互动科普

原子核里蕴藏着巨大的能量

我们的生产和生活中离不开能量，煮饭要用煤气，开汽车要用油，这些都是化学能源，主要来自化石燃料。化学能主要利用形式是燃烧，用起来十分方便。如煤气分子和氧分子化合会放出热，这是原子、分子间的电磁作用力产生变化的结果；原子核是靠强相互作用力把中子和质子结合在一起的，在原子核内，强作用力比电磁力要强约100倍，核反应要比化学反应释放的能量多很多。

几千年来，人们一直都是用化学能，利用核能只是近几十年的事。1932年查德威克（J.Chadwich，1891〜1974）发现中子之后，人们争先恐后地用中子作为“炮弹”去轰击各种原子核，探究原子核的结构并创造新的元素。自然界存在的最重原子是92号元素铀，人们期待用中子轰击铀元素获得超铀元素。没曾想中子能打出来许多其他的元素，这令许多科学家迷惑不解。1938年，奥地利物理学家迈特纳（Lise Meitner，1878〜1968）分析了她的合作者奥拓·哈恩（Otto Hahn，1879〜1968）的实验数据，得出结论：1个铀原子被中子轰击后的产物是2个中等质量的原子核，2个新核的质量之和小于原来铀原子核的质量，正好与爱因斯坦的质能关系公式E=mc²吻合，质量亏损变为能量释放出来。这样既解释了实验结果又验证了质能关系式，并从此发现了核裂变。

后来人们知道，铀235有92个质子和143个中子，质子与中子、质子与质子和中子与中子之间靠核力（强力）相互吸引，同时还有质子之间的电磁斥力，维持一个相对稳定的平衡，类似于漂浮在空中的一个水滴靠表面张力保持一定的形状。当吸收1个中子后受到干扰，铀原子核就会变形，由圆形变为椭圆形，再变为不能复原的哑铃型，最后从中间断开，形成两个新的原子核（有时不止两个），在强大斥力的作用下向相反的方向飞出去。如同拉扯一个面团，断开的位置不一定都正好在相同的地方，所以裂变后的原子质量数分布在75〜160之间，例如，可以分裂成钡（Ba，质子数56）和氪（Kr，质子数36）、氙（Xe，质子数54）和锶（Sr，质子数38）、锑（Sb，质子数51）和铌（Nb，质子数41）、碘（I，质子数53）和钇（Y，质子数39）等等，有80多种可能的元素。有的分裂放出2个中子，有的分裂放出3个中子，还可能有1个或4个，但总体上平均释放2.5个中子。这说明裂变产物是复杂多变的。

一般大质量原子和一些同位素要发生自发的放射性衰变，主要是放出α粒子转变降两个原子序数的原子（α衰变），和放出β射线转变为升一个原子序数的原子（β衰变）。而裂变只有铀、钍等少数原子才会发生。无论是衰变还是裂变（也是一种衰变）都会放出能量，表现为电子（β射线）、α粒子（α射线）、光子（γ射线）、中子和原子碎片的动能。一般它们的能量都很大，被称为核辐射。尽管能量很大，但在自然情况下无法利用它们，弄不好还会受到它们的伤害。只有核裂变的能量可以利用，上面提到，铀235吸收一个中子会分裂开（实际上不吸收中子也有分裂的机会，叫自发裂变），放出两三个中子，这些中子被其他铀235吸收，也会立即发生裂变，只要附近有足够多的铀235原子，裂变就会不停地越来越多地进行下去，这就是所谓的链式反应。这种反应可以在极短的时间内发生，瞬间放出巨大的能量，这对我们利用才有价值。

把足够量的铀235放在一起（达到临界体积），只要有少量的自发裂变，就会发生不断增多的链式反应。原子弹就是这样做出来的。1945年7月，美国成功地爆炸了第一颗原子弹。我们感兴趣的是如何控制链式反应的速度，使其到达一定程度后，一个裂变只引发下一个裂变，保持一定的速率而不增加，这就像炉膛里的火，不断添加燃料维持燃烧，就可以用来发电了。

从原理上来说，核裂变的“燃烧”也能像煤炭或石油那样不断地向炉膛中填料来维持，不过这样在操作上有相当的难度，核燃料是有放射性的，不小心就会带来伤害。换一个角度思考，可以把足够多的可裂变的核燃料一次性放入“炉膛”，控制可引发裂变的中子的数量也可保持恒定的燃烧。人们发现镉等金属能够吸收中子，把这些金属合金做成棒状，插入燃料中就可吸收富裕的中子，这样就可方便地控制裂变的速率。核电站就是按照这样的思路发展起来的，这样，核能就可以和平利用了。

核电站是怎样运转的？

1942年12月2日，费米领导的核科学家在芝加哥大学体育馆地下室内首次实现受控的链式核裂变，世界从此进入了“原子时代”。1951年12月20日，在美国爱达荷国家反应堆试验中心首次用钠化钾冷却的实验增殖反应堆EBR-I发出了电能，点亮了4个灯泡。1954年6月26日，前苏联第一座5兆瓦核电站并入电网。到2011年1月，全世界运转的核电站共有442座（还有几座已经退役），发电量3.75亿千瓦，约占总发电量的1/5；在建的还有65座，装机容量0.65亿千瓦。

目前运行的核电站主要是所谓的第二代核电站。在建的多为第三代核电站，原理与第二代一样，主要增加了安全防护设计，使核电站运行更为安全。

按工作介质分有轻水堆和重水堆等，按状态分有压水堆和沸水堆。无论什么类型的核电站一般都分为两部分：利用铀、钚等原子产生核裂变生产蒸汽的“核岛”和利用蒸汽发电的“常规岛”。简单地说，就是以核反应堆来代替火电厂的锅炉，以核燃料在核反应堆中裂变形式的“燃烧”产生热量（能量），把水加热使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。核电站的关键在于反应堆。

图. 压水堆

反应堆

核电站的核心部分是反应堆，而堆芯是反应堆的心脏，各种类型的反应堆的结构大同小异。燃料是含有3%左右铀235的二氧化铀圆柱形芯块，它们被装填在细长的锆合金细管中，两端密封，这就是“燃料棒”。把200多根燃料棒排列在一个正方形的定位格架上，组成一个燃料组件。再把一二百个这样的组件拼在一起就构成一个堆芯。光有燃料是不够的，还必须有控制燃料燃烧速率的“控制棒”。它的形状与燃料棒类似，用能吸收中子的镉合金制成，外面套有不锈钢包壳。控制棒也组成集束形，可以插在燃料棒之间，用以控制核裂变的速率。当控制棒全部插入堆芯，吸收了大部分中子，裂变的链式反应在很短时间内就会停止。

当反应堆运转时，在燃料棒外面的工作介质（一般使用水，同时作为中子的慢化剂，慢中子更容易被铀235核吸收）会被加热，或者直接转变为蒸汽（如在沸水堆中），或者带出热量，在蒸汽发生器中产生蒸汽（如在压水堆中），带动汽轮机运转发电。后边的流程与一般的热电厂是一样的。

目前核电站的“锅炉”使用的燃料主要是低浓缩的铀235。铀在自然界存在3种同位素，铀234占0.0056%，铀235占0.718%，而铀238占了99.27%。在燃料棒中铀235的丰度被浓缩到3%左右，但绝大部分仍是不会裂变的铀238。当燃料棒中的铀235消耗到一定程度，不能提供所要求的功率时，燃料棒就不能使用了，成为乏燃料棒。

自然界中铀的储量有限，铀235在未来几十年内就可能被用尽。目前正在研发的第四代核电站是要利用丰富的、可以使用上千年的铀238。铀238可以吸收快中子，转变为铀239，铀239经过两次β衰变（放出电子）转变为钚239，而钚239是很好的裂变材料，生成后即参与裂变核反应。所以第四代反应堆也叫“快堆”或“增殖堆”，可以用快中子使核燃料增殖，极大增加了核燃料的使用效率。快堆一般使用金属钠做冷却剂，类似于压水堆有两个回路。

（本文发表于《科学世界》2011年第5期）