核电解读(1)
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如果从1951年美国在一台快中子增殖反应堆上进行最早的核动力发电算起，世界上核电发展已经走过了60年辉煌而艰难曲折的历程。许多的经验教训值得回味和总结，尤其是日本福岛核电站事故发生后，核电站已不再是专业人士争议的热点，更成为普通民众关注的焦点。试想，如果不是因为这次事件，谁会关心分布在国内的几十座已建和在建核电站；又有谁能知晓中国第一座快中子反应堆其实就坐落在北京。为此，本刊约请中国原子能科学研究院的方锦清研究员撰文，介绍核电的来龙去脉以及若干人们关注的热点问题。
核电站的工作原理
核电站是利用核反应产生电能的装置，即把核裂变或核聚变反应所释放的能量转变为电能从而用来发电。迄今世界上能够商业运行的核能发电站都是利用核裂变反应而发电，商用核聚变反应发电目前尚未实现，但它是未来核能的奋斗目标。
核电站与火力发电站的最大不同是：以核反应堆来代替火力发电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生链式核反应这种特殊形式的“燃烧”来产生所需要的热量。核反应产生的热量来加热水使之变成水蒸汽，这样就可以把核能转变成热能；而水蒸汽通过管路进入汽轮机，来推动汽轮发电机发-电，这样就把热能转变成为电能。由此可见，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其最大的奥妙主要在于核反应堆。
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核反应堆又叫原子反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控裂变链式反应的装置。并不是所有元素都可以用作核燃料，一般使用的是放射性重金属元素铀、钚或钍。
早在20世纪30年代科学家就已发现：当铀235的原子核-受到外来中子轰击时，原子核会发生裂变，吸收1个中子后分裂成2个质量较小的原子核，同时放出2～3个中子。这种裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变。如此反应不断地持续进行下去，称为核裂变的链式反应。依靠链式反应在核反应堆里产生了大量热能，利用循环水或利用其他物质作为热载体，把热量导出去就可用来发电。如果热量无法带走，那反应堆就会因过热而烧毁，导致发生日本福岛核电站那样的严重事故。
由此可知，核反应堆最基本的组成是：核燃料和热载体。但是只有这两个条件还无法工作，这是由于反应堆内链式反应所产生的高速中子会大量飞散，必须设法把中子减速下来，以增加与原子核碰撞的机会。为此，要求把核反应堆设计成能够按照人的意愿决定其工作状态，也就是必须采取有效的设施来实现可控目的。此外，铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，因此必须采取十分可靠的防护和严格的安全措施。总而言之，核反应堆的合理结构应该也必须具备五大要素：核燃料+慢化剂+热载体+控制设施+防护装置。
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核反应堆的类型
核电站中的反应堆设计具有多样性，不同类型的核反应堆相应形成不同的核电站。可以利用以下几个特点表征不同类型的反应堆。第一，所用的核燃料可以是天然铀或浓缩铀、钚或钍；第二，使用不同类型的冷却剂，可以是水、二氧化碳、氦气或钠；第三，用于控制链式反应中释放的中子能量的慢化剂，可以是石墨、重水或轻水(即普通水)。下面就是迄今国际上核电站常用的几种核反应堆型。
压水堆是以加压轻水作为慢化剂和冷却剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆。目前以压水堆为热源的核电站，在核电站机组数量和装机容量方面都处于领先地位。
沸水堆是以沸腾轻水作为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的核反应堆。沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷能力强等优点。它们都需使用低富集铀作为核燃料。
重水堆是以重水作为慢化剂，轻水或重水作为冷却剂的核反应堆，可以直接利用天然-铀作为核燃料。重水堆分压方容器式和压力管式两类。重水堆核电站是发展较早的核电站，但已实现工业规模的只有加拿大发展起来的压力管式重水堆核电站。
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快堆是由快中子引起链式裂变反应的核反应堆。快堆在运行中既消耗裂变材料，又生产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变材料的增殖。专家预计，快堆未来的发展将会加快起来。
前景看好的快堆
现在世界上所运行的绝大多数反应堆是热中子堆，或者说是非增殖堆型，利用的只是铀235，而天然铀将近99.3%是难裂变的铀238，所以这些堆型对铀资源的利用率只有1%～2%。但在快堆中，铀238原则上都能通过核反应转变成易裂变的钚239而得以使用。即使考虑到各种损耗，快堆总体上可将铀资源的利用率提高到60%～70%，也可使核废料产生量大大降低。
快堆的原理是这样的，在堆芯燃料钚一239的外围再生区里放置铀238，钚-239发生裂变反应时放出来快中子，铀238吸收一个中子后，发生连续两次β衰变，铀238很快被转变成钚239，同时产生了能量，如此核反应下去，能够源源不断地将铀238转变成可用的燃料钚239。因为快堆再生速度高于消耗速度，即所生成的钚-239比消耗的铀-235来得多，如此核燃料越烧越多，快速增殖起来，因此这种反应堆又称“快中子增殖堆”。
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早在1951年，美国就建造了实验快中子堆。现阶段，基本掌握快中子堆技术的国家有美国、法国、日本、俄罗斯、印度和中国等。中国核工业集团公司2010年7月宣布：由中核集团中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆达到首次临界，中国由此成为世界上少数几个掌握快堆技术的国家之一。
快中子反应堆是世界上第四代先进核能系统的首选堆型，代表了第四代核能系统的发展方向。其形成的核燃料可实现闭合式循环。国际上普遍认为，发展和推广快堆，可从根本上解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。对于快堆未来发展，中国拟采取三步走的发展战略，即实验快堆一示范快堆一大型商用快堆。中国示范快堆的建造，还将为中国铀钚混合燃料制造技术的发展提供良好的契机，并继续推动中国先进核能体系的建立。
反应堆不是原子弹
有人把核反应堆与原子弹混为一谈，其实，反应堆与原子弹完全是两回事，因为两者的设计、构造和部件完全不同。原子弹是一种不可控的自持链式反应装置，需要使用可迅速形成临界体积的高纯易裂变材料——铀-235(浓度至少95%)或钚。触发链式反应快速进行，以致未等介质散开就积聚了大量能量。爆炸的剧烈程度取决于这种能量的积聚。例如，投在长崎的原子弹是一个中空的钚球，靠合理安排的炸药形成临界体积，达到临界体积后才发生原子弹爆炸。, 百拇医药