万火急的报告，东电总部打了1折，缓缓向政府求援：目前情况尽在掌握，但能不能调几台发电机过来？政府就没太当回事，指定关西电力公司支援福岛核电厂。
8小时后，当支援队伍晃晃悠悠走在路上的时候，福岛电厂彻底没电了。冷却系统彻底停机，接下来就按剧本走了：堆芯内水温升高至沸腾，高温高压的蒸汽开始突破堆芯的一些薄弱环节，向厂房内泄漏；冷却水位随着蒸汽外泄不断降低，最终堆芯裸露；燃料棒没有冷却水包裹，很快把自己熔化随着蒸汽在厂房里飘荡；同时高温使得锆外壳发生锆水反应生成氢气，氢气很快达到了爆炸极限浓度。此时，就差一点火星了。
最奇葩的是，核泄漏多是因为对堆芯情况一无所知而发生的，但福岛工作人员对三台机组内的事情一清二楚。在尚未发生泄漏的时候，现场工程师就向管理层建议，使用海水冷却反应堆，但这样做，数亿美元的机组就彻底报废了，东电公司心痛，犹豫不决。于是，现场人员就眼睁睁看着事故发生。在所有环节中，只要有一个人敢于打破规矩，擅自决定用海水冷却，完全可以避免这场惨剧！
应急发电机运到后，因缺乏训练，费半天劲才接好电源接口，此时距离断电有几个小时了，反应堆内已经全是蒸汽，压力太高，水注不进去。怎么办？只能泄压了，就是把放射性蒸汽直接排到大气里，一次不行就两次，两次不行就三次，一直泄到能注入冷却水为止。节操的事情就不提了，反正脚盆公关水平一流。
因为钱的原因，福岛没有装消氢装置，这可是核电站的标配。求援人员很快检测到厂房内充满了氢气，直接把人全吓跑了。氢气的耐心是有限的，终究还是爆炸了，把厂房全掀了。事已至此，这大粪坑算是彻底没救了。
因为钱的原因，这粪坑就一直这么敞着，为了冷却反应堆，天天往里面灌海水，于是天天就有几百吨放射性污水渗入地下、流入大海。
现在来看，脚盆让海水冲刷污染虽然相当无耻，但很经济且有效。远距离稀释后倒无所谓，多关注环保部的监测数据便可。但福岛周边就悲剧了，已经进化出了奥特曼，还有奥特曼鱼、奥特曼水果等等，一些奥特曼二手车和奥特曼食物也流入了市场。
福岛核事件充分体现了日本社会和文化的特点，甚至隐约能看到阶级板结的弊端，感兴趣的朋友可以深度挖掘一下，在下愿尽绵薄之力。
福岛属于沸水堆，沸水堆本身就容易泄漏，脚盆有30座沸水堆，24座压水堆。在地震多发地带建那么多沸水堆，实在不知道当初规划者怎么想的！（难道又是我党优秀的敌后工作者？）大家记住福岛这个位置，脚盆的旅游胜地、水果之乡，那边奥特曼多，能躲就躲着点。
日本文殊反应堆，又是一作死代表。文殊堆是钠冷快堆，能产生钚239，这是茶叶蛋极好的佐料，作为一个国家，脚盆想改善伙食的愿望我们都表示理解，但你也得有副好牙啊！结果运行250天就出事了，某温度计因设计缺陷而折损，液体钠通过温度计的管子泄漏到系统外，引发了火灾。无奈只好停了，修修补补15年。
2010年重启文殊堆，结果一个堆内中继装置（抓取燃料棒的机械手）掉落到堆芯。我想当时负责人把手剁下来的心都有了，宁愿天天跳茅坑啊！这尼玛有多麻烦呢？3.3吨的大铁块，从2米高跌落，直接砸在反应堆最核心的地方，胆小的同学千万不要想象当时的场景，心颤~，然后控制棒被卡住，这个暖宝宝停不下来了。
那快把机械手拿出来啊？几百吨的高温金属钠，谁敢掀开盖子！机械手不拿出来有什么问题啊？无法修复可能受损的控制棒，反应堆一直处于高功率发热状态。不能等它自然冷却吗？可以的，快堆的特点是钚239越烧越多，等上几万年就行。那咋整啊？关键就是冷却系统，千千千万万万不能让堆芯的温度上升。这麻烦吗？文殊堆的故障率本来就高，不然也没这么多波折了，据说前段时间就剩一套冷却系统还在工作，差点出事，只能不断打补丁。
出了事故之后，脚盆对此讳莫如深。据路透社报道，后来机械手是取出来了，但炉子的损坏程度就天晓得了。文殊堆原本寄予厚望，号称解决日本未来1000年的能源问题，花了1万亿日元近30年时间修建的。扔掉还是可惜的，还是运行试试吧。一开始20%功率开机，没事！30%？还行！40%呢？还没事！一咬牙，50%功率！哎呀妈呀，这事吓死人了，于是负责人上吊自杀了，然后一帮人混吃等死中。
日本原子能研究开发机构调查，“文殊”逾期未检设备的数量累计已达约1.2万件，守着这么一个妖孽，难怪人上吊了。要不还是拆了吧？掐指一算，报废“文殊堆”需要30年约3000亿日元。那还是别拆了吧？不拆也可以，每年200亿日元的维护费，不然后果只会比福岛更惨！
咱帮japan理一理头绪：花1万亿造30年，弄了个不定时炸弹，又得花3000亿拆30年，不然每年还得花200亿的维护费。作为友好邻邦，咱赶紧帮忙想想办法啊！
按理说，脚盆是以严谨著称的，可不知为啥，整个核电产业管理得一塌糊涂，事故频发。想减肥的同学可以搜索“东海村临界核事故”，吃不下饭别找我麻烦啊！
有一点得申明，看别人的错误，不是为了嘲讽，而是为了自省！
当然啦，无论怎么样，外国的月亮肯定比中国的圆，你兔子劳民伤财搞核反应堆，看我洋大人，13岁就秒杀尔等！快颤抖吧~
最后用洋大人压轴！公知说，洋大人在玩弹丸的时候，找到了灵感，成功使氢原子相互碰撞（吓尿了！有木有！），并在教室中建立起一个核反应堆，然后，借机讽刺了一下像我这种只会死读书的呆子，让我羞愧的低下了头。
