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铀 235 为啥这么珍贵?仅占天然铀 0.7%,核电站靠它发电?

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很多人对核电站既向往又警惕,既想靠它解决用电难题,又担心核泄漏的风险。核电站到底是怎么运行的?安全性能否得到保障?

铀原子核由 92 颗质子和 143 颗中子组成,看起来就像一颗米花球。我们都清楚质子带正电,同性相斥,是什么把这些带正电的质子粘在一起?答案是强核力。这种力比电磁力强 100 倍,就像米花球里米花之间的糖,把质子和中子紧紧捆在一起。

可惜强核力的作用距离很短,原子核越大,胶水的粘性就越差,随时都可能散架。如果再有一颗中子撞进来,原子核就会被撞成几部分,同时甩出几颗中子。裂开的原子核粒子更紧凑,会释放出强核力的势能,这就是核裂变。



甩出的中子如果撞上其他铀原子核,就能触发新一轮裂变,释放更多中子,裂变的原子核数量指数级增长,能量也跟着指数级暴涨,这就是链式反应。原子弹和核电站,本质都是利用这种反应。

不过引发链式反应有两个限制条件。第一,不是所有铀原子核都能裂变。我们说的铀 235,只有 92 颗质子和 143 颗中子,占天然铀的 0.7%,剩下的都是更稳定的铀 238。铀 238 捕获中子不会裂变,只会变成镎 239 再衰变成钚 239。

第二,快中子不会被铀 235 抓住,只有慢下来的中子才能触发裂变。铀 238 捕获慢中子的速度比铀 235 更快,就像博尔特比普通人更容易抓住跑累的狗。



17 亿年前的加蓬奥克洛铀矿,当年铀 235 丰度有 3%,地下水渗进去当慢化剂,链式反应持续烧了十几万年,是天然的核电站。

要建核电站,首先要提纯铀 235,把丰度提高到 3%-5%,这样裂变产生的中子才能持续撞击其他铀 235。但快中子容易被铀 238 捕获,所以需要慢化剂让中子慢下来,最常见的就是水。

水里的氢原子核只有一颗质子,轻得像乒乓球,中子撞上去会带走大量动能,速度就慢下来。把铀燃料泡在水里,裂变产生的快中子就会被水变慢,重新飞回铀块引发更多裂变。



但这样反应会失控,每颗铀 235 裂变会放出两颗以上中子,中子数会指数级增长。我们需要吸收多余的中子,比如用银铟镉合金、碳化硼做控制棒,插多插少就能控制中子数量,反应烈度就能稳定下来。

核燃料棒要做成二氧化铀陶瓷块,装进锆锡合金管,再捆成束放进压力容器。压力容器里装满水,一回路水被加热后通过蒸汽发生器加热二回路水,产生蒸汽驱动涡轮发电。为了避免水带放射性,一回路和二回路是封闭隔离的。

普通水沸点 100 度,压水堆会把一回路加压到 155 个大气压,沸点升到 345 度,二回路压力 69 个大气压,285 度就能沸腾,用一回路的热水就能把二回路的水烧开发电。



很多人担心核电站会爆炸,但核电站核燃料的丰度永远达不到武器级,绝不会发生核爆炸。核电站铀 235 丰度只有 3%-5%,原子弹需要 90% 以上,就算失控也只会引发普通爆炸,把放射性物质扩散出去,这就是核泄漏。

历史上最严重的两次核事故,切尔诺贝利用石墨做慢化剂,存在正反馈,温度升高水蒸发,吸收中子减少,反应更剧烈,加上控制棒底部用石墨,插入时反而加剧反应,最终引发爆炸。福岛则是停堆后余热没得到冷却,海啸断电后水泵停转,水蒸发干后锆合金和水蒸气反应产生氢气爆炸。

这两款都是上世纪的老反应堆,现在的第三代压水堆已经解决了这些问题。第三代压水堆自带负反馈,天生趋向稳定:功率变大水温升高,水分子膨胀,慢化效率下降,反应自动减弱;水沸腾的话慢化效果更差,反应堆会直接熄火。



第三代堆的安全系统不靠人工电力,应急水箱靠重力供水,余热换热器靠空气对流散热,就算全场断电,也能自己冷却 72 小时。安全壳里还有氢复合器,把氢气变回水,不会积累到爆炸浓度,还有双层安全壳,把堆芯完全锁住。

目前第四代反应堆更安全、更高效,燃料利用率更高,中国在这个领域处于领先位置。按每万亿度电计算,核电事故伤亡比煤电低三个数量级,煤电每年因为空气污染和事故要付出 2 万多人的代价,核电就算加上切尔诺贝利和福岛的估算,伤亡也要少三个数量级。

核电站不是绝对安全,但相比其他能源,它的安全系数已经非常高,随着技术进步,只会越来越可靠。

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