降服“核魔”安享核電

肖逸

人類太渴求“電”了，沒電是不行的，電太少也是不行的。火力發(fā)電污染大氣，讓我們呼吸困難；水力發(fā)電截江斷河，影響生態(tài)；風(fēng)力發(fā)電清潔無害，可是發(fā)電量太小，很不夠用；核能發(fā)電是“發(fā)電界”的黑馬，將成為清潔能源的主流，可是要降服“核魔”并非易事……

構(gòu)成物質(zhì)的原子是由原子核和它周圍的電子構(gòu)成的。原子核里面又包含中子和質(zhì)子，如果一個(gè)原子核所含的中子和質(zhì)子數(shù)量少，就稱為輕原子核。如果原子核中所含的中子和質(zhì)子數(shù)量較多，那么就稱之為重原子核。輕原子核有融合長(zhǎng)大的需要，重原子核則有“分裂變小”的需求，這就是我們平常所說的核聚變和核裂變。不論核聚變還是核裂變，都會(huì)釋放巨大的能量，這種能量就叫核能。利用核能發(fā)電的電站就稱為核電站。

人類自60多年前建造出核電站之后，發(fā)現(xiàn)核電站可以為我們提供源源不絕的充足電力，于是核電站讓我們擁有了“用電不愁少”的驚喜。為什么核電站可以提供充足的電力呢？這與核電站使用的燃料有關(guān)：核電站通常使用的燃料叫鈾，1千克鈾釋放出的能量相當(dāng)于2700噸煤燃燒放出的能量。呵呵，1千克鈾也就是一小捧，而2700噸煤需要700輛長(zhǎng)箱大貨車才能拉完。這么一對(duì)比，你應(yīng)該能感受到核能的威力了吧。

因?yàn)榭吹搅撕四馨l(fā)電潛力巨大，所以掌握了核電技術(shù)的國(guó)家“拼命”建設(shè)核電站，以滿足生產(chǎn)生活對(duì)電力的強(qiáng)大需求。這60多年間，世界各國(guó)共建造了400多座核電站。其中法國(guó)有78%的電力是核電，日本的核電占總發(fā)電量的36%，韓國(guó)是42%，美國(guó)是20%。想知道咱中國(guó)的核電有多少嗎？中國(guó)的核電真是有點(diǎn)兒少呢，我們只有1.6%的電力是由核電站提供的。核電少了，火電不少，這是我國(guó)成為世界第一碳排放大國(guó)的原因之一。

核電站已經(jīng)成為提供電力的首選，據(jù)測(cè)算，只要建設(shè)2500座核電站就能滿足全世界的用電需求。中國(guó)完全由核能供電的話，大概需要建600座核電站。

隨著更多核電站的建成，人類用電不愁的驚喜將變成現(xiàn)實(shí)。但在核電站的發(fā)展過程中，人們驚喜之中也常有驚恐……

小小的原子核里，居然隱藏著巨大的能量。是誰發(fā)現(xiàn)了核能呢？并非一個(gè)人發(fā)現(xiàn)的核能。核能作為人類科學(xué)史上的重大發(fā)現(xiàn)，是一群科學(xué)家接力研究的結(jié)果。1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性。1898年，居里夫人與居里先生發(fā)現(xiàn)放射性元素釙。1902年，居里夫人經(jīng)過三年零九個(gè)月的艱苦努力，又發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳。1905年，愛因斯坦提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式。1914年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福通過實(shí)驗(yàn)，確定氫原子核是一個(gè)正電荷單元，稱為質(zhì)子。1935年，英國(guó)物理學(xué)家查得威克發(fā)現(xiàn)了中子。1938年，德國(guó)科學(xué)家奧托·哈恩用中子轟擊鈾原子核，發(fā)現(xiàn)了核裂變釋放能量的現(xiàn)象，人們據(jù)此于1942年12月2日成功啟動(dòng)了世界上第一座核反應(yīng)堆。

原子核釋放能量的方式有三種。一是裂變，二是聚變，其實(shí)還有一種釋放能量的方式叫衰變——不穩(wěn)定的原子核在變成另一種穩(wěn)定的原子核時(shí)，會(huì)以射線的方式釋放能量。人們就是利用這個(gè)原理制造出了醫(yī)學(xué)用的透視機(jī)?？磥碓幽芫嚯x我們并不遙遠(yuǎn)，它們的應(yīng)用早已出現(xiàn)在我們身邊的日常生活中。

火電站有可能爆炸，水電站有可能潰壩，核電站運(yùn)行故障也無法完全避免，風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)存在。核電站一旦出現(xiàn)安全事故，不僅僅是事故，往往還造成讓人難以承受的災(zāi)難。

最早的核電站事故發(fā)生在美國(guó)。1979年3月28日凌晨4時(shí)，美國(guó)三里島核電站二號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行，三名工作人員正在清洗冷卻機(jī)系統(tǒng)。一名工人因注意力不集中，發(fā)生了操作失誤，結(jié)果導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)停機(jī)，接著核反應(yīng)堆的溫度不斷上升，泄壓閥自動(dòng)開啟，造成反應(yīng)堆內(nèi)的放射性物質(zhì)泄漏，安全系統(tǒng)報(bào)警。接下來，這位工人繼續(xù)犯了一個(gè)操作錯(cuò)誤，他竟然誤讀了警報(bào)，關(guān)閉了反應(yīng)堆冷卻的注水開關(guān)，結(jié)果反應(yīng)堆構(gòu)件在缺水的狀況下熔成一團(tuán)，報(bào)廢了。反應(yīng)堆報(bào)廢后，起初并沒有對(duì)民眾造成危害?？墒且恍┎欢穗娍茖W(xué)的媒體得知核電站的事故信息后，在報(bào)紙上大力渲染“核電站爆炸”了，結(jié)果造成了周邊民眾恐慌，共有15萬左右的居民被嚇跑了。三里島核電站事故雖然最終沒有帶來人員傷亡，卻讓人們發(fā)現(xiàn)核電站里隱藏的危險(xiǎn)。

1986年4月25日，蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站4號(hào)機(jī)組正在進(jìn)行一次安全試驗(yàn)，結(jié)果同樣是由于操作人員的失誤，導(dǎo)致了人類歷史上“最不安全”的一場(chǎng)核電站爆炸事故。核爆炸破壞了核反應(yīng)堆的頂蓋，并把反應(yīng)堆廠房屋頂炸毀，將所有放射性物質(zhì)全部釋放到周圍環(huán)境中，帶來了極為嚴(yán)重的核泄漏事故。這一事故釋放出來的放射性物質(zhì)相當(dāng)于廣島原子彈的400倍，直接受輻射塵污染的面積達(dá)20萬平方公里。自1986年至2000年間，大約有35萬烏克蘭、俄羅斯、白俄羅斯等地居民被迫遷出受輻射污染的家園。如今，切爾諾貝利地區(qū)已經(jīng)成為“死城”，沒有人能在這里居住生活。這次核電站災(zāi)難，讓全人類都感受到了核泄漏的恐怖。

日本是極其重視核電站安全的國(guó)家之一，他們建造的核電站要求“固若金湯，萬無一失”。在一流的核電安全技術(shù)保障下，日本的核電站的確運(yùn)行安全，從無大的事故發(fā)生，有些日本居民就臨近核電站居住，絲毫沒有懼意。2011年3月11日14時(shí)16分，日本福島核電站遭遇了9級(jí)地震，大地震并沒有摧毀核電站，可是摧毀了保障核反應(yīng)堆的冷卻供電線路，造成電路中斷。電路斷了之后，核爆炸事故并沒有發(fā)生，因?yàn)閼?yīng)急柴油發(fā)電水泵啟動(dòng)，照舊可以抽水冷卻反應(yīng)堆?？墒?0分鐘之后，地震導(dǎo)致的海嘯把應(yīng)急柴油發(fā)電水泵淹沒了，核電站安全的最后一道防線失效，最終導(dǎo)致反應(yīng)堆高溫發(fā)生了爆炸，出現(xiàn)災(zāi)難性核泄漏事故，導(dǎo)致15萬人失去了家園。另外還有大量的放射性廢水被直接排到了海洋中，帶來了無法估量的生態(tài)災(zāi)難。

被人類寄予厚望的核電站，竟然多次以恐怖的面目出現(xiàn)，給人類帶來了極端恐懼。在核事故面前，人類的力量顯得十分渺小，如不能降服“核魔”，核電站將不是人類的福利，而是人類的夢(mèng)魘。

核電站會(huì)不會(huì)像原子彈那樣爆炸？答案是否定的。因?yàn)殡m然核彈和核反應(yīng)堆都以鈾為原料，但兩者對(duì)純度的要求完全不同。對(duì)于原子彈，要求鈾-235的純度在90%以上，而核電站反應(yīng)堆燃料鈾-235的純度只需要5%以下。正如烈性白酒可以點(diǎn)燃，啤酒卻不能點(diǎn)燃的道理一樣，核反應(yīng)堆即使失控，也不會(huì)像原子彈那樣爆炸，因?yàn)槠淙剂系募兌炔粔颉?/p>

1987年9月，兩名男子在一個(gè)廢棄的醫(yī)務(wù)所，拆下一個(gè)他們自認(rèn)為非常貴重的設(shè)備。一天之內(nèi)，兩人均出現(xiàn)嘔吐癥狀，隨后又出現(xiàn)腹瀉和眩暈。他們根本不知道，這個(gè)廢棄的設(shè)備實(shí)際上是一個(gè)高輻射源，用于治療癌癥患者。這個(gè)輻射源能夠在黑暗中發(fā)出藍(lán)光，廢品商德瓦爾·費(fèi)萊拉對(duì)它產(chǎn)生了濃厚興趣，最后花錢買下。費(fèi)萊拉將這個(gè)杯子大小裝有粉末狀物質(zhì)的罐子放在飯廳，并邀請(qǐng)好友和親戚參觀。他們將粉末涂抹在身上，讓自己變成了會(huì)發(fā)光的人。但令他們沒有想到的是，神奇的粉末居然是放射性物質(zhì)氯化銫。一個(gè)月內(nèi)，費(fèi)萊拉的妻子、6歲大的侄女，以及2名員工都死于急性放射綜合征。在這起事故中，總共有249人被這種放射性物質(zhì)傷害！發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)一定要遠(yuǎn)離，并立即請(qǐng)專業(yè)人員來處理喲！

隨著核電站安全技術(shù)的不斷升級(jí)，核電站爆炸和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)直線下降。因?yàn)橛兄絹碓娇煽康暮穗姲踩夹g(shù)，人類安享核電的美夢(mèng)越來越近了……

一般來說，20世紀(jì)50—60年代建造的驗(yàn)證性核電站稱為第一代核電站，20世紀(jì)70年代標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，批量建設(shè)的核電站稱為第二代核電站，這兩代核電站的安全性能整體不高，核電站爆炸和泄漏事故主要集中在這兩代核電站上。

自20世紀(jì)90年代開發(fā)建設(shè)至今，更成熟、更先進(jìn)的核電站稱為第三代核電站。第三代核電站因?yàn)椴扇×烁又苊艿姆佬l(wèi)措施，所以除非遇到不可抗拒的天災(zāi)，第三代核電站出現(xiàn)事故的可能性基本不存在了。那么，第三代核電站憑什么能大幅度降低事故率呢？

一憑反應(yīng)堆的自主自然降溫系統(tǒng)。前兩代核電站的反應(yīng)堆降溫主要依賴人工操作，還需要有非?？煽康碾娫垂?yīng)和大量的水供應(yīng)。一旦人工有操作失誤或者斷電事故發(fā)生，就可能會(huì)引發(fā)反應(yīng)堆升溫爆炸。第三代核電站的反應(yīng)堆則使用的全自動(dòng)不完全依賴電源的降溫方法，就算是沒有電力，反應(yīng)堆完全可借助重力、溫度、膨脹等自然現(xiàn)象進(jìn)行自主降溫，自主降溫需水量非常小，一輛消防車的水量可供反應(yīng)堆一周的降溫之需。自然冷卻的能力，讓反應(yīng)堆完全不會(huì)再產(chǎn)生高溫爆炸的危險(xiǎn)。

二憑杜絕事故的安全保障措施。經(jīng)過總結(jié)，人們發(fā)現(xiàn)許多核電站事故是因?yàn)榘踩Ｕ洗胧┎豢煽吭斐傻?。?jīng)過近30年的運(yùn)行時(shí)間，人們已經(jīng)總結(jié)出了讓核電站安全運(yùn)行的六大保障措施，可保核電站從制度層面安全運(yùn)行。這些安全保障措施分別為：核電站建設(shè)的嚴(yán)格審批制度、核電站的防震建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、核電站的防洪水建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、核電站電源應(yīng)急措施、事故發(fā)生處理預(yù)案、核電站內(nèi)除氫技術(shù)。

三憑核電站的包裹技術(shù)。核電站的核心部分是反應(yīng)堆，只要對(duì)這個(gè)核心部分進(jìn)行層層包裹，并且包裹住，就算是有爆炸，也不會(huì)泄露危險(xiǎn)物質(zhì)。第三代核電站對(duì)其核心部分進(jìn)行了四層包裹：第一層將燃料芯塊包裹在陶瓷罐里，第二層是將陶瓷罐的外邊再包裹一層鋯；第三層是把燃料和燃料構(gòu)件再包裹在鋼制壓力罐里；最后一層是壓力罐外再加一層鋼制安全殼。正是對(duì)危險(xiǎn)物質(zhì)進(jìn)行了嚴(yán)密包裹，所以第三代核電站就有了“爆炸也無憂”的無泄漏底氣。

第三代核電站的安全技術(shù)并非最強(qiáng)，還有更強(qiáng)的第四代。第四代核電站的核反應(yīng)堆有多種模式，分別是高溫氣冷堆、鉛合金液態(tài)金屬冷卻堆、液態(tài)鈉冷卻堆、超高溫氣冷堆系統(tǒng)、超臨界水冷堆系統(tǒng)。第四代核電站的反應(yīng)堆型雖各不相同，但是有兩項(xiàng)重要的安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)卻是一致的：一是要杜絕電站爆炸，二是要杜絕核泄漏。

要想核電站不爆炸，得有先進(jìn)的降溫技術(shù)。先前那些核電站爆炸，多是因?yàn)楹朔磻?yīng)堆的冷卻系統(tǒng)出了問題，導(dǎo)致高溫高壓發(fā)生爆炸。前三代核電站的反應(yīng)堆冷卻媒介是水，用循環(huán)水降低反應(yīng)堆熱量。但是水有個(gè)致命弱點(diǎn)，就是在高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫高壓氣體，這是導(dǎo)致核反應(yīng)堆出現(xiàn)故障然后爆炸的原因之一。具有第四代核電站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高溫氣冷堆的冷卻媒介是氦氣，氦氣可以耐受900℃的高溫，能在極端高溫條件下冷卻反應(yīng)堆，即使反應(yīng)堆出現(xiàn)了事故，在氦氣的冷卻下，也不會(huì)快速升溫造成爆炸。

60多年來，核電技術(shù)可謂一代更比一代強(qiáng)，但它們無疑都是圍繞鈾、釷、钚這些重元素核裂變反應(yīng)的原理做文章。如果和輕元素發(fā)生核聚變反應(yīng)的原理相比，即便是當(dāng)今最先進(jìn)的第四代核電技術(shù)也要甘拜下風(fēng)。

核聚變?cè)蟻碜詺湓丶易宓碾碗?，在特定條件下發(fā)生碰撞，聚合成個(gè)頭稍大的氦元素。這個(gè)過程比鈾元素裂變產(chǎn)生的能量還要大得多，而產(chǎn)物只有無毒無放射性的氦氣，沒有棘手的高放射性廢物需要處理，原料的豐富程度也是鈾礦儲(chǔ)量難以企及的。太陽就是利用這樣的反應(yīng)哺育了地球四五十億年。很遺憾，我們現(xiàn)在的科技水平還駕馭不了這種能量。其實(shí)，在第一座核電站問世前兩年，美國(guó)就已經(jīng)率先利用核聚變?cè)恚龀闪吮仍訌椡Ω鼜?qiáng)的武器——?dú)鋸?。但是，炸彈是沒法用來燒水做飯的，半個(gè)多世紀(jì)后的今天，人們依然“Hold”不住核聚變的野性。然而，把核聚變從毀滅性武器“馴化”成隨開隨關(guān)、火力可調(diào)的和平“爐灶”，一直是核電發(fā)展的革命性目標(biāo)。

核聚變能由于資源豐富和無污染，被科學(xué)界認(rèn)為是最有希望徹底解決能源和環(huán)境問題的根本出路之一。中科院科學(xué)家指出，我國(guó)自21世紀(jì)初正式參加國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃后，經(jīng)過十多年的努力，核聚變科研能力、重要部件制造工藝能力、工程建造能力、大科學(xué)工程管理能力等均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具備建設(shè)自主產(chǎn)權(quán)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的能力。

在開發(fā)核聚變能被人們形象地稱為“人造太陽”的路上，中國(guó)已從“追趕者”“陪跑者”，成長(zhǎng)為具備強(qiáng)大國(guó)際輸出能力的“領(lǐng)跑者”?？茖W(xué)家們數(shù)十年艱辛“逐日”，就是盼望核聚變能點(diǎn)亮的第一盞燈在中國(guó)。

我國(guó)的ITER計(jì)劃將于2021年建成，2027年全面開始以氘、氚燃料為主的實(shí)驗(yàn)堆實(shí)驗(yàn)。

核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆之后是核聚變示范堆的建設(shè)和試運(yùn)行，大概還需要10～20年的時(shí)間，此后真正商用還要有一定的物理運(yùn)行期。如此算來，核聚變能為人類廣泛造福的時(shí)代來臨，估計(jì)要到21世紀(jì)中葉以后。

氦元素也可以通過聚變反應(yīng)釋放能量，所以氦元素也是一種重要的核電站備選燃料。到哪里可以弄到大量的氦元素呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球上存在大量的氦元素——月球上的氦元素用來發(fā)電的話，可以滿足人類1萬年的電力需求。氦在核聚變反應(yīng)中釋放巨大能量，而且不產(chǎn)生放射性污染，被認(rèn)為是21世紀(jì)人類社會(huì)的完美能源。只是從月球上把這些東西弄下來有點(diǎn)兒難呵，不過以后就不難了——月球早晚是我們的。

（編輯 孫世奇）