我们都会烧水，但是核电站烧的水和我烧的水有什么区别呢？

自1954年世界上第一座核电站建成以来，核电站一直被认为是人类和平利用核能的典范，至今已有60多年的历史。发展核电对于保障能源供应和安全、保护环境、优化电力工业结构等都具有重要意义。但另一方面，广大民众对核电站的了解并不多。网上有一句话叫核电站是“开水”，甚至有人认为核电是带了“盖子”的原子弹。事实真的是这样吗？

△福清核电站遗址（摄影／蒋建平、蒋春晖）

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裂变：核电站的基础知识

核裂变又称核裂变反应，是指一个重原子核（主要是铀核或钚核）分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应。早在1938年，德国科学家奥托·哈恩和他的助手斯特拉斯曼在实验中发现了核裂变现象，这标志着人类利用核能的开始。

当核素铀235的原子核受到外界中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子，分裂成两个质量较小的原子核，同时释放出2-3个中子，这些中子又会轰击其他铀235原子核，引起新的裂变，如此循环往复，发生链式裂变反应。

链式反应最大的“优点”就是能产生大量的热能。对于现代人类来说，这种热能最直接的利用就是发电。1942年，美国科学家费米等人建成了世界上第一座人工核反应堆；1954年6月，苏联在莫斯科郊区的奥布宁斯克建成了世界上第一座向工业电网供电的核电站——奥布宁斯克核电站。

核电站是如何运作的？以最常见的压水堆核电站为例，由铀制成的核燃料在反应堆中发生裂变，释放出大量的热能；高压循环冷却水将热能取出，在蒸汽发生器中产生蒸汽，推动涡轮旋转，从而产生电力。

除压水堆核电站外，全球还有沸水堆、重水堆、高温气冷堆和沸水反应堆等核电站。沸水堆只有一条回路，省略了蒸汽发生器，比较简单，有时与压水堆核电站一起被称为“轻水堆”。重水堆是以重水为慢化剂的反应堆，可直接使用天然铀作为核燃料。

高温气冷堆产生的热量由氦冷却剂带走，具有安全性好、出口温度高的特点。快堆核电站直接利用快中子引起链式裂变反应，具有不需要慢化剂、体积小、功率密度高等优点，是目前国际核能界最成熟、最有发展前景的先进堆型之一。

△ 快堆核电站示意图

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通过回路进行能量转换

高温气冷堆和快堆被认为是下一代核电站的主要技术，但目前全球应用最广泛的主力堆型仍然是压水堆。数据显示，全球在运核电站有440多座，其中大部分为轻水堆。我国已投运和即将建设的核电站绝大多数也是轻水堆。

那么，压水堆核电站是如何工作的呢？它如何将核能转化为电能呢？

一般来说，压水堆核电站有两条回路，其中一条回路是核电站的核心，相当于火电厂的锅炉，在这里发生核裂变反应后，产生巨大的热量，把高压水加热到300℃以上。

因为涉及放射性物质，为了保证安全，核电站使用的核燃料都被包裹在特殊的燃料包壳内。整个一回路系统也都安装在一个叫做安全壳的封闭厂房内。核电站图片中的“大壳”就是这个封闭厂房。安全壳可以在核电站发生事故时，最大程度地保护公众和环境不受影响。

二回路系统即汽轮发电机组系统，由蒸汽系统、汽轮发电机组、凝汽器、排汽系统、给水加热系统、辅助给水系统组成。二回路的水通过蒸汽发生器吸收一回路蒸汽的热量，变成饱和蒸汽推动汽轮机发电，然后进入凝汽器，经冷却后，经给水泵进入蒸汽发生器。

有时核电站也将冷凝器的冷却回路称为三级回路，该回路利用冷却水源对二级回路中的水进行冷却，三级回路将废热转移到环境中。

不难发现，核电站的两、三条回路独立运行，相互隔离，只有一条回路中的冷却剂具有放射性，第二、三条回路中的水不会对生态环境造成任何影响。

△全球首座“华龙一号”核电机组福清核电站5号机组现场（图片来源：中国核电有限公司）

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核电站只是“烧水”吗？

长期以来，核电站的工作原理在网络上被形象地比喻为“烧开的水”。这让很多人感到奇怪：核能这种颇具科幻感的黑科技，为何会被冠以烧开水的名称呢？

其实，从设备角度看，核电站的反应堆就相当于火电厂的锅炉。而从具体方式上看，核裂变产生的热量用来“煮沸”水，推动蒸汽轮机工作，将热能转化为电能。这和燃煤电厂将燃煤产生的热能转化为电能的方式没什么区别。

但从燃料角度来看，二者有着本质区别，核电主要利用燃料裂变能，火电利用化学能，后者单纯用煤或其他化石燃料烧水，效率低下，污染严重，而前者通过核裂变反应和回路设计传递热量，能量密度极高。

例如，一座发电量为100万千瓦的发电站，如果采用燃煤发电，每天约需消耗7000至8000吨煤炭，一年约需消耗300万吨煤炭；而核电站消耗的铀燃料仅为煤炭的二百七十万分之一，一年仅消耗约1.5吨铀或钚燃料，而且一次燃料更换后，即可满功率运行数月甚至数年。

因此，用“沸水”来形容核电站并没有什么错，但正是这个“燃烧”的过程，才使得核电站非常具有高科技，也是人类利用能源的一大进步。

△全球首台“华龙一号”核电机组5号机组反应堆压力容器成功引入（郭东海 摄）

另一方面，核电站也非常安全，不会像原子弹那样爆炸。这是因为，虽然两者的燃料类似，都含有铀235或钚239，但它们的含量差异巨大。原子弹的含量高达90%，因此可以释放出巨大的力量来摧毁一座城市，但核电站的含量只有3%左右，就像酒精和啤酒的区别一样。

此外，核电站对选址、设计、建造、调试和运行都有着严格的要求，每个阶段的每项具体活动都有单独的质量保证要求，对人员的培训也非常严格。如果遇到自然灾害等情况，核反应堆可以安全关闭，而不会对当地居民和自然环境造成危害。

（本专题由北京科技报、中核集团宣传文化中心联合策划）

制作方：科学中央厨房

出品：北京科技报 | 科普客户端