小心，前方核能！
2022/9/17 10:00:00 中国科普博览
2022年
是世界上第一座人工核反应堆
诞生80周年
我们特别制作此文
希望能够解答你关于核能的疑问
自人类诞生以来
我们便从未停止过对能源的探索
煤炭、石油、天然气、太阳能、风能
归根结底
人类所利用的能源
几乎都来自太阳
(日出下的海上风电场，拍摄于辽宁大连海王九岛，摄影师@NoOne晓东)
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然而有一种例外
它是人类真正独立掌握的
生产能源的伟大技术
它如此伟大
甚至可以创造出太阳本身
它就是
核能
(受控核聚变装置，可以产生与太阳内部一样的核聚变反应，也被称为“人造太阳”，制图@罗梓涵/星球研究所)
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有人追捧它
为它奔走呼号有人恐惧它几乎谈之色变放眼整个能源史
没有什么能源可以比它更高效但似乎也没有什么能源可以比它更“危险” (2010年4月24日，据媒体报道，在德国布罗克多夫核电站附近的一次“反核”游行中，总计有12万人参加，排成的队伍足足有120公里长，图片来源@人民视觉)▼
实际上
大多数人也并不了解它
片面的认知
造就了如今这般矛盾的现实
那么
核能的真面目到底是什么？
为了利用这种能量
我们都经历了什么？
Part.1
初识
1945年伴随着一阵惊天巨响万米高的蘑菇云腾空而起日本广岛顷刻间沦为火海人类首颗在实战中使用的原子弹引爆核能第一次向世人展示了它无与伦比的威力(原子弹轰炸广岛，升起巨大的蘑菇云，图片来源@Wikimedia Commons)
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这颗原子弹释放的能量相当于一次里氏6级的地震距爆炸中心7公里内的建筑被严重损毁伤亡人员比例高达53%但其中只有不到1千克的燃料进行了反应这种特殊的燃料叫做“铀”(铀元素及铀矿石，图片来源@视觉中国，制图@罗梓涵/星球研究所)
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从地球诞生之初起铀就已经形成了它与多种元素结合形成的矿物往往呈现出绚丽的色彩因此甚至一度被用作染色剂用来制作精美的器皿(19世纪的铀玻璃制品，图片来源@视觉中国，制图@罗梓涵/星球研究所)
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然而在美丽的外表之下还有另一种看不见的“色彩”直到1896年才被人类发现
作为自然界中最重的元素铀原子并不稳定它的原子核会自动蜕变成另一种质量更小、更稳定的原子核这个过程被称为“衰变”衰变会释放出热量以及各种射线因此这种特性也被称为“放射性”
相比于释放射线通过衰变实现不同元素间的转化对渴望“点石成金”的人类来说显然更具吸引力
然而原子数目衰减一半所花费的时间即所谓的“半衰期”动辄长达数亿年只靠天然的衰变实现大规模的“点石成金”仍是一个不切实际的梦想(铀235衰变及部分元素半衰期，制图@罗梓涵/星球研究所)
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人们必须想方设法寻找其他途径完成原子的改造最常用的是利用组成原子核的一种微小粒子中子作为“炮弹”轰击原子核令其分裂成两个新核实现“裂变”
更重要的是
它还给我们带来了一个意外的“惊喜”裂变后原子核质量减少正如爱因斯坦的质能方程所揭示的那样这些减少的质量直接转换成了能量(核裂变反应示意图，制图@罗梓涵/星球研究所)
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在这个著名的方程中由于光速的数值十分庞大因此哪怕微小的质量变化也会产生巨大的能量
这无疑是一个振奋人心的发现它意味着如果人们能够驾驭这种能量那么只需百余吨核燃料便可产生满足北京市一年的用电量
(供北京市全年用电所需的低浓缩铀与其他燃料对比，此处按北京市2020年全年用电量1140亿千瓦时估计，制图@罗梓涵/星球研究所)
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这为人类能源的发展指明了一个全新的方向人类终于可以摆脱燃烧这种依靠拆装化学键获得能量的方式真正触碰到了原子核本身进入了用质量直接换取能量的“原子时代”
不仅如此核能不受天气和季节的影响其释放过程也不产生任何温室气体更不会排放烟尘污染环境可以说是相当理想的清洁能源(浙江秦山第二核电站，一般也称秦山二期，摄影师@邵帅/中核集团)▼
但是原子核看不见也摸不着要驯化它又谈何容易？
Part.2
驯化
实际上早在原子弹诞生之前人类就率先建造出了第一座实现可控核裂变反应的装置核反应堆尽管它最初的功率只有0.5瓦甚至不足以点亮一盏家用电灯但正是它开启了人类掌控核能的新时代(1946年12月2日，参与建造世界上第一座核反应堆的科学家们庆祝成功的4周年，图片来源@视觉中国)
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随后各式各样的核反应堆相继建成发电功率也越来越大第一代核电站正式登上能源的舞台核能以电力的形式走进了千家万户 (法国希农核电站1号机组，建成于1963年，1973年关停，如今已经被开发成了一座博物馆；如无特别说明，本文所说的核电站建成时间均指该核电站首台机组正式并网发电的时间，图片来源@视觉中国)
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比如
建成于1954年的世界上第一座核电站
苏联奥布宁斯克核电站
其发电功率仅为5000千瓦
只能支撑几座工厂的运行
美国希平港核电站
将发电功率提升到了6万千瓦
大约可以满足6万人口的用电需求
加拿大道格拉斯角核电站
发电功率则高达20万千瓦
足以为一座小型城市的运转提供全面保障
(世界核电站分布示意图，第一代核电站现在基本已永久关停，目前运行中的187座核电站绝大部分都是1970年之后建成的，加上永久关停的103座核电站与建设中的15座核电站，全世界现在一共有305座核电站，制图@郑艺/星球研究所)
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作为一种实验性的技术第一代核电站种类繁多但在大多数情况下它们都是利用高温水蒸气驱动汽轮机旋转进而带动发电机产生电能与常规的火电厂相差无几
但不同的是火电厂利用煤炭燃烧将水加热而在核电站中则是利用原子核的裂变反应提供足够的热量(核电与火电发电原理对比，制图@罗梓涵/星球研究所)
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在火电厂中为了保证煤炭的持续燃烧需要充足的空气和足够高的温度而在核反应堆里
需要的则是一定数目的中子
人们发现有些元素裂变的同时会产生多个中子从而继续引发其他原子裂变
成为“链式反应”
只有这样的元素才能被用作核燃料最常用的便是铀元素的一种铀235(链式反应示意图，制图@罗梓涵/星球研究所)
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然而相比煤炭的燃烧原子核的“燃烧”则困难重重
一方面
引发反应的中子数量不能太多也不能太少否则会导致反应太过剧烈甚至爆炸
或太过微弱直至“熄火”
只有当每次有且只有1个中子参与下次裂变时反应才会稳定地进行下去
于是人们在核反应堆中加入了控制棒它由容易吸收中子的材料制成通过调节控制棒的位置便可以改变核反应堆中的中子数量(工作人员正在进行控制棒驱动机构的安装，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团)
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另一方面
中子的速度还不能太快否则很容易与原子核“擦肩而过”从而降低反应效率
于是人们又在核反应堆中加入了慢化剂利用慢化剂的原子与中子碰撞便可以实现中子的减速以增大与原子核反应的机会
(核反应堆内部结构示意，其中将核裂变产生的热量带出的介质称为冷却剂，冷却剂和慢化剂可以为同一种物质，比如图中的水既是慢化剂，也是冷却剂；另外，并不是所有的核电站都需要慢化剂，需要慢化剂的核反应堆统称为“热中子反应堆”，制图@郑伯容/星球研究所)
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正是因为比煤炭燃烧更复杂核电站的建设难度也大大增加作为核能发电的先驱第一代核电站的成本十分高昂甚至可以达到火电厂的10倍之多
直到20世纪60年代后期随着技术的进步核电才终于具备了超越火电的经济优势功率更大、成本更低的第二代核电站隆重登场 (美国圣奥诺弗雷核电站，建成于1967年，其中第一台机组已于1992年退役，图片来源@视觉中国)▼
经历了第一代核电站的百花齐放只有少数几种类型的核电站在激烈的市场竞争中脱颖而出
比如结构简单、造价低廉的沸水堆核电站在这种核电站中驱动发电机的蒸汽是由流经核反应堆的水直接沸腾产生但这将不可避免地携带放射性物质进而污染整个回路因此必须对所有机组设置防护(沸水堆核电站原理示意，制图@罗梓涵/星球研究所)
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又如结构复杂但更安全可靠的压水堆核电站
这种核电站同时拥有两条水回路
一条流经核反应堆
用于提供热量
一条则流向发电厂房
用于推动汽轮机旋转
而为了提高两条回路间的传热效率流经核反应堆的水被施加了很高的压力这让其中的水流在高温下仍然可以保持液体状态而不沸腾“压水堆”由此得名(压水堆核电站原理示意，其中核反应堆所在的一回路又被称为“核岛”，汽轮机等所在的二回路则被称为“常规岛”，制图@罗梓涵/星球研究所)
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这样一来相比沸水堆核电站
压水堆核电站的发电厂房能与核反应堆完全分离进而隔绝放射性物质大大降低了设备检修的难度
除此之外根据慢化剂和冷却剂的不同还有重水堆、石墨气冷堆、石墨沸水堆等等它们共同构成了现代核电站的大家族(常见核电站分类图，该图只展示了需要使用慢化剂的热中子反应堆，制图@罗梓涵/星球研究所)
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20世纪70年代接连发生的两次石油危机让核电的价格优势愈发明显核电站建设从此进入突飞猛进的黄金年代
在美国核电装机总量超过6000万千瓦占到了全球的1/3
在日本核能发电量在短短十年内就经历了超过11倍的快速增长
在法国
核电占比更是从第一次石油危机前的8%一路飙升到了近50%
(上文提到的美国为1983年的数据，日本和法国均为1973年到1983年间的数据；下图为法国东部的卡特农核电站，其中冒白气的是核电站的冷却塔，地处内陆的核电站因缺少冷源，所以需要建造冷却塔，而沿海核电站可以靠海水冷却，因此通常没有冷却塔，图片来源@视觉中国)
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大量核电站如雨后春笋一般冒了出来
核电的春天仿佛就要来了 但就在这个时候突如其来的两次灾难将核电直接拖入严冬
原子核真的被我们驯化了吗？
Part.3
失控1979年3月28日凌晨正式运行仅3个月的美国三哩岛核电站2号机组突然响起了警报核反应堆的主供水系统意外断开本应投入工作的辅助供水系统却由于几天前维修人员错误关闭阀门导致冷却水无法到达核反应堆令堆芯温度急剧上升直至熔毁(美国三哩岛核电站，建成于1974年，发生事故的为2号机组，相邻的1号机组一直工作到2019年才退役，图片来源@Wikimedia Commons)
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这是核电史上第一次发生如此严重的事故尽管没有发生爆炸但有约5万人紧急撤离
让民众如此惶恐不安的正是伴随核反应产生的各种射线即“辐射”它们会对人体的分子结构造成破坏从而导致器官损伤甚至死亡
由于辐射不能被肉眼所见
因此一开始并没有被人类重视开创放射性理论的居里夫人由于在实验中长期接触放射性物质最终因过量辐射导致的恶性贫血症逝世(神舟十三号航天员翟志刚、王亚平正在返回天和核心舱，航天员穿着厚重的航天服，可以抵挡来自宇宙的辐射；本文所说的辐射均指电离辐射，图片来源@中国载人航天)
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作为一个大型辐射源核电站一旦发生事故后果将不堪设想
但好在三哩岛核电站作为一座合格的压水堆核电站具备相对完善的安全措施
首先是从内到外的三道实体屏障第一道屏障是包裹着核燃料的金属管它由耐高温、耐腐蚀的锆合金制成以避免核燃料与冷却水接触导致放射性物质外泄(请左右滑动查看核燃料组件及内部结构，左图摄影师@过东海/中核集团，右图来源@视觉中国)
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第二道屏障是包裹着堆芯的压力容器及管道如果第一道屏障被突破放射性物质也能被密封在回路当中(江苏田湾核电站压力容器吊装，摄影师@伍家春/中核集团)
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第三道屏障是包裹着所有反应装置的混凝土安全壳即使堆芯熔毁也可以保证放射性物质不会释放到环境中(广东岭澳核电站[二期]安全壳穹顶吊装，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团)
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除此之外还有自动插入控制棒、快速“刹车”的紧急停堆系统自动向堆芯注水、快速降温的应急堆芯冷却系统等各类安全控制系统为核电站的安全运行层层设防(压水堆核电站三道安全屏障示意，制图@罗梓涵/星球研究所)▼
在三哩岛核事故中事故发生仅8秒后这些安全措施便逐一启用尽管第一道安全屏障被突破但从中泄漏的放射性物质基本都被锁定在了由压力容器把守的第二道屏障和安全壳形成的第三道屏障中因此并没有对环境造成太大影响(如今的三哩岛核电站及周边，图片来源@视觉中国)
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这次事故最终只是虚惊一场但仿佛是在为人类敲响警钟可人类并没有重视这次警告仅仅七年之后麻痹大意让危机再一次降临这一次人类没有幸免
切尔诺贝利核电站曾是苏联最大的核电站但在1986年的春天这个“神话”被无情打破(切尔诺贝利核电站，拍摄于2015年9月29日，当年事故发生后人们便用黏土、硼砂和铅等封闭核反应堆，并在外面搭建金属和混凝土结构，称为“石棺”，远处是正在修建的新“石棺”，图片来源@人民视觉)
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事故的起因
不过是一次停机检修期间
进行的普通试验
由于此前已有多次经验
这次试验并没有被严肃对待
草草制定的试验方案
甚至明确要求
断开部分安全控制系统
而随后的一系列错误操作
再加上核反应堆本身的设计缺陷
让核电站彻底失控
短短4秒内
反应堆功率就暴涨至最大值的100倍
包裹着核燃料的金属管熔化
冷却水急剧蒸发
继而引发连续爆炸
(切尔诺贝利核电站事故现场情景示意，图片来源@电影《切尔诺贝利》)
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更糟糕的是切尔诺贝利核电站采用的石墨沸水堆结构并没有压水堆核电站那样的第二道和第三道屏障剧烈的爆炸直接将屋顶炸飞大量放射性物质由此进入大气数十万人受到过量辐射的影响曾经繁华的城市一夜之间沦为“地狱”(请横屏观看，如今切尔诺贝利核电站周围荒凉的城市，远处依稀可见被新“石棺”包裹的核电站，图片来源@视觉中国)
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接连发生的两次事故给核电站打上了危险的标签强烈的“恐核”、“反核”情绪让核电陷入了举步维艰的境地(1954-2020全球核电机组数量变化，可以看到，在三哩岛核事故后，全球核电机组数量增长速度并未放缓，直到切尔诺贝利核事故后，才明显降低，制图@罗梓涵/星球研究所)
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但放弃核电并不是一件容易的事
例如在核电占比几乎过半的瑞典关闭核电站后只能向丹麦购买火电以弥补巨大的电力空缺
核电
还有出头之日吗？
Part.4
重生自切尔诺贝利核事故之后石墨沸水堆便退出了历史的舞台世界各国都对现有的核电站进行了全面排查防护系统也进一步升级此后二十余年都风平浪静
直到2011年一场里氏9级的特大地震打破了太平洋的平静由此引发的海啸甚至高达40米数万人因此遇难(日本3·11地震后被海啸淹没的城市，图片来源@视觉中国)
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受到地震影响的
还有曾经全世界最大的核电站日本福岛核电站在地震和海啸的双重打击下核电站的所有备用电源全部失效导致安全防护系统均无法发挥作用最终造成堆芯熔毁放射性物质大量泄漏(事故后的福岛第一核电站，附近摆放了大量储存核废水的储水罐，拍摄于2021年4月8日，点击图片查看核电站位置，图片来源@“吉林一号”宽幅01星/长光卫星)
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在天灾面前
我们真的束手无策吗？
事实上早在20世纪90年代人们就开始发展安全性更好、故障率更低且功率更大、寿命更长的第三代核电站专门为极端事件准备了预案(广东台山核电站，其中的1号机组是全球首台具备商业运行条件的EPR[欧洲先进压水堆]三代核电机组，摄影师@周维欣/中国广核集团)
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比如在每个回路设置独立的安全系统采用双层安全壳作为第三道安全屏障或者直接采用无需能源驱动的“非能动安全系统”
只要利用重力、对流等自然现象便可以自动冷却核反应堆防止堆芯熔化、放射性物质外泄(非能动系统示意，点击图片查看断电后安全系统如何工作，制图@罗梓涵/星球研究所)
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2021年1月30日中国自己的第三代核电机组“华龙一号”正式投入商业运行
我国成为全球第四个真正掌握第三代核电技术的国家
作为当今核电市场上接受度最高的三代机型之一“华龙一号”不仅配备了双层安全壳1.3米厚的内壳和1.8米厚的外壳可同时抵御内部的爆炸和外部的撞击还配备了先进的非能动系统即使是遇到福岛核电站那样所有备用电源都失效的极端情况也可以应对自如(福建福清核电站5号机组，全球首台“华龙一号”机组，摄影师@过东海/中核集团)
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今天中国的“华龙一号”不仅在国内大放异彩同时也走出国门成为中国制造的新名片(巴基斯坦卡拉奇核电站，“华龙一号”海外首堆，摄影师@王进杰/中核集团)
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而在三十年前
中国第一座自行设计建造的核电站
浙江秦山核电站
刚刚开始并网发电时
全世界的核电机组数量
已经超过400台
在没有任何先例可循的情况下
中国核工业人
硬是靠着微缩胶片中的技术资料
开拓了中国核电的荒野
(请横屏观看，秦山核电基地全景，包括秦山核电站[也称秦山一期]、秦山第二核电站[也称秦山二期]、秦山第三核电站[也称秦山三期]和方家山核电站，点击图片查看核电站位置，摄影师@邵帅)
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从几乎完全依赖进口的
广东大亚湾核电站
(广东大亚湾核电站，1993年建成，中国大陆首座百万千瓦级大型商用核电站，引进法国的核岛技术和英国的常规岛技术建造，图片来源@赖虔瑜/中国广核集团)
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到首个自主研发的大型核电站广东岭澳核电站(二期)(广东岭澳核电站[二期]，2010年建成，是我国“十二五”期间唯一开工的核电项目，也是我国第一个全面实现自主设计、建造和运营的百万千瓦级核电站，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团)
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再到首次装备“华龙一号”的第三代核电站福建福清核电站(福建福清核电站及远处的海上风电场，点击图片查看各机组位置，摄影师@过东海/中核集团)
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如今
17座核电站共计52台机组在中国大地上组成了一道特殊的能源“海岸线”当前发电总量已经高居世界第二(中国核电站分布示意图，本地图仅展示了中国大陆地区已投入运行的核电机组，制图@郑艺/星球研究所)
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但是
这就是终点了吗？
Part.5
未来今天如果想要查阅居里夫人当年的笔记本你需要穿上专门的防护服从特制的铅盒中将其取出这是因为这些笔记本仍然具有放射性而这种放射性还将持续至少1500年 (居里夫人手稿，图片来源@Wikimedia Commons，制图@罗梓涵/星球研究所)
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这也是核电发展到今天依然存在的最大问题核废料它们虽是核燃料使用后的残余但仍然具有强烈的放射性长久以来我们也只能经过复杂的处理后将其埋入地下依靠时间的力量消除辐射(法国工业地质处置中心[Cigeo]内的地下隧道，该中心是由法国国家放射性废物管理机构[Andra]运营的核废料处置库，图片来源@视觉中国)
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尽管第三代核电站对可能发生的泄漏进行了严防死守
但如果不能从根本上杜绝事故的发生
或者减少甚至消除核废料核电站的争议就将永远持续下去于是这项光荣而艰巨的使命便交到了第四代核电站手里
2021年12月20日全球首台第四代商用核电机组在中国山东石岛湾核电站实现并网发电它采用的高温气冷堆结构核泄漏的概率完全为零因为这座核电站的燃料被包覆在特殊材料制成的球体中即使在高达1600℃的温度下也不会破损而这远远超过了核反应堆能够达到的最高温度也就是说这是一道真正牢不可破的屏障(高温气冷堆球形燃料结构示意，制图@郑伯容/星球研究所)
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而另一种第四代核电站快中子反应堆核电站则从根本上减少了核废料的产生
它使用的燃料钚239
在裂变时释放的中子可以使外围的铀238变成钚239本身也就是说核燃料“越烧越多”核废料自然就越来越少相比传统的压水堆核电站燃料利用率可提高到60%以上(快中子反应堆“燃烧”过程示意，制图@罗梓涵/星球研究所)▼
此外
第四代核电站还有
熔盐堆、超临界水冷堆等其他类型
尽管目前大部分尚处于实验阶段
但在不远的将来
无论是经济性、安全性还是可靠性
它们都将是能源市场上最有力的竞争者
(山东石岛湾核电站，是全球首座球床模块式高温气冷堆核电站，也是世界上第一座具有第四代核能系统安全特性的核电站，图片来源@中国华能)
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但这还不是最清洁的能源技术
有另外一种核反应
可以真正实现“零废料”
它便是让太阳熊熊燃烧的
核聚变
核聚变是指两个较轻的原子核
结合成一个较重的原子核
同等质量的原子核
通过聚变释放的能量
是裂变的4倍之多
并且在这个过程中
不会产生任何危险的放射性物质
(核聚变反应示意图，制图@罗梓涵/星球研究所)
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但核聚变的实现比核裂变更加困难至少要加热到100000000℃以上才可能发生而聚变武器氢弹也只有依赖原子弹爆炸产生的高温才得以引爆(1967年6月17日，我国第一颗氢弹在新疆罗布泊爆炸试验成功，工作人员纵情欢呼，摄影师@孟昭瑞/视觉中国)
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而如何约束上亿摄氏度的原子核并将这些能量可控且持续地释放出来则是人类面临的另一项挑战
就在2021年的5月28日中国的受控核聚变实验装置位于合肥的“人造太阳”全超导托卡马克(EAST)首次实现1.2亿℃下持续“燃烧”101秒一举打破由韩国保持的世界纪录仅仅半年之后它又将7千万℃下运行的纪录提高到了1056秒
尽管核聚变的商业应用依然遥远但这些不断突破的纪录也意味着人类距离核聚变的能源时代又近了一步(请左右滑动查看中国的核聚变实验装置，左图为位于合肥的全超导托卡马克装置[EAST]，也被称为“东方超环”，图片来源@人民视觉；右图为位于成都的中国环流器二号M装置[HL-2M]，它是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，摄影师@郑铁流/中核集团)
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从蹒跚起步
到大起大落
再到绝处逢生
人类驯化原子核的道路
可谓一波三折
它曾给我们带来伤痛
也曾给我们带来欣喜
但在无数先驱的努力下
曾经“放荡不羁”的原子核
也越来越接近我们心中的
理想能源
尽管我们不知道
明天还有多少艰难的挑战
但回看核能
这段不到百年的发展历程
我们有理由相信
一个坎坷但注定光明的未来
正如诺贝尔和平奖获得者
阿尔贝特·施韦泽说过
“我忧心忡忡地看待未来，
但仍满怀美好的希望。”
核能亦如此
(工作人员正在进行核燃料更换，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团)
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参考文献:
[1] 阎昌琪, 丁铭. 核工程概论[M]. 哈尔滨工程大学出版社, 2018.
[2] 朱华. 核电与核能[M]. 浙江大学出版社, 2009.
[3] 叶奇蓁, 李晓明, 俞忠德, 等. 中国电气工程大典 第6卷 核能发电工程[M]. 中国电力出版社, 2009.
[4] 莫政宇. 能源动力工程概论[M]. 四川大学出版社, 2015.
[5] (美)查尔斯·D.弗格森. 核能[M]. 陆继宗译. 华中科技大学出版社, 2020.
来源：星球研究所
撰文：李鸭梨编辑：桢公子
设计：罗梓涵 郑伯容
图片：秦南
地图：郑艺
审校：王昆 陈志浩
封面摄影师：李亮杰/国家电投上海核工院
专家审校：北京师范大学国家安全与应急管理学院 特聘研究员 余雯
本文已获转载授权，如需转载请联系原作者
文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
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