為什么說核電站的原理就是在“燒水”？

提起核電站，很多人腦海中浮現(xiàn)的是高高的冷卻塔、神秘的輻射符號，甚至還有點(diǎn)科幻片里“核爆”的緊張感。但你知道嗎？看似高深莫測的核電站，其實(shí)干的事兒和家里燒水差不多——都是用熱把水燒開、變成蒸汽，然后推動渦輪機(jī)發(fā)電。聽上去是不是有點(diǎn)“低技術(shù)”？今天，我們就來聊一聊，核電站究竟是如何工作的？它和傳統(tǒng)的火力發(fā)電站又有何區(qū)別？

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

核電站的能量從哪里來？

核電站的能量來源于核裂變。根據(jù)初中的物理知識，我們知道：原子是由原子核和核外電子組成的，而原子核內(nèi)部包含質(zhì)子和中子，緊密結(jié)合在一起。當(dāng)某些重元素的原子核，比如鈾-235或钚-239，被中子轟擊后，會發(fā)生裂變，分裂成兩個(gè)較輕的原子核，同時(shí)釋放出巨大的能量和新的中子。這個(gè)過程不僅是能量的釋放，更是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的起點(diǎn)，因?yàn)樾碌闹凶涌梢岳^續(xù)引發(fā)其他原子核的裂變，形成持續(xù)的能量釋放。

鈾-235的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程（圖片來源：[1]）

核裂變釋放的能量非常可觀。一次裂變大約能釋放2億電子伏特（200 MeV）的能量，如果換算成熱能，僅僅一克鈾的裂變所釋放的能量，相當(dāng)于燃燒幾噸煤所產(chǎn)生的能量。正是由于這種高能量密度，核電站只需要極少量的核燃料，就能夠維持長時(shí)間的發(fā)電運(yùn)行，這也是核能成為戰(zhàn)略性能源的重要原因。

熱能是如何轉(zhuǎn)換成電能的？

核裂變本質(zhì)上產(chǎn)生的是熱能，而我們的電網(wǎng)需要的是電能，因此核電站的任務(wù)就是將熱能轉(zhuǎn)化為電能。這個(gè)過程與火力發(fā)電有著異曲同工之妙，它們的能量轉(zhuǎn)化路徑都是：熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能。

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

核電站的核心是核反應(yīng)堆，這里是核裂變發(fā)生的地方。反應(yīng)堆中裝有核燃料棒，通常是二氧化鈾制成的燃料顆粒，它們在控制下發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，釋放出大量熱量。為了確保反應(yīng)穩(wěn)定，反應(yīng)堆內(nèi)部設(shè)有控制棒，通常由吸收中子的材料制成，如硼或鎘。當(dāng)需要降低反應(yīng)速率時(shí)，控制棒插入得更深，吸收更多中子，裂變就會減緩。為了防止溫度過高，核電站還必須配備強(qiáng)大的冷卻系統(tǒng)。冷卻劑通常是高壓水，有些特殊反應(yīng)堆使用液態(tài)鈉或二氧化碳作為冷卻劑。冷卻劑將裂變產(chǎn)生的熱量帶走，然后在蒸汽發(fā)生器中加熱水，使其轉(zhuǎn)化為高溫高壓的蒸汽。

核電站發(fā)電的工作原理（圖片來源：[2]）

這些蒸汽接下來進(jìn)入汽輪機(jī)，推動其高速旋轉(zhuǎn)。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接著發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動線圈切割磁力線，最終產(chǎn)生電流。這個(gè)過程和火電站幾乎沒有區(qū)別，只是熱源不同，火電來自煤、油或天然氣，而核電來自核裂變。蒸汽在做功后被冷卻凝結(jié)成水，重新送回循環(huán)系統(tǒng)，形成一個(gè)封閉的回路，確保水資源高效利用。

核電站與火電站有什么區(qū)別？

從外部看，核電站與火電站的發(fā)電原理極為相似，都是通過燒水產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機(jī)，但差別在于熱量的來源。火電通過燃燒化石燃料釋放熱能，而核電通過裂變產(chǎn)生能量。由于核燃料的能量密度極高，一小塊鈾燃料就能取代數(shù)百噸煤炭，因此核電站所需的燃料遠(yuǎn)少于火電站。

核電與火電原理對比（圖片來源：星球研究所）

此外，核電在運(yùn)行過程中幾乎不排放二氧化碳，被認(rèn)為是一種低碳能源。然而，核電站的建造成本和技術(shù)要求遠(yuǎn)高于火電站，安全標(biāo)準(zhǔn)也極其嚴(yán)格，這使得核電雖然清潔高效，但在全球能源結(jié)構(gòu)中比例仍有限。

核電站如何保證安全？

提到核電，人們常常會聯(lián)想到切爾諾貝利或福島事故，對其安全性心存疑慮。實(shí)際上，核電站不可能像原子彈一樣發(fā)生大爆炸，因?yàn)樵訌椥枰查g達(dá)到超臨界狀態(tài)，而核電站中有一整套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，裂變速率被精確調(diào)節(jié)，確保反應(yīng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行。

四道屏障保證“華龍一號”核電站的安全（圖片來源：[4]）

核電站的安全依賴多重防護(hù)。首先，控制棒可以迅速調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，一旦發(fā)生異常，控制棒會立即插入反應(yīng)堆，終止裂變反應(yīng)。其次，冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要，確保堆芯溫度保持在安全范圍內(nèi)。

控制棒（圖片來源：[2]）

除此之外，核電站的反應(yīng)堆被包裹在厚實(shí)的鋼筋混凝土安全殼中，即使發(fā)生事故也能最大限度隔離放射性物質(zhì)。現(xiàn)代核電站還引入了被動安全系統(tǒng)，即便外部電源全部喪失，系統(tǒng)仍能依靠物理原理繼續(xù)冷卻，避免堆芯熔毀。可以說，現(xiàn)代核電站的安全性與幾十年前相比，已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。

總結(jié)來說，核電站的本質(zhì)，其實(shí)就是利用核裂變產(chǎn)生的熱量，通過蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電。它其實(shí)不是大家刻板印象中“隨時(shí)可能爆炸的怪獸”，而是一種高效、低碳的清潔能源。核能并不可怕，可怕的是對它的無知。只要科學(xué)、安全地利用，它完全可以成為人類能源轉(zhuǎn)型的重要支柱，為未來提供源源不斷的動力。

參考文獻(xiàn)

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/Xq4aQ67PvCiJH12dReHxEQ

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/L9mOV-bgSr8TnGFyA1DUPA

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/voacU8WDjyLsau0CyoVkRw

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/ElWI936sWMIoGN2QqaFexg

[5]馮獻(xiàn)靈,薛廣宇.核電站工作原理及發(fā)展前景展望[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2021,20(07):75-76.

[6]張瓔.核電站工作原理及發(fā)展趨勢[J].裝備機(jī)械,2010,(04):2-7.