526：手把手，教你造核电站！
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原来是这样原来是这样原来是这样欢迎来到原来是这样各位好我是徐东说起核能可能很多人的第一反应就是核武器核泄漏核辐射像是切尔诺贝利福岛核事故等等等等都给全世界留下了深深的阴影感觉呢它就像是一个力量强大但又极其危险的潘多拉魔核

但我们也都知道人类之所以会冒着巨大的风险也要去探索原子核深处的奥秘实在是因为那里蕴藏的能量太过于惊人太过于诱人了一小撮核燃料完全转化后释放的能量就可能超过一座大型的煤矿

这种能量密度对于我们今天面临的能源和环境的双重挑战来说无疑有着极大的吸引力于是呢很多朋友喜欢乐见的手把手系列又上新了这一次呢我们就试试看如何建造一座核电站吧不过在正式开始建造之前我们还是要花一点时间了解一些底层的原理这其中呢就有一个绕不开的名词核裂变

核裂变按照字面意思就是想办法把这个原子核给分裂开来从而获取其中的能量但是原子核不仅极小还极其致密而且还被强大的核力给紧紧的粘在了一起非常的稳定

想要把它给劈开来就需要用同样来自于微观世界的特殊子弹去轰击而人类认识到这个方法的全过程本身也是一部充满了探索意外甚至误解的科学史稍稍回顾一下吧

20 世纪初的时候卢瑟福利用α粒子散射实验知道了原子有一个带着正电质量几乎集中在中心的原子核然后这位核物理学之父还不满足继续用他的拿手好戏α粒子也就是氦原子核去轰击其他原子 1917 年他用α粒子轰击空气当中的氮原子结果发现氮原子

居然被打成了氧原子而且还额外释放出了一个质子这简直是石破天惊啊氮变成了氧元素都变了古代炼金术是梦寐以求的点石成金它所隐含的物质转化的方法就这样被卢瑟夫用α粒子给实现了

这其实也是人类历史上第一次人为诱导的核反应证明了原子核并非不可改变这其实也就开启了用粒子轰击原子核来研究其内部结构和反应的大门

后来科学家又造出了粒子加速器用能量更高的子弹去敲打原子核感觉他们就像是找到了一把能够打开原子核这个盲盒的钥匙开始对着各种原子核突突突地去扫射就想看一看到底能够开出什么样的隐藏款来而在这些子弹当中有一种很快就脱颖而出成为了探索原子核最有力最有效的武器他的发现直接就为后来的核裂变铺平了道路

这就是 1932 年由英国物理学家查德威克发现的中子为什么我们说中子是扣开原子核的万能钥匙呢关键就在于它不带电你想啊原子核带正电你用同样带正电的α粒子或者质子去轰击它就会受到强大的所谓同性相斥力还没靠近可能就被弹开了而

而中子它不带电就能够像个幽灵一样轻松地穿过原子核外面的电子云也不受电子核正电荷的排斥直接就溜达进原子核内部去可以说是畅通无阻中子的发现立刻就被敏锐的科学家们视为轰击原子核的理想炮弹意大利的物理学巨匠费米就是其中的佼佼者

1934 年开始飞迷和他的团队开始系统地用中子去扫射元素周期表里的各种元素他们一路是打到了当时元素周期表的终点站第 92 号元素也就是最重的天然元素油当他们用中子轰击油的时候发现产生了一些新的具有放射性的物质

费米分析之后认为他们可能人工合成了自然界并不存在的 93 号甚至 94 号所谓的超油元素而他也因为这个发现获得了 1938 年的诺贝尔物理学奖但有趣的是他获奖的主要理由可能是搞错了当时就有一位名叫伊达诺达克的德国女化学家对费米的结论提出了质疑他的胆子很大在论文里直接写道

似乎可以设想当用中子轰击重核时这些核会碎裂成几个大块这跟后来发现的裂变现象一模一样可以说是太有先见之明了可是当时几乎没有人把他的话当回事

与此同时在德国柏林由化学家奥托·哈恩物理学家利泽·麦特纳和化学家弗里茨·施特拉斯曼组成的顶尖团队也在用更加精密的手段重复费米的实验但当时的历史背景大家很熟悉纳粹执政身为奥地利犹太人的麦特纳被迫流亡瑞典只剩下哈恩和施特拉斯曼在柏林继续实验

他们运用极其高超的化学分离技术对中子红基油的产物进行了一次又一次的刨根问底结果震惊的发现产物里居然反复出现了一种他们意想不到的相对比较轻的元素被它的原子叙述只有 56 这一下他们也懵了汉恩在 1938 年 12 月给《流亡中的麦特纳》写了一封充满着困惑的信大致的意思是亲爱的

亲爱的利泽我们化学家可以肯定产物里真的有贝但是作为核化学家我实在无法从物理上理解一个质量数 230 多的油原子核怎么可能一下子生出一个质量数 130 多的贝来呢你这位物理学家快帮我们想想这到底是怎么回事这封信其实非常的关键

麦特纳和他的物理学家侄子奥托弗里斯对哈温的实验结果苦思冥想结合当时波尔等人提出的原子核液滴模型他突然有了一个突破性的想法

会不会是那个比较胖的油二三五原子核在吸收了一个额外的中子之后变得极其不稳定就像是一个被拉长了的剧烈震荡的水滴最终从中间啪的一下断裂成了两个大小差不多的中等质量的原子核碎片而其中的一个碎片就是贝呢

不仅如此他们还意识到如果原子核真的像这样分裂根据原子核结合能的规律这个过程必然会释放出巨大的能量而且为了原子核内的质子中子比例大致平衡很可能还会同时释放出几个多余的中子能量还有新的中子这样一来不就把所有的谜团都解开了吗

麦特纳和福利斯迅速将他们的理论解释成文并且将这个过程借用生物学细胞分裂的术语正式命名为核裂变就这样人类终于敲开了原子核裂变的大门好了现在我们已经知道了原子核可以被中子劈开产生裂变但这能量到底藏在哪儿又是怎么冒出来的答案则藏在宇宙最底层的规律里

还是得再次请出爱因斯坦大神和他的智能方程一等于 MC 方这其中的关键呢就在于质量

科学家们通过精确的测量发现在核裂变这个批西瓜的过程中反应之后所有碎片的总质量居然要比反应之前的那个油原子核和入射中子的总质量轻了那么微乎其微的一丁点这种消失的质量我们称之为质量亏损当然它并没有真正的消失而是完完全全的转化成了能量

一个由 235 原子核裂变时亏损的质量大约只占到它自身总质量的千分之一左右就这么一点但是它为什么能产生那么大的能量呢这其实就是 E 等于 mc 方这个公式的魔力所在了质量 m 后面乘的可是 c 的平方啊光速的平方这是多么巨大的一个天文数字

所以哪怕质量 m 只减少了一丁点乘以一个如此巨大的 C 方转化出来的能量 E 也会是极其惊人的我们不妨对比一下燃烧一个碳原子

它所释放出的化学能大约是 4 电子伏特而裂变一个由 235 原子核所释放的核能大约是 2 亿电子伏特 4 对上 2 亿这可是 5000 万倍的差距故事到这儿还没完还记得刚才麦特纳他们解释裂变的时候除了巨大的能量还预言会同时放出什么吗是的

同时还会释放两到三个新的中子这个细节才是让核能成为天使的翅膀又或者是魔鬼的武器的关键你想想看我们最初是用一个中子做点火器引发了一次裂变结果这次裂变又附赠了两到三个新的中子也就是新的点火器

这些新的中子如果再去撞击旁边其他的 U235 原子核又会引发新的两到三次的裂变而这两到三次的裂变加起来又能产生四到九个甚至更多的中子这个过程一旦开始就像是滚雪球一样反应会越来越大一发不可收拾

这就是核物理学当中赫赫有名的链式反应只要你有足够多的容易裂变的原子核我们称之为易裂变材料比如说 U235 或者 B239 它们聚集在一起并且它们的密度和体积达到了一个临界点也就是所谓的临界质量那么一个中子就能点燃一场指数级增长的自我维持的核裂变大火

而如果核材料的量远远超过零件质量每次裂变产生的两到三个中子大部分都能去引发新的裂变那整个反应速度就会失控能量也会在极短的时间内疯狂的释放这个极短的时间可能是百万分之几秒聪明的你听到这肯定知道了这不就是原子弹的原理吗是的链式反应这把核火威力太猛了

但今天我们并不是想教大家造核弹而是去造核电站于是乎这就带出了另一个问题我们有可能去控制这种能量吗真的能像控制家里的燃气灶一样让它乖乖的不大不小的稳定的燃烧为我们服务吗

帮大家梳理一下原子弹呢其实就是让链式反应失控而核电站或者我们说它的核心核反应堆的目标则是要实现可控的链式反应我们需要给这匹核能猎马套上缰绳让它既能够奋力奔跑又不会脱缰失控

而核心思想就是精确的控制中子让每次裂变不多不少正好只有一个中子去引发下一次裂变接下来也就迎来了今天的重点我们可以具体开始着手准备建造一座核电站了而核反应堆自然就是这其中最为核心的部件

核反应堆发电的基本原理说穿了真的是非常的朴实因为它本质上就是一个超级烧水壶罢了你可能会惊讶烧水壶用核裂变来烧水虽然听起来有些掉价但核心的原理确实如此

核反应堆最主要的功能就是利用可控的核裂变持续不断地产生巨大的热量然后利用这些热量去把水加热成高温高压的蒸汽最后呢用这些强劲的蒸汽去推动气轮机旋转气轮机再带动发电机转动这电就发出来了如果对发电的部分感兴趣大家可以在结合我们当年电的旅程的那一期配合收听啊

所以你看核电站当中控制核裂变的部分它非常的高科技而到后边我们说把热能变成电能的部分其实呢就和大家比较熟悉的火电厂原理上是高度类似的因为本质上都是靠烧开水来驱动发电机因此呢核电站的关键就是要打造一个可控的核反应堆那我们到底是怎么把那个吓人的链式反应给控制住然后用来发电的呢

控制的关键呢就在于控制那个到处乱飞的中子每次裂变产生两三个我们就得想办法了有没有可能不多不少我们就要其中的一个去引发下一次裂变呢恭喜你打造一个成功的核反应堆的关键就在这里

其实你打刀科学的拼音也是可以直接搜到的

当然首先我们得有能烧的柴火是吧核反应堆的柴火就是核燃料最常用的就是油当然你怎么搞来油这不是我们今天节目解释的重点那么在天然的油矿里绝大部分我们说 99%以上都是比较稳定的不容易发生裂变的油 238 真正容易被中子点燃发生裂变的是油 235 但它的含量其实非常的稀少只有大约 0.7%

这一点浓度对于大多数核电站来说是不够的所以我们需要先把油矿石给提炼出来然后通过一道非常复杂技术含量极高的工序也就是油浓缩把油 235 的含量提高到 3%到 5%左右这种经过提纯的油才可以作为核电站的燃料当然如果要造核弹那就需要进一步的去提高它的传度这也不是我们今天的重点了

说回来,这些燃料通常会被做成陶瓷状的像小圆柱一样的二氧化油燃料心块这种心块耐高温,性能稳定然后把很多个小心块堆叠在一起装进一根长长的用特殊合金比如说钙合金制成的燃料棒里密封起来最后我们再把很多根燃料棒捆绑在一起组成一个燃料组件

整个反应堆的堆心就是由成百上千个这样的燃料组件所构成的就像是搭积木一样一层套一层好了柴火的部分已经准备完毕但光有柴火还不行我们还需要让引发链式反应的火星也就是中子处在最佳的状态那什么是最佳状态呢

你可能会想是不是越快越好因为感觉跑得快它才能撞得狠其实并不是这样对于油 235 这种燃料来说中子它倒不是越快越好要知道刚从裂变反应里新鲜出炉的中子它的速度是非常非常快的能量也很高所以我们叫它快中子

但是快中子其实不太容易被油二三五原子核抓住并且引发下一次裂变它很可能就搜的一下穿过去了所以我们需要做的是要给这些急性子的快中子减减速让它们慢下来变成所谓的慢中子当然也有叫热中子的那怎么给中子减速呢这里我们就要用到反应堆里的慢化剂了

漫画技是一种能够有效降低中子速度但又不太会吸收中子的材料当中子在漫画技里游泳或者是弹跳的时候就会像撞上了一堆减速带或者是弹力球一样它的能量会逐渐的损失速度也会慢下来那什么样的材料能够到漫画技呢你别说你家可能也会有

最常用最便宜的其实就是普通的水当然还有重水以及石墨好了现在燃料有了漫画剂也有了可是这个火势在没有控制的情况下依然有可能会越来越旺万一跑出来不止一个有效的慢中子反应速率不依然还会失控吗

你想的很对所以呢我们必须还得有个东西可以精确的控制火势就像是汽车的油门和刹车而这种东西就是反应堆里的控制棒它的作用呢其实非常的直接就是吸收中子控制棒呢是用一些特别能吃中子的材料制成啊比如说隔棚等等

这些控制棒被设计成可以插入到反应堆堆心的燃料组件之间同时它还可以从堆心中拔出当我们想降低反应速率或者停堆的时候就需要把控制棒深深地插入堆心这样它就会大量地吸收掉中子让链式反应无法持续这颗火势就减弱甚至熄灭了相当于是踩下了刹车

而当我们想提高反应速率的时候就把控制棒慢慢的拔出一些让更多的中子能够去引发裂变这个伙食呢也就变旺了其实呢就像是踩下了油门一样而通过精确的调节控制棒插入的深度我们就可以非常精确的去控制反应堆内中子的数量使得链式反应维持在一个稳定持续且可控的水平上

好了现在我们已经了解了核反应堆的核心三大件核燃料漫画器和控制棒把它们巧妙地组合起来其实就可以搭建出核反应堆的心脏也就是堆心了那接下来要做的就是设计一套系统可以巧妙地把它产生的热量导出来去烧开水最终的目的呢自然是用来发电了

目前世界上绝大多数的商业核电站采用的都是水冷反应堆也就是用水作为主要的冷却剂同时结合前面的知识你也知道了在这个过程当中水也常常兼任慢化剂而在水冷堆当中又可以主要分为两大流派流派一呢就是所谓的压水堆

这个过程有点像是用一个高压锅再去加热一个普通锅这其实也是目前全球数量最多技术最成熟的主流堆型像我们国家大部分的核电站比如大亚湾 青山 2737 等等都是属于压水堆

为什么要叫压水堆呢这就是因为工程师们给冷却水系统施加了巨大的压力大约有 150 个大气压就像是一个超级高压锅在这么高的压力之下即使水被加热到 300 多摄氏度它依然可以保持液态不会沸腾这个设计的巧妙之处就在于它有两个相互隔离的水循环回路第一个回路呢就是包含反应堆堆芯的那个高压回路

水在一回路里流过堆心被加热成超高温高压水然后流到一个叫做蒸汽发生器的设备里而第二个回路则是一个独立的压力比较低的水回路二回路的水流过蒸汽发生器时会被一回路传递过来的巨大热量间接加热然后沸腾变成高温高压的蒸汽

最后用这个二回路所产生的干净的蒸汽去推动气轮激发电为什么干净呢因为通过这样的设计它就可以不直接接触堆芯这样的水蒸汽是没有放射性的

所以压水堆就像是用一个超级高压锅也就是一回路去加热另外一个普通的大锅二回路从而让大锅里的水沸腾产生蒸汽来发电而整个过程当中两个锅里的水是不会相互接触的这种间接加热的方式最大的好处就是安全性高

当然还有另外一种流派叫做沸水堆我们可以理解为它就是一个巨型的电水壶直接产生蒸汽顾名思义它就会简单很多它的压力没有压水堆那么高所以冷却水流过堆心的时候会被直接加热到沸腾

在反应堆压力容器的顶部产生大量的蒸汽然后这些在反应堆里直接产生的蒸汽就直接被引导去推动气轮激发电了省掉了中间的蒸汽发生器的环节

这就像是一个巨大的用核燃料当发热管的电水壶优点呢自然是系统相对简单热效率呢也可能会高一些但缺点也显而易见既然蒸汽是直接从反应堆里出来的那这个蒸汽肯定会带有一定的放射性这就是废水堆最大的潜在风险

整个汽轮机厂房都需要做相应的屏蔽和防护当年的日本福岛核电站它的几个机组都用的是废水堆说到这儿大家最担心的肯定还是核电站的安全问题毕竟历史上已经出现过像是切尔诺贝利福岛这样的严重事故了

那现代的核电站它到底安不安全靠不靠谱呢在我看来大家还是可以放心的经历了过去的事故教训现代核电站的设计和运行呢一直以来都把安全放在了至高无上的位置从而建立起了一套极其严格层层设防的所谓纵深防御体系有点像是一个军事术语一样啊说到底呢就是通过层层设防确保万无一失

先来看看物理防御的部分第一道防护就是燃料芯块本身陶瓷状的燃料芯块它本身其实就可以把大部分放射性物质包容在自己的晶格里除此之外外面还会有燃料棒护套这就是包裹芯块的高合金管子它的作用就是把燃料芯块牢牢地密封在里面

第三道则是反应堆压力容器这是一个装在整个堆心的巨大钢制压力容器通常会做到几十厘米厚极其的坚固在此之外还有反应堆安全壳这其实也是我们可以从核电站外面看到的那个最显眼的巨大厚实的圆顶建筑

它通常是用几米厚的钢筋混凝土建造里面还称有钢板而它的作用则是即使前面几道屏障万一都失效了它也可以像是一个精忠照铁布衫一样把所有的放射性物质牢牢地包容在里面防止它泄露到外部环境中而除了这些物理防御我们也可以理解成是被动防御我们其实还有主动防御现代核电站里都配备了多重独立且冗余的安全系统

比如说停堆系统就是我们前面说的控制棒一旦出现断电或者是出现紧急信号控制棒就会在重力作用下自动快速地插入堆芯迅速停止链式反应同时核电站还配有多套独立的冷却系统包括主冷却系统和应急堆芯冷却系统即使反应堆停堆之后堆芯里仍然会因为放射性衰变而产生大量的热量所以必须持续降温

而这样的应急堆芯冷却系统就是为了在主冷却系统失效的情况下也能够给堆芯注入冷却水防止堆芯过热融化好了安全设施部署到位电也成功发出来了其实还有一个问题需要解决而这其实也是当前核能利用最大的阿克留斯之中那就是核废料的问题那些用剩下的带有超强放射性的燃料棒最后应该怎么处置呢

说起来核废料的处理确实也是目前制约核裂变能大规模可持续发展的最大挑战之一这种用过之后的乏燃料仍然具有极强的放射性而且里面的很多核素半衰期极长比如布 239 要几十万年才能够衰变到安全水平而目前通行的做法则是第一步会用水池冷却

刚从反应堆里泄出来的乏燃料温度非常的高放射性很强所以先要放在核电站内特殊的乏燃料水池里用水来冷却和屏蔽辐射通常会放上好几年

冷却几年之后,再运转到更加坚固的金属或者混凝土储存罐里,进行几十上百年的长期储存。当然,这样的时间其实也是不够的,所以最终的储值方案,现在的设想还是深地质储值库。

这也是目前认为的最终解决方案就是要把这些经过封装的乏燃料深埋到地下几百米甚至上千米深处的极其稳定的地质构造当中和生物圈永久的隔离但是要找到并且建设一个能够确保几十万年安全的储值库它的挑战也是非常巨大的而目前全球真正建成的也可以说是屈指可数

其实呢还有另外一种思路就是通过化学方法把乏燃料里的油和布分离出来回收利用重新制成核燃料这样呢也可以大大减少高放废物的体积并且提高油资源的利用率但是这种后处理过程本身技术很复杂成本也很高而且分离出来的布还有可能被用于制造核武器存在着核扩散的风险不管怎么说核废料的处理它

它依然是一个需要全人类共同面对和负责任解决的难题而除了处理废料科学家们其实也在研究更加先进的裂变反应堆比如说快中子增值堆它就是用快中子反应把大量的油 238 转化成不 239 实现稍一点生更多理论上可以把油资源利用率提高几十倍但是它的技术很复杂安全性挑战也很大

还有则是加拿大现在主导的一种技术用重水做漫画剂可以直接烧天然油省去了浓缩的环节这种堆呢就叫重水堆另外一个方向则是小型模块化反应堆这也是现在的一个热点理念上呢就是把反应堆做得更小更模块化可以在工厂里预制然后运到现场组装可能是更加的安全更加的灵活成本也更低吧

另外还有一种叫做 RTG 的东西全名叫做放射性同位素热电发生器它利用的是某些放射性同位素比如布 238 自然衰变时产生的热量通过热电藕直接把热能转化成电能要注意这个过程并不是利用链式反应所以功率并不大但好在极其的稳定且长寿

这种技术用在哪呢其实大家并不陌生它特别适合给那些一去不复返的深空探测器像是旅行者号或者火星车号旗号毅力号这样的设备供电所以本质上呢它们是太空当中的核电池和我们今天发电要用的反应堆并不是一回事如果你对它的建造也非常感兴趣那有机会再聊吧好了原来是这样就是这样

听到这儿不知道你学废了吗这些非常硬核的文案要感谢一下我们的老朋友 Jeffrey 邓杰明其实也是当年消除那些事和火箭是如何上天的文案作者他的这篇文案其实在去年的三月就已经在我的邮箱里了因为本身非常的硬核而且内容很长其实今天也只是和大家分享了他文案的上半部分而且

而他的下半部分其实更加的硬核包括他在给我的文案的最后还写了非常长的一段话就等他的下半部分和大家见面的时候再和大家具体的分享了当然这里也要和邓杰明说一声他的原文案中间其实还有更多的非常硬核的部分那么我考虑到大家的一个综合的听感

在原样化的过程当中其实还是做了一些通俗化的处理删掉了一些我认为可能从听的角度并不是特别容易理解或者是容易让大家走神的内容

这两周由于之前刚刚休假回来所以本职工作比较的繁忙节目的更新时间并不是特别的精确这里也和大家说一声抱歉而且和其他几位搭档能够对上的时间比较的有限所以就暂时先用单人的形式和大家继续分享不过大家也不要着急双人形式的原样肯定还会回归的

最后也帮我们的汪洁老师做个小广告他的汪洁十万好奇博物馆已经在喜马拉雅儿童平台开播了是非常适合小朋友听的满足大家好奇心的专辑内容涵盖了宇宙自然生命人类文明科学技术方方面面关键还是日更有兴趣的朋友不要错过了而这两周还处在 21 天限免期有兴趣的朋友欢迎去试听

好了今天的原来是这样真的就是这样了再次感谢所有支持和帮助我们的朋友原样的发展真的离不开大家我是旭东代表本次节目的撰稿人 Jeffrey 邓杰明感谢各位的收听我们下期接着聊