神秘的核电不神秘（2）--揭秘压水堆

图1 
  

     常规岛
      我们先来看看常规岛。为何叫做常规岛？原因在于它的工作原理与设备和火电厂的基本相同。常规的主要任务负责把蒸汽变成电。

  图2

      发电机
      我们先来看看电是如何产生的？在初中时，我们都学过法拉第的电磁感应定律。据说，当年他用一个铁圈在两块磁铁里面转一转，突然发现电线旁边的磁针动了，于是就发现了这个伟大的定律。法拉第用他的电磁感应定律告诉我们，电是可以通过线圈在磁铁中转动而得。图2中的蓝色设备就是发电机。它里面有一个很强大的磁铁，还有一个可以转动的线圈，只要线圈转动，那我们就可以得到电了。
 
      （蒸）汽轮机
       那么，是什么能让这么大的线圈转动起来呢？我们一起来想想有什么可以让一个东西转动呢？风可以，它可以让风车转动起来，所以有了风力发电；水也可以，它可以让水力发电机转动起来，所以有了水电。还有什么呢？那就是蒸汽。早在200多年前，瓦特先生就发现了这一点，随后发明了蒸汽机，拉开了工业革命的序幕。电厂用的这种转动机械叫做蒸汽轮机（或者叫汽轮机），见图2中黄色设备。它利用蒸汽来冲击它的叶轮，让它高速运转起来，蒸汽的内能和动能就转化为蒸汽轮机转动的机械能。所以要想得到更多的转动机械能，就需要通过提高蒸汽的温度和速度。那如何让蒸汽具有高的速度呢？可以通过提高蒸汽的压力，管道两端的压力差越大，蒸汽的速度就越大。如何得到高压呢？把管道的一段封闭起来，另一段不断加入蒸汽，里面的蒸汽压力就可以升高。如何得到高温呢？不断的加热就可以了。于是，我们现在需要的就是不断的产生蒸汽，把这些蒸汽的压力升到要求的压力后，让它冲转蒸汽轮机，让汽轮机转动起来，从而带动发电机里的线圈转动，发出电来。那蒸汽从哪里而来呢？从图2中白色管道就是蒸汽的通道，这些管道连接到核岛了。让我们继续前进吧。
　　核岛就是产生核反应的地方，平时是不准任何人进去的。我悄悄地带大家进去瞧一瞧吧。
　　
        核岛
　　安全壳
　　核岛外面有个很大的壳，就像法海的"钵盂"一样，把里面的反应堆牢牢的"镇压"在里面。这个壳就叫安全壳，它是一个高60米（相当于20层楼），直径40米，厚1米的大家伙，用钢筋混凝土浇注而成，据说把911那两架飞机撞过来也稳如泰山。安全壳里非常复杂，有各种各样的管道和装置，我们无法一一讲述。值得我们一看的是放在中间的一个铁罐子，这个罐子可以说是核电站的镇站之宝。
　　
　　压力容器
　　这个罐子叫做压力容器，顾名思义，这个罐子里面是有很高压力，大概是15.5MPa，相当于155个大气压。在这么高的压力下，把水加热到300℃也不会变成蒸汽。压力容器上面有几根伸出容器外面的小棒，可别小瞧这几根小棒，它可是控制整个核电站的金钥匙，有了他们，才能让核电站乖乖地为人类发电。这些棒子叫做控制棒，可升可降。将压力容器的盖子打开，下面是一个截面像蜂窝状的圆柱体，这就是核反应发生的地方，叫做堆芯，见图3。这个蜂窝状的圆柱体可以分成17*17个格子，每个格子称为一个组件，每个组件里有289个小孔，用来装燃料棒，控制棒和测量管。具体怎么布置我们就不用去关心了，里面会涉及到很多专业的问题。压力容器的结构差不多，在这里，我们留下两个疑问：一个是为何需要15.5MPa的压力？另一个是控制棒有什么用？在解决这两个问题前，我们先来看看核反应究竟是如何发生的。
　　　　
　　裂变反应
　　说道核反应，先要来学一个公式：ΔE=ΔMC^2（希望不会减少一倍读者吧！)，E代表能量，M代表质量，C代表光速，这就是著名的爱因斯坦质能方程。它告诉我们，质量是可以转化为能量的。当我们用一个中子来撞击一个原子核，在速度和角度合适时，可以把这个原子核撞散，而被撞散出来的物质可以重新集合成新的原子核，这些被装散后集合的新原子核的总质量将会小于原来的原子核的质量。这些质量哪里去了呢？爱因斯坦用他的质能方程告诉我们，这些质量变成了能量。这就是裂变反应。裂变反应的能量有多少呢？假设1kg煤燃烧释放出来的能量为1个单位能量的话，1kgU-235通过裂变反应出来的能量大约是250万个单位能量。反正就能产生大量的能量。
　　
　　中子能谱
　　当一个中子撞击一个原子核时是否发生裂变反应，是和中子的速度和原子核的种类有关。所以，科学家们通过各种实验找出各种中子速度和原子核种类相撞击之后的情况，收集起来，成为核数据库。中子的速度也可以用中子的能量来表示，一个范围内的能量称为中子能谱。能谱高叫快中子，能谱底的叫热中子。现有的压水堆里用的中子能谱是比较低的，所以叫热中子反应堆，而在快堆中，用的中子能谱就比较高，叫快中子反应堆。通过前辈们的努力，终于知道了各种元素发生裂变反应所需要的中子能谱之间的关系。自然界中可以比较容易发生裂变反应的元素就是铀-235，它需要在中子能谱比较低的情况下才能更好的发生裂变反应，所以现有的压水堆中采用的是热中子能谱。
　　
　　超临界反应
　　当裂变反应发生后，除了产生能量之外，还会有中子产生，这些中子将会撞击其他原子核，再次发生裂变反应，称为链式裂变反应。如果产生的中子比消耗的中子多，那么这个反应就会不断持续下去，成为超临界反应；如果产生的中子比消耗的中子少，那么反应持续一段时间后就会自动停止，成为次临界反应。用一个中子撞击一个铀-235的原子核，平均可以产生2.43个中子，产生的中子比消耗的中子多，所以可以发生超临界反应。但如果无限制的反应下去，一下子产生巨大的能量，这不就是爆炸了吗？对的，原子弹就用运用这个原理制造的。不过你大可放心，核电站不会是绝对不会发生爆炸的。有人做了一个形象的比喻，原子弹就好比白酒，可以用火点燃，而核电站就像是啤酒，你绝对不可能把它点燃的。这里关键就在于浓度。原子弹燃料中铀-235的浓度是在90%以上，而核电站的燃料中铀-235却只有区区的3%，这就核电站为什么不会像原子弹那样爆炸的原因了。
　　
　　控制棒
　　在核电站里，除了浓度较低爆炸它不会爆炸之外，还有一个重要的工具，可以让裂变反应成为人类所可控的。那就是我们前面提到的那几根其貌不扬的控制棒。控制棒是啥东西？控制棒装的是一种特制合金，这种特制合金就是一个贪婪的守财奴，它可以大量大量的吃掉中子，而一个也不肯吐出来。所以，我们通过控制棒可以人为控制堆芯里面参与裂变反应的中子数目。一般是控制在产生的中子比消耗的中子多一点点，这样裂变反应可以一直持续下去，有可以得到控制。
　　
　　慢化剂与冷却剂
　　细心的读者也许会发现，对于发生裂变反应的中子来说，数量是一个重要的参数，速度（能谱）也是一个重要的参数。怎么保证裂变产生之后的中子的能谱就能符合裂变反应的要求呢？没错，裂变反应产生出来的中子能谱是比较高的，没法直接用它，所以我们要想办法把中子的能谱减下来，以达到裂变反应的要求。怎么降呢？这就要用到慢化剂。很荣幸，我们身边的水就是一种很好的慢化剂，中子在穿过水的过程中，能量会大大减低，所以压水堆中的慢化剂就是用水。而同时，水又可以用来作为冷却剂，把裂变反应产生的热量带走，所以反应堆里面的水是兼做慢化剂，又做冷却剂，一举两得。
　　
　　蒸汽发生器
　　从堆芯流出来的水是带有放射性的，不能直接流到外面去冲转汽轮机，所以就要通过一个换热器把热量传递到另一些水，这个换热器就叫做蒸汽发生器。蒸汽发生器是放在压力容器外面的，通过管道将它和压力容器连接起来，成为一个环路。压水堆中一共有三个蒸汽发生器，所有有三个环路。作为堆芯冷却和慢化用的水称为一回路水，而用来产生蒸汽的水叫做二回路水，这两种水是不会相互接触的，只能通过蒸汽发生器中的管道进行换热。我们称之为用水来烧水。也许你会疑惑，如果一边的水变成蒸汽，另一边的水不也会变成蒸汽了吗？怎么去用水来烧水呢？这就涉及到我们前面提高的另一个问题，为何需要15.5MPa的压力了。水在压力升高的情况下，沸点也会升高。我们家里用的高压锅就是这个利用这个原理的。从一回路流出来的水是在15.5MPa的压力环境下，在这种环境下，即使加热到300℃，水也不会变成蒸汽。而在另一侧的二回路水压力相对来说是低的，所以沸点比一回路的水低，自然就能实现用水来烧水了。二回路的水被加热变成蒸汽后，就通过管道送到汽轮机中去推动汽轮机做功，然后由汽轮机带动发电机发电。
　　
　　控制室
　　最后，我们来参观控制室。控制室里面就就几个大屏幕，显示各种各样的数据，操作员就根据这些数据来控制核电站的。工作看是简单，其实压力是很大的，因为一旦出现任何闪失，轻则损失几百万或几千万，重则影响整个世界核电的发展，可见压力之大。此外，倒班也是一个运行工作压力的一大来源。不过，他们都领着令人羡慕的高工资。
　　
　　好了，相信大家也累了，今天参观压水堆核电站的行程就到此为止！