“原子锅炉”

核能的开发利用是人类科技发展史上的一项重大成就。核能发电是人类和平利用核能的最重要和最主要的方式。

核能发电的原理同普通火力发电一样，都是利用热产生蒸汽，推动蒸汽轮机，带动发电机旋转发电。所不同的只是把燃煤（油）锅炉换成“原子锅炉”，把煤炭或石油换成核燃料。“原子锅炉”的正式名称叫“核反应堆”。在核反应堆中，实现核燃料的持续链式反应，并可人为控制链式反应的快慢。

核能发电示意图

1942年，费米领导一批科学家，在美国芝加哥大学体育场西看台底下的一个网球厅内，建造起世界上第一座核反应堆。反应堆采用天然铀作核燃料，石墨作慢化剂。反应堆是用10厘米×10厘米×15厘米的石墨块，“堆”成一个宽10米、长10米、高7米的庞然大物。在一部分石墨块上，钻有直径约5厘米的圆孔，在圆孔内放置约2千克的金属铀棒或氧化铀棒。将没有铀棒的石墨块和带有铀棒的石墨块交替放置，一共堆砌了50层。在50层以上，再放4层用来反射中子的石墨块，上面还有15厘米厚的铅板和1.5米厚的木材构成的防护层。侧面的防护层由30厘米厚的石墨和1.5米厚的混凝土构成。反应堆的总质量约为1 400吨，内中装铀棒约52吨。反应堆的运行是通过5根镀有镉的青铜棒进行控制的。其中一根穿过堆体；另一根可以插入堆内任何深度，用来调整反应堆的功率；其余3根是“安全棒”，平时放在堆外，必要时可迅速插入堆内，使链式反应立即停止。这座反应堆的功率很小，最初只有0.5瓦，还不足点亮一盏灯，后来达到200瓦，可以将灯点亮。但它的意义非同小可，它标志着人类从此进入了核能时代。

核电站模型

1942年12月2日上午，在费米的指挥下，这座反应堆作了各种检查。下午3点20分，实验人员将镉棒慢慢地从反应堆中吊起，盖革计数器显示反应堆中的中子数直线上升，很快就达到了预定值。费米立即命令将镉棒插回反应堆，中子数在某一个数值上稳定下来，说明堆内已经正常地进行着链式反应。反应过程持续了28分钟，标志着人类终于点燃了原子之“火”!

1954年6月27日，苏联莫斯科附近的奥布宁斯克的核电站投入了运行，人类开始进入和平利用核能时代。奥布宁斯克核电站采用的是热中子反应堆（简称热堆）。这类反应堆依靠速度大为减慢了的、又处于热运动的中子轰击铀 — 235，使其发生链式的裂变反应。热堆的技术比较成熟，现在世界上的几百座核电站大都采用这种反应堆。

核电站采用的反应堆种类很多，商用核电站常用的反应堆主要有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆和快堆等。压水堆：采用低浓度（铀 — 235浓度约为3%）的二氧化铀作燃料，高压水作慢化剂和冷却剂，是目前世界上最为成熟的堆型。沸水堆：采用低浓度（铀 — 235浓度约为3%）的二氧化铀作燃料，沸腾水作慢化剂和冷却剂。重水堆：用重水作慢化剂和冷却剂，可用天然铀作燃料。目前达到商用水平的只有加拿大开发的坎杜堆。石墨气冷堆：以石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂，用天然铀作燃料，最高运行温度为360℃，这种堆已有丰富的运行经验。这些都属于热堆。

在热堆的“炉膛”里“燃烧”的铀燃料，其中只含有百分之几的铀235，而剩余的百分之九十几是铀 — 238，铀 — 238就像煤矸石一样，是不能“燃烧”的“废料”。这么多剩余的铀 — 238越积越多，最后成了沉重的负担。目前世界各国的核燃料库房里堆放的铀 — 238达几十万吨，仅美国就积存了20多万吨。这些既无法利用，又不能丢弃的“废料”可使人伤透了脑筋。

有没有在“燃烧”过程中不产生“废料”的核技术呢？有。它就是快中子增殖反应堆（简称快堆）技术。在快堆“炉膛”里烧的燃料是钚 — 239，也有铀 — 235，它们“燃烧”后变成钚 — 239。钚 — 239有个奇特的本领，就是每烧掉一个钚 — 239原子，便能新生出1.4个钚 — 239原子。也就是说，快堆运转后经过一段时间，就可以提取出比投进去的还要多的钚 — 239。快中子堆采用钚或高浓铀作燃料，一般用液态金属钠作冷却剂，不用慢化剂。根据冷却剂的不同分为钠冷快堆和气冷快堆。

40年来，美、法、苏、日等国都花费大量人力物力来建造快堆核电站。其中以法国步伐最快。1973年，法国建成了25万千瓦的“凤凰”快堆，至今运行良好。1984年，法国又建成了120万千瓦的“超凤凰”快堆，由于它的外形像个拱顶的教堂，有人戏谑地称它为“核教堂”。

科学界对核能发电推崇备至。一是燃料轻便，利于运输。以我国华东地区为例，目前有58%的火车车皮用来装煤。一座100万千瓦的火电站，每天要燃煤1万吨，而同样发电量的核电站每年仅需30多吨核燃料，不到一个车皮就可装走。二是它干净，不产生烟尘，不产生废气。人们担心的放射性问题实际上并不存在，一般人从大自然中每年至少要接受大约100毫雷姆的辐射剂量，而核电站周围居民，从核电站接受的放射性剂量每人每年仅1 ~ 2毫雷姆，对人体不存在什么危害。三是核燃料的储量丰富，用之不尽，它广泛分布在世界的陆地和海洋中。储藏在陆地上的铀矿资源有990万 ~ 2 410万吨，其中最多的是北美洲，其次是非州和大洋洲。海洋中的核能资源比陆地上要丰富得多。铀在海洋中，虽然每1 000吨海水中才有3克铀，然而海洋里铀的总储量却大得惊人，总共达40多亿吨，比陆地上已知的铀储量大几百倍。此外，海洋中还有更为丰富的核聚变燃料——重水。如果将这些能源开发出来，那么即使全世界的能量消耗比现在增加100倍，也可保证供应人类使用10亿年左右。

经过10多年的研究，人们终于可以利用反应堆产生的热能来发电。1954年，苏联建成世界上第一座核电站，功率为5 000千瓦。1956年，英国建成一座4 200千瓦核电站。1957年，美国建成一座9万千瓦核电站。我国自1985年开始建造核电站，至今仅有20余年历史，至2013年4月18日，建成的核电站只有5座，机组16台。目前，全球大约有30个国家利用核能发电，共有441座核电站，还有27座尚处于建设阶段的核电站。2005年，世界核电装机容量为3.74亿千瓦，占总发电装机的9.66%。法国占本国发电装机的56.21%，韩国为26.86%、日本为19.00%、德国为17.07%、美国为10.45%。到21世纪中叶，核能将会取代石油等矿物燃料而成为世界各国的主要能源。