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如虚如实说丨核聚变发电,离我们还有多远?




核能发电的由来




上期讲到在第二次世界大战期间科学家们发明了原子弹(核裂变)及氢弹(核聚变)

铀裂变原理(动画)

核聚变原理(动画)

战后,核能的和平使用很快就提出来了。1945年在曼哈顿计划的总结会上,费米(Enrico Fermi,1901—1954,参见《核聚变之一》首先分析了用核能发电的可行性。

1951年,美国建成了世界上第一个实验型的核电站(Experimental Breeder Reactor I,简称 EBRI)。

1953年,美国总统艾森豪威尔(Dwight Eisenhower,1890—1969,总统任期:1953—1961)提出一个和平使用原子能的计划“Atoms for Peace”。艾森豪威尔出生于一个贫穷家庭,在家中的7个兄弟姐妹中排行第三。1915年他从西点军校毕业后在军中任职。第一次世界大战时,他很想去欧洲作战,但却被留在国内管理后勤。第二次世界大战时,他先是指挥了非洲的登陆战,后来又任美军总司令,指挥了诺曼底的登陆战,最后击败纳粹德国。他反对向日本投原子弹,认为日本败局已定,再大量杀伤会有损美国的声誉。1948年,他离开军队任哥伦比亚大学校长。1950年又回到军中任北大西洋公约组织(NATO)的总司令。1953年成为第34任美国总统(图1)。

图1,德怀特·艾森豪威尔

艾森豪威尔是个有心思的人。他发明一套简单有效的管理方法,如图2所示,事情可以分重要和不重要,紧急和不紧急。如果是重要且紧急,马上去做;如果是重要但不紧急,定下时间去做;如果不重要且不紧急,不要去做;如果不重要但紧急,干脆把它删除。读者可以想想自己:有什么事情是重要的?什么是紧急的?什么要做?什么可以不做?

图2,艾森豪威尔矩阵

在艾森豪威尔的推动下,1957年美国建成了第一个核电厂(图3),其核反应堆与美国海军核潜艇的马克I型核反应堆相似。这个6万千瓦的核电厂用了25年,到1982年才退役。

图3,世界上第一个核电站

到了1960年代,苏联、加拿大、英国、法国都开发出了核电站技术。

核弹只要点火起爆,激发链式反应就可以了,一爆完事。相比之下,核电站则要安全可靠地使用数十年,设备复杂得多。图4是现代核电站的示意图。它由三个循环回路组成:

01

核裂变产生热能回路(图4中的绿色回路):控制棒缓缓地沉入装着铀燃料的反应釜,延续核裂变的链式反应。下降的速率是链式反应的关键,太慢链式反应会中断,太快会有过热的危险。反应釜中灌注着冷却液。冷却液把链式反应产生的热量带到蒸汽发生器中,产生蒸汽。

02

热能发电回路(图4中的蓝色回路)。蒸汽驱动透平机,进而推动发电机发电。剩余的蒸汽循环到冷凝器。

03

冷却回路(图4中的灰色回路)。冷凝器换热,把没有核污染的热水输送到冷却塔冷却。

图4,第二代核电站示意图

这一设计有多重安全措施:首先核裂变反应堆密封在钢制的反应釜中,反应釜和蒸汽发生器密封在水泥厂房中,两层坚固的密封能够抵挡核裂变反应堆的爆炸。其次核裂变产生的热能经过两次隔离,确保不会泄露而导致核污染。

目前世界上大约有450座核电站。这些核电站为世界各地提供了12%的电力。




中国兴建核电站的历程




我们中国的核电站技术曾经经过许多风雨。1964年,中国成功发射了第一颗原子弹(参见《核聚变之一》)。1991年中国建成了第一个核电站,但关键部件是进口的。

在1980年代改革开放之初,深圳作为经济特区开始起步。当时特别缺电,工厂只得开几天停几天。因此国家决定兴建核电站。既没有技术又没有钱怎么建?国家特别成立了中广核公司,与香港中华电力公司(一个私营公司)合作。

香港中华电力公司支付首期费用,利用世界银行的贷款,向法国购买全套技术及装备,在深圳大亚湾建造两台100万千瓦核反应堆。条件是其中一台反应堆发的电在20年间归香港中华电力公司(核反应堆的设计寿命为20年)

建造核电站的一砖一石都是从法国进口的。建造期间法国工程师发现用于建造反应堆地基的钢筋数目不对。一查之下发现是地基承建商想节省材料,私自做了更改,减少用料。这时香港回归日已经接近,香港50万人上街游行,质疑核电站的安全性。事情上报中央,中央决定挖开重建,每天的损失高达2千万元。与此同时,国家派人到法国学习,法国开出的价格几乎是与人体等重的黄金。因此派出去的人号称“金人”。

1994年,核电站投入使用(图5)。1995年,中广核公司开始自行设计和建造核电站。至今已建成自己品牌的“华龙”核电站二十多个。而且多次在全球核电安全竞赛中夺标。目前,大亚湾核电站的各项指标均为世界第一。而中广核也一跃成为世界500强企业。另外,国家还在2006年成立了中核集团公司。2019年中核集团公司也成为世界500强企业。

今天,中国是名副其实的核大国、核强国。

图5,深圳大亚湾核电站

深圳大亚湾核电站有个极好的科普教育基地,很值得去看看。




核裂变发电的潜在威胁




核裂变的发电站有个潜在的威胁:核废料。核裂变后,核燃料(铀)中的大部分放射性物质仍然存在于核废料中,因此核废料是高放射性的。

这是为什么?

因为核裂变时,只有0.1%的核燃料从质量转换成能量。

此外,核电厂还会产生一些低放射性废料。核废料其实并不多。自1950年代第一个核电站投产至今,世界上所有的核电站产生的核废料约有2千多吨(每年燃煤产生的废料约为5亿吨)。目前的标准方法是先将密封的核废料放在水中冷却5年,然后运到特定的地点永久储存。由于放射性材料会致癌,而且难以降解,人们对它感到担忧。

此外,一旦核电站发生事故,核燃料或核废料可能会泄露。

表1:历年来世界各地核电站发生故障的原因与结果




核聚变:解决核废料的新技术




解铃还须系铃人,要解决核废料的问题还需要新的核能技术——核聚变。

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