核电站的原料是什么？

铀。

但确实，事实如你所见：铀 235 太少，榨干了也没多少，99.3% 是铀 238。

怎么解决？

按照惯例，先展开说一下核动力的基本原理。

首先我们把「核动力」分两部分：暖宝宝部分和烧开水部分。

后面的「烧开水」技术比较成熟，暂不细说。

重点说一说与「核」有关的暖宝宝部分。

铀浓缩

铀核分裂释放能量，自然界但凡涉及能量变化，大多以「热量」和「辐射」的形式释放。

这就是「发热」的来源。

不过，光「发热」是不够的，要随心所欲的发热才行。

原理也简单：控制铀浓度和分裂速度，就可以控制发热的速度。

第一个概念出来了：铀浓缩。

利用化学手段把铀提纯，化学反应电子说了算，中子是不屑管的，所以化学提纯的铀是由 99.3% 的铀 238 和 0.7% 的铀 235 组成。

因为两者的化学性质一模一样，想要再分开，就只能靠两者重量的微小差异了，最成熟的办法就是离心机。

先把铀弄成六氟化铀气体，然后放到圆筒里旋转。

不同重量的气体分子就会出现分层，重的往边上挤，轻的留中间，再用导管分别抽走，放到下一个筒继续转，这样多折腾几次，浓度就慢慢提高了。

那得折腾多少次？

自个儿到网上数数伊朗的铀浓缩设备吧，还遭过黑客攻击呢！

这离心机可是大流氓严格控制的设备。

用于发电的 235U 丰度为 3%5% 左右，舰船动力 10%20%，武器级 90% 以上，而天然铀仅 0.7%。

认为击中反应堆就会引起核爆炸的，罚抄原子弹原理一百遍！

非武器级铀，为了更好的控制发热和后期废料的处理，会添加其他物质，比如咱们的「铀钼合金」就很不错，含铀 10%。

能自主造原子弹的国家，浓缩铀技术肯定不在话下。

控制棒

高浓度的铀 235 有了，下面是第二个概念：分裂速度。

原子核分裂是原子的头等大事，质子和中子得商量着来，电子靠边站。

235U 有 143 个中子，238U 有 146 个中子，于是他们商量出了不同的结果：235U 分裂快能量多，放出的中子也快；238U 分裂慢能量少，放出的中子也慢。

掰原子核首选 235U，就这么愉快地决定了！

世人皆知，235U 会自发分裂，用中子轰击分裂的更快，中子哪里来？

掰开一个原子核就会产生 2~3 个中子，子子孙孙无穷尽也！

简直完美！

问个题外话：原子核为什么会自发分裂？这得问狗日的量子力学了，改日再叙。

有几个因素会影响掰原子核：235U 的浓度、中子的速度、中子的数量。

235U 分裂跑出来的中子速度很快，经常撞不到其他原子核就跑到外面去了。

为了增加撞击概率，要么增加 235U 浓度（那就变成原子弹了，不能这么玩），要么就把中子速度降下来。

中子对水很是一往情深，所以就用水做慢化剂，降低中子的速度。

这样就能让铀慢慢分裂、慢慢发热，但是这样还不能随心所欲调节速度。

别急，还有招。

如图所示，左右两端蓝色的铀燃料棒，浸泡在水里。

中间红色的控制棒，是可以吸收中子的材料，诸如硼、碳化硼、镉等。

平时，两个燃料棒互扔中子对飙，控制棒在中间劝架，通过控制棒的升降就可以控制飞到对面的中子的数量，从而调节掰原子核的速度，即反应堆发热速度。

这些控制棒就跟铡刀似的，悬在反应堆上方。

一有风吹草动，控制棒立马一插到底，阻止两边的中子对抽。

燃料棒只能靠自己产生的中子自虐，发热功率降至最低，即所谓的「停堆」（停堆不是完全不发热）。

那能不能彻底不让 235U 分裂呢？

量子力学说，不行！

别说技术了，连理论都还找不到！

若没有中子轰击，这些原子核就按自己的节奏，一个一个分裂释放能量，这就是半衰期。

这下麻烦来了。

因为这家伙 365 天 24 小时每一秒都不停发热。

一旦热量不导出，温度就急剧上升，这能有多烫？

美帝三里岛核事故，从冷却系统故障到反应堆彻底毁坏，只用了 120 秒。

再然后，索性把堆芯熔化了，导致放射性物质外泄。

核反应堆最危险的就是冷却系统故障，这是核心的核心！

人类之所以愿意火中取栗，是因为掰原子核收益不菲。

一次加料，暖宝宝可以持续发热几个月到几十年不等（航母通常是几十年）。

领导都天天加班了，你员工好意思不加班吗？

就因为「加班」问题，暖宝宝分成了好几种。

同学们注意，下面开始报仇啦！

反应堆

沸水堆：

水既是慢化剂，也是导热剂，铀棒泡在水里发热，直接把水加热沸腾，气化后推动汽轮发电。

看这原理就有点慌，这个水带着放射性，还跑去推动汽轮，转轴的地方总归还是有缝隙的吧，出点故障就容易泄漏，所以大家玩的就少。

但因为沸水堆结构简单、成本低，不乏艺高人胆大之辈，大名鼎鼎的福岛核电站和切尔诺贝利核电站就是沸水堆。

我兔胆小，从来不玩沸水堆。

压水堆：

顾名思义，把水压着不让沸腾，加压到 150 个大气压以上，水的沸点超过 300 度，这个热水通过循环管道加热外面的水，让外面的水沸腾气化，推动汽轮。

这样和铀棒接触的水就完全与外界隔绝了，不容易泄漏，安全性高，压水是比较主流的玩法。

我兔玩核电一直很保守，在与美苏飙原子弹时判若两人，中学课本上一度只有秦山和大亚湾两座核电站。

最近几年估计是长进了，在建的有十几座压水堆。

能看出上下两图的本质区别吧？

轻水堆：

沸水堆和压水堆用的慢化水，若用最普通的水（俗称轻水），就叫轻水堆。

这是最常见的堆型，水多便宜啊！

重水堆：

慢化水若用氘化水（俗称重水），就叫重水堆。

这厮可了不得！

氘核比氢核重，所以中子减速效果更好，中子吸收也更少，对铀浓度的要求就低，甚至用天然铀就可以做燃料。

而轻水堆只能靠提高铀浓度来弥补中子的损失，通常铀浓度在 3%-5%。

秦山三期核电站就是重水堆，加拿大的技术，据说这手艺加拿大最牛，这貌似是两国合作过最大的项目了，当然引渡贪官除外。

热堆：

这名字不太好理解，砖家们把变慢的中子就叫热中子，而不是慢中子，上述这些把中子变慢的暖宝宝，统称「热中子反应堆」，简称：热堆。

石墨气冷堆：

又叫「高温气冷堆」，这个得好好说道说道。

我兔算上在建的有十几座压水堆，说实话，压水堆技术不算出众，但凭借石墨气冷堆一举实现弯道超车，已经玩到了所谓的核电第四代！

这里的区别可大了，大家瞪大眼睛。

核反应堆之所以麻烦，是因为暖宝宝不停发热，万一冷却系统故障就 game over！

石墨气冷堆采用了非常巧妙的办法，把核燃料塞到一个石墨球里，利用石墨做慢化剂（话说，看到现在，还记得慢化剂的作用吧），然后用非常惰性的氦气做冷却剂（或叫导热剂）。

这结构妙在哪里呢？

我来描述一下工作过程：

中间那个小煤球，就是铀燃料，60mm 的煤球，中间大约只有 0.2mm 的铀燃料；

正常工作时，就是对着一堆煤球吹氦气，让滚烫的氦气去烧开水发电；

等煤球不烫了，就从下面放走，再从上面放进新的煤球，继续吹气；

万一吹气系统失灵了，温度超过正常值，系统就停止扔新煤球；

让石墨和氦气硬抗里面的热量，这俩哥们不怕烫，氦气轻松 900 度，石墨 1600 度小意思！

然后等煤球自己冷却便可。

厉害了，我的石墨球！

这个结构非常安全，清华大学做过多次表演，直接关闭冷却系统，在没有任何外界干预的情况下，石墨气冷堆自动实现了停机，妥妥的。

这个结构也非常简单，越简单的东西越稳定，而且符合我兔的风格：便宜！

再有一点，压水堆更换燃料棒非常繁琐，所以一次加料比较多，变相增加了危险系数。

高温气冷堆就很方便，堆芯存了几万颗煤球，每次自动扔一点到中间，不需要太多也不需要停堆，显然更安全，热效率也远高于压水堆。

既然石墨气冷堆这么牛逼，你咋不早点上天呢？

答：

一则高温高压氦气回路加工要求特高；

二则煤球也不是谁都能做的；

三则气冷功率不如水冷，功率密度小于压水堆（同样体积的反应堆，功率偏低）。

其实大英帝国 50 年前第一个玩高温气冷堆，可惜后来荒废了。

现在美帝、毛子、脚盆做的都不错，高温气冷和压水堆的技术衔接性不多，大家都是白手起家，所以我兔很窃喜。

据说现在可能跑到前面去了，这不，居然跑到大英帝国去得瑟了，号称要给洋人修核电站。

说了一堆的「堆」，过瘾了没？别急，还有一「堆」呢！

快堆

上面说的那些暖宝宝，全都要让中子慢下来（简称热堆）。

接下来，介绍一位新人：快中子反应堆（简称快堆）。

这位也是著名的核电第四代传人，全球第四代核能系统的优选堆型，这堆得从头说起。

虽然人类成功让大杀四方的原子弹沦为「开水工」，但好景不长。

第一，铀 235 太少，榨干了也没多少，99.3% 是铀 238。

第二，废料处理太麻烦。于是大家就想，怎么样把铀 238 也赶尽杀绝了。

直接下手有点困难，但用一个中子轰击一下，铀 238 就变成钚 239，这可是宝贝，可堪大用，煮茶叶蛋的时候加一些，风味倍增！

所以大流氓严格控制小流氓玩快堆，自己却大大方方建造「生产堆」，就是那种不用来烧开水，专门生产钚 239 的反应堆。

当然，原子弹好不容易从良，咱别老想一些打家劫舍的勾当，钚 239 和铀 235 一样，也会裂变产生能量。

哈哈，有主意了！

用钚 239 作为反应堆的核燃料，不用慢化剂，外面直接围上一圈铀 238。

钚 239 裂变，产生的中子直接撞击铀 238，然后铀 238 就变成钚 239。

这个过程产生比消耗还快，钚 239 越烧越多，直至铀 238 全部消耗完。

于是取名叫「快中子增殖反应堆」，也叫快中子反应堆，简称快堆。

顺便辟个谣，钚的致死量大约是 5mg/kg，杀死 50kg 重的人就得用 250mg，而不是谣言里的「5 克毒死全人类」。

快堆几乎可以将所有的铀燃料烧干净，而且能充分利用储量较多的铀 238。

不过，在前期生产燃料时会有些废料，总体算下来，60%-70% 的利用率吧，这个已经超过原有堆型很多了。

卧槽，又是一个能上天的货？

没那么简单！

你也得有副硬翅膀才行！

快堆要用快中子，所以不能用水冷却（水是慢化剂），而且内部反应剧烈，需要导热性好的冷却剂，快速把热量导出来烧开水。

也就是说，冷却剂第一不能减速中子，第二导热性要好，这类材料往往就是金属。

所以「高温液态金属冷却技术」是快堆的核心技术，甚至可以说是决定性技术。

好了，开始第二轮，再来一「堆」。

第一：钠冷快堆。

没错，把核燃料泡在金属钠里！

高中化学没忘的同学肯定开始慌了，还别说，钠堆是最主流的快堆，中国第一座快堆也是钠冷堆，2010 年运行，用了 260 吨金属钠，这在同行里算少的。

金属钠的导热性比水好太多了，所以功率大增！

纵然金属钠千好万好，可毕竟还是金属钠！

堆芯的工作温度在 500°C 以上，几百吨高温熔化的金属钠，想想就慎得慌，这对冷却系统的要求非常高，没绝对的工业实力，还是别碰了。

后果请参考日本文殊堆。

第二：铅冷快堆。

应该叫「铅基快堆」更严谨，冷却剂用的是铅铋合金。

这得益于中科院某团队，「聚变堆」的铅锂冷却剂也是他们搞的，反正他们擅长用各种铅基材料导热！

铅不怕空气不怕水，这尼玛比「金属钠」可爱太多了！铅基冷却的难点是非常容易腐蚀包壳和结构组件材料，这玩意儿能直接把金属溶解了，就好像用盐块去盛沸水。

再想想那个可怜的泵，要不断倒腾滚烫熔化的液体铅，先抽出来烧开水，再抽回去冷却堆芯……

正当美帝、毛子、脚盆削尖脑袋防腐蚀的时候，我兔突然推出了铅冷快堆：核能宝！

这尼玛是要把核能当白菜卖吗！

美帝别怕，这「核能宝」功率不大，几千到一万千瓦左右，也就驱动几千台立式空调，体积有集装箱那么大，功率密度不高。

不过，未来提升空间还是有的，铅铋冷却回路是关键，目前估计是冷却剂自然循环，如果那个驱动液态铅的泵做好了，功率就还能提高，甚至超过钠冷堆。

铅冷快堆，现在虽然功率小点，但 1 个不够可以放 2 个、3 个，像离岛这些地方还是很方便的。

怎么用？你没看广告吗？

「想去戈壁荒滩煮茶叶蛋吗？想去南海诸岛看潮涨潮落吗？想到海上钻井平台捞石油吗？……赶快扔掉那些柴油发电机吧！核能宝，你的不二之选！」

博学的同学肯定要问前苏联的铅铋冷却核潜艇了，大毛的粗线条你还不了解吗？

当年为了和美帝对飚，压根没解决铅腐蚀的问题，一路开一路泄漏，爆炸不断，那真是魔鬼之旅，死了不少人，最后没辙，全扔海里去了。

第三：气冷快堆。

不用说，肯定还是氦气，惰性又耐高温，但导热功率小，只能作为备选堆型，也是最没前途的快堆。

注意和前面石墨气冷堆的区别，那是热堆，这是快堆。

其他核能

看完热堆和快堆的原理，大家肯定很蛋疼，大名鼎鼎的「核动力」，居然最后都要靠「烧开水」发电，当年知道真相的我，也是眼泪掉下来。

有没有办法能不干「烧开水」这个苦差？有的，隆重有请「塞贝克效应」登场！

塞贝克效应，两个不同的导体或半导体靠在一起时，如果有温度差就会产生电压，相当于一个电池。

于是大家很开心，利用这个原理，制造了：

温度计！！

就是温度计！尼玛太暴殄天物了，这么好的原理，你居然就做了个温度计！

这货还有一个名字叫「热电偶」，这下认识了吧？

电子温度计都是这个原理，根据电流大小计算温度，能测量近 3000 度的高温，酒精和水银温度计真是拍马难及啊！

热电偶已经被玩成地摊货了，大家都觉得不过瘾，于是又搞了个「放射性同位素热电机」，虽然叫电机，实际就是个电池。

原理很简单，先把热电偶搞成一个阵列，用不停发热的核燃料，只加热一边的电极，让两边形成温度差，于是就有了电。

咱捋一下哈：

传统核反应堆发电机：核能—> 热能—> 热能—> 机械能—> 电能

放射性同位素热电机：核能—> 热能—> 电能

赚到了，有木有！只要 2 步啊！为啥还不上天呢？

这还用说嘛，肯定又是功率不足嘛。

不加冷却剂的核燃料，你敢让他太热了？太热了电极也受不了哇？

只能放一些温度不高的存货，一般用钚 238，这种电池最多就几百瓦（几台电脑的功率），但可以用上几十年，在阳光不足的深空卫星、好奇号火星车、毛子以前竖在无人区的灯塔，反正轮不到你的汽车、手机用。

这玩意儿还死贵，就这么个几十公斤的电池，足够在帝都随便挑房子了。

难道，真的就没有希望了吗？有请万能的某宝！

美国 City Labs 实验室号称开发了氚电池，能用 20 年。

氚不会裂变，但会衰变，氚的β衰变只会放出电子而没有致命辐射，对人体是安全的。

电的本质就是电子的移动，所以可以直接把飞出的电子用来发电。

一看这原理，就不想提功率了，350nA，大家自己看吧。

（提醒一下，电压乘电流就是功率。）

在当前的科学体系内，想直接把核能变电能的，都歇菜吧！

等物理学家突破基础理论再动手。

人类在捣腾的那个「聚变发电」也是烧开水，只不过是换成聚变来烧而已。

核老虎