這是科學世界雜志的一期專欄。很難得有這么詳盡介紹核電機組的科普作品，最難得的是配了多幅極難見到的反應(yīng)堆內(nèi)部構(gòu)造照片。沒辦法，工科出身的人，看到這類作品就忍不住，就像敝號推介過的《大型噴氣機的飛行》、《未了的傳奇：波音747的故事》、《我是怎么設(shè)計航空發(fā)動機的》，包括近期的《原子彈秘史》，說不定將來還會有火箭發(fā)動機原理之類的介紹，權(quán)當好玩，各位好文史的也可借這么幾分鐘機會了解一個機械的世界。
我國雖然掌握核技術(shù)較早，包括核電站也建得很早，但實際上，能稱得上真正有自主知識產(chǎn)權(quán)和全產(chǎn)業(yè)鏈的，還只有2015年建成的華龍一號核電站。即便是有了自主知識產(chǎn)權(quán)，完全自主的部分，也只有88%。——這也是為什么本人還是更喜歡與工科人士打交道的原因，拿圖紙榔頭和扳手要做出東西來的人，得分清什么是實在的，什么是宣傳的。
華龍一號的首席科學家邢繼說，其實直到2015年，我們才算能說打破了核技術(shù)壟斷。此前我們中學教科書上“自主研發(fā)和管理運行”的大亞灣核電站，其實全套都是買進來的，連水泥和電話線都從法國進口；能沾得上“自主”二字邊的嶺澳核電站，其實是土建工程自主設(shè)計。所以邢繼說，不能光喊口號，關(guān)鍵是提升自身能力，承擔責任，保持好奇心。——保持好奇心！
我國目前的核電站分布
發(fā)現(xiàn)了五夸克粒子和雙粲重子的實驗物理學家高原寧院士說，高能粒子物理研究領(lǐng)域的國際開放和合作程度是旁人難以想象的，以至于他認為在全球化遭遇政治經(jīng)濟挑戰(zhàn)的時候，大科學合作可能會是唯一能幸存的領(lǐng)域。不過，他也和邢繼一樣，認為阻擋我們進步的，是好奇心與探索宇宙的夢想的湮滅。
說實話，不去了解不知道，近二十年來，涉及基礎(chǔ)性、根本性問題的微觀粒子領(lǐng)域研究，尤其是亞原子領(lǐng)域（那18種各種各樣的“子”），量子力學，日本科學家一直處于全球領(lǐng)先水平，他們在這些基礎(chǔ)領(lǐng)域拿了六個諾獎——小柴昌俊發(fā)現(xiàn)中微子，梶田隆章證實中微子有質(zhì)量，小林成和益川敏英發(fā)現(xiàn)了6種夸克，南部陽一郎推進超弦理論——嚇不嚇人？你可以說拿諾獎有鳥用，咱們有舉國體制，小日本遲早完蛋哈哈這類愛國壯語，但你稍稍能安定下來讀兩篇科學家寫的技術(shù)問題文章，就會知道什么叫科學面前來不得半點虛假。精神意志、組織體制，這些“軟件”畢竟是需要依托技術(shù)條件“硬件”才能發(fā)揮作用的?？v觀新中國科技發(fā)展史，我國真正工業(yè)和實用意義上的技術(shù)突破，主要發(fā)端于經(jīng)濟實力快速發(fā)展的上世紀九十年代，沒有別的巧，有錢有設(shè)備了。光喊精神和主義，忽略實際的后果，新中國建國之前有刀槍不入的義和拳，建國之后有超英趕美大煉鋼鐵，我們不是沒有嘗試過。
此前科學世界上還有一篇對中國天然氣之父——戴金星院士的訪談，戴院士說：我國經(jīng)常宣稱“地大物博”，其實困難很多，油氣資源不論在條件上還是量上都很不足，很多時候各種勘探成果也只是說資源量，實際能工業(yè)開采的也不多。比如，美國開采的頁巖氣區(qū)域有二十多個，關(guān)鍵是地層儲存條件還非常好，我國能開采頁巖氣的區(qū)域只有一個，還在斷層眾多、地震頻發(fā)的四川盆地。所以說，我國在能源上長期依賴進口的形勢不會輕易改變。
國家戰(zhàn)略的重大項目也好，資本市場那些一年一變的技術(shù)風口也好，一堆投資人成天問下一個風口在哪從來不問之前那個風口咋樣了也好，只要摻雜了半點虛假，最終必定是一地雞毛，這些例子，從90年代初到今天，實在是太多了。在現(xiàn)有的政治經(jīng)濟環(huán)境下，扎實做點事確實很難。
言歸正傳。
核電機組發(fā)熱的基本原理，其實在敝號之前推介的五篇《原子彈秘史》中已有十分詳盡的介紹，就是鈾235核裂變的原理和過程。
從華龍一號的反應(yīng)堆來看，目前的核反應(yīng)技術(shù)并沒有發(fā)生質(zhì)的改變：以鈾235為燃料，以鈹和锎（第一顆原子彈用的是鈹鈀）為中子發(fā)生器——啟動鏈式反應(yīng)，首先需要啟動的中子來轟擊鈾235原子；鈾235原子被中子擊中，分裂為兩個新原子，同時釋放新的中子，原子核裂變之后，兩個新原子的質(zhì)量之和小于鈾235原子，產(chǎn)生質(zhì)量虧損，這點質(zhì)量虧損就轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來，新產(chǎn)生的中子又擊中其他鈾235原子，這就是鏈式反應(yīng)。
燃料棒和控制棒，控制棒就是中子發(fā)生器，通過移動控制棒來控制中子數(shù)量
顯然，對于反應(yīng)堆來說，最重要的，就是對鏈式反應(yīng)的控制，不實施控制，那基本就是核爆。實施控制，讓熱能有節(jié)奏地產(chǎn)出，就成為能源。
控制的方式無非是兩個，其一是控制中子產(chǎn)生數(shù)量，其二是控制鈾的臨界質(zhì)量。在實際的反應(yīng)堆設(shè)計上，已經(jīng)實現(xiàn)了合二為一——通過分割包裝核燃料，達到增大外殼鋯合金吸收中子的要求，并且以中子發(fā)生裝置為控制棒，通過增加和減少中子發(fā)射數(shù)量來控制核反應(yīng)。
文章中提供了極為少見的最新核燃料組件的照片和排列組合方式。華龍一號用的CF3燃料組件，采用的是方陣排列17×17，264根燃料組件捆綁在一起。其后，177組這樣的CF3方陣燃料，組合排列成一個正六邊形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成反應(yīng)堆的堆芯。
很難得的現(xiàn)場安裝堆芯的照片，星型架就是用來提升和下降控制棒的
排列組合非常重要，要確保整個堆芯都能均勻受到中子擊發(fā)，均勻發(fā)生裂變反應(yīng)。如果所有陣列的核燃料富集度都一樣，大家可以想象得到，毫無疑問那堆芯的中央部分是反應(yīng)最劇烈的，那就會造成中心區(qū)域過熱，對安全不利，也造成不必要的損耗。所以，燃料棒外形一樣，但里面的燃料富集度是不一樣的，而且堆芯排列必須按照不同的富集度進行排布，這叫——功率展平。可以想象得到，在堆芯中心區(qū)域，燃料棒的富集度最低，最高富集度的燃料棒肯定是在外圍。
排列組合的重要性，三年前敝號給大家推介過的《硅谷鋼鐵俠》馬斯克做特斯拉電池組的時候也有過提及，電池組的能量均衡性以及安全性，全在于電池組的排列組合方式。
燃料棒就是氧化鈾，也就是鈾235，被加工成一節(jié)一節(jié)的柱狀，然后用鋯合金管進行包裹，扎成束，成為燃料組件。有趣的是，這個階段的燃料棒，放射性是很小的，人可以拿在手里。
一節(jié)一節(jié)的氧化鈾——鈾235燃料棒
啟動反應(yīng)堆，也就是把鈹锎控制棒——中子發(fā)生器，沉降至燃料組件中間，讓中子四面八方地發(fā)射出來，擊發(fā)組件中的氧化鈾棒，開始反應(yīng)。反應(yīng)堆啟動后，會發(fā)出幽幽的藍光，即所謂“切連科夫輻射”，浸泡在冷卻水中的堆芯發(fā)出的粒子，速度超過了水中的光速（光在水中的速度只有正常光速的75%），由此發(fā)出來的一種電磁輻射。
被鋯合金外殼包好的燃料棒
鈾235在裂變之后，會變成不同的原子，而且由于分裂方式多種多樣，可能會產(chǎn)生不同的裂變原子。比如，分裂為銫137原子和銣95原子，也可以分裂為碘131原子和釔103原子，然后再在各自基礎(chǔ)上繼續(xù)放射衰變，銫137釋放電子即β射線，變成鋇137，銣95釋放β射線，變成鍶95等等。當鈾235衰減到只剩下1%的時候，就變成了廢料——乏燃料，經(jīng)回收之后就成了核廢料。核廢料有很強的放射性，而且很持久——钚239的半衰期為2.4萬年，銫137半衰期有30年，差不多要經(jīng)過10萬年之后，這些廢料的放射性才會降低到安全水平。
微觀的裂變
再有，也就是因為這種放射性的安全性問題，導致核電站的發(fā)電效率要低于常規(guī)的火電站。一般而言，核電站發(fā)電效率為30%，火電站效率可達40%。為什么呢？因為核電站也是通過加熱水，用高溫高壓的水蒸氣驅(qū)動發(fā)電汽輪機來發(fā)電的，而熱水也不能是直接由堆芯加熱，堆芯加熱的對象是內(nèi)部封閉運行的“一回路”水——硼酸水，這種水不能外泄，因為直接接觸核燃料，有很高的放射性。加熱到320攝氏度的硼酸水，通過熱交換管道，把管道中的“二回路水”——這才是正常的水，加熱加壓，這個二回路水才會變成蒸汽去驅(qū)動發(fā)電汽輪機。所以，核電的熱量是經(jīng)過了兩輪傳遞，其間的熱損耗顯然就大了。效率當然也就低了。
反應(yīng)堆的三個回路
下面簡要敘述核電機組的結(jié)構(gòu)。其實核心就是三個回路，前面說過的，一回路，就是圍繞著反應(yīng)堆的冷卻水——硼酸水，就是溶解了硼酸的高純水。硼原子有較大的中子吸收面，所以也是一種很好的安全防范網(wǎng)。硼酸水在核反應(yīng)堆中大量使用，常常使得反應(yīng)堆看起來藍幽幽的，其實是光線在硼酸水中折射出來的效果。硼酸水接觸到了反應(yīng)堆的熱量，被加熱到150個大氣壓和320度高溫，然后被泵到蒸汽發(fā)生器里。蒸汽發(fā)生器就是硼酸水與“二回路水”交叉換熱的地方，在這里，二回路水被加熱到280度高溫，變成蒸汽被送到汽輪機里。三回路則是從大海中取水，以及冷卻二回路水的過程。
核電站全景（有趣的是，我上傳了五次照片，都自動跳沒了，智能！）
從安全性上來講，最重要的其實是選址，大部分核電站都要選擇在地震較少的地方。不過，現(xiàn)在的核電站抗震強度都很高，比如華龍一號，可以抵抗9級地震強度，整個核電站都可以隨著地震上下左右擺動來化解震動力量！從福島核電站事故來看，地震并沒有影響，出事的是地震后引起的海嘯，海水使得福島核電站中的安全設(shè)施失靈。所以，華龍一號選擇的福清這個地方，也是基本沒有海嘯發(fā)生的地方，而且還做了應(yīng)對海嘯的地質(zhì)工程。
其次是防恐怖襲擊。核電站也都建得跟碉堡一樣堅實，可以抗住飛機撞擊和常規(guī)爆破的襲擾。
再次才是反應(yīng)堆內(nèi)部設(shè)計的安全性，這些倒是都沒有什么有趣的地方。
