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習主席訪英期間，我國自主研發的“華龍一號”壓水堆核電技術第一次出口到老牌發達國家，那么壓水堆到底是怎樣的一種堆型呢？今天的《一起愉快地聊核電》，咱們就來說說壓水堆。另外，還有人質疑，你們天天說核電站很安全，那為何不建在北京？今天的文章也會回答這個問題。
燒水燒水 “壓水堆”包含三個字，咱們先說第三個字——堆。 這堆長什么樣？
壓水堆裝置圖
大概就是這樣了，壓水堆的核心藏在“壓力容器”里面，叫做堆芯，核燃料就在那里發生裂變并產生大量熱量，而熱量由流經堆芯的水帶走，這些水屬于第一回路，它不斷循環流動，源源不斷地把熱量傳遞給第二回路的水，二回路水在蒸氣發生器那里變成大量的高溫水蒸氣，水蒸氣沖擊汽輪機，汽輪機帶動發電機從而發電。 水蒸氣完成使命后，在河水、海水或者冷卻塔的冷卻下又變成水，繼續在第二回路循環。
水水水 瞧，這從頭到尾都是水水水，這也是“壓水堆”里面有一個“水”字的原因之一。 第一、第二回路需要的水不多，但是為了冷卻第二回路，需要的水卻一定是海量的。 社會上，有不少人這樣質疑核電站：既然你天天說核電站如何如何安全，如何如何環保，那你怎么不在北京建一個呀？北京本來就缺電。 沒錯，北京缺電，但北京更缺水，耗資巨大的南水北調本來就是為了解決北方的缺水問題，如果把北京的生活用水拿去冷卻核電站，那實在是太浪費，也不經濟。 當然，為什么不在北京建大型核電站，還有很多很多原因，比如是不是處在地震帶上？是不是具有廣闊的、而且很便宜的閑置土地能夠安置核電站等等。 紐約是美國人口最多的大城市，也是全球最大的金融中心，而紐約的周圍就有好幾座核電站，除了別的很多技術因素外，有河流、靠海也是紐約周圍部署核電站的一個原因之一。
印第安角核電站距離紐約市北部60公里左右，位于哈德孫河東岸
就像個高壓鍋 說完了“堆”和“水”，咱們再來看看“壓水堆”中的“壓”是什么意思，這并不難理解，其實它跟高壓鍋里面的“壓”，意思是一樣一樣的。 水的沸騰就是水里面不斷生成大量氣泡的過程，而氣泡在水里面不斷變大的過程其實就像小孩子吹氣球一樣呢，如果吹氣球的時候用兩只手壓著氣球，那么就算是張飛，即使他把眼睛鼓出來了也甭想把氣球吹大。 同理，只要我們提高壓力，那么水中的氣泡就難以生成了，而沒有大量氣泡產生，水就不會沸騰。 為什么不讓它沸騰？ 這是為了提高水的溫度，好讓它把雞燉得更爛一些！錯了，是為了讓相同體積的水具有更大的熱能，從而提高發電效率。 壓水堆第一回路里面的水，溫度可高到343℃而不沸騰，如此高的溫度可以使它將第二回路的水快速加熱到260℃左右。
誕生于藍色輝光的兩個諾貝爾獎 上文不是說水就是說水壓，現在咱們來了解一下核電站最核心的部分——堆芯。
圖3 壓水反應堆堆芯示意圖
堆芯主要由燃料組件和控制棒等組成。而燃料組件又是核燃料等等構成的，這么多名詞，大家不用怕，咱們一個個來，先說核燃料。
你沒看錯，這黑漆漆的就是核燃料了，它是把二氧化鈾的粉末壓縮成圓柱形小塊，并在高溫下燒結，形成高密度的陶瓷核燃料芯塊。
這些黑色的核燃料芯塊就像小煤塊一樣，但可不是把它們扔到堆芯，一“燒”了事。
它們會被放置得整整齊齊的，然后裝入一根管子中。
裝著核燃料的那根長管子就叫做核燃料棒。
可別小看核燃料棒，它是由鋯合金制成，有好幾層防護，非常堅固， 能防止核燃料泄露到一回路中的水里面去，從而防止核污染。
把很多根燃料棒捆在一起，于是，它們就組成了燃料組件。
燃料組件
把很多個燃料組件插入堆芯里面后，“柴火”就搭好了，點火！
哎呀呀，這是怎么回事？光為什么不是紅色的而是藍色的？重新點火！ 且慢，它已經點燃了，之所以發出藍色的光，那是因為切倫科夫輻射的緣故。 關于切倫科夫輻射的發現和對其原理的解釋，還產生一個諾貝爾物理學獎呢，后來，科學家們又利用切倫科夫輻射的效應去發現中微子的一些性質，于是，又一個諾貝爾物理學獎產生了。 光在真空中的速度c大約是30萬千米每秒，但光在其它介質中，比如玻璃和水中，傳播的速度是小于c的，比如光在水中的傳播速度只有0.75c，之所以這樣，這是因為光子在水中前進的時候會遇到很多原子，有時光子被碰撞導致拐彎于是行進路線變長了，還有光子被原子吸收又被發射出來，這個吸收和發射的過程會有一定的延時，這兩個因素是光在介質中傳播速度減慢的原因。 反應堆在運行的時候會產生大量帶電粒子，這些粒子因為能量很高，速度很快，它們的速度超過了0.75c，也就是超過了光在水中的傳播速度，于是就產生了切倫科夫輻射，它的特征是藍色的輝光。
切倫科夫輻射是由蘇聯物理學家切連科夫在1934年發現，并以他的名字命名
1937年，另兩名蘇聯物理學家伊利亞?弗蘭克和伊戈爾?塔姆成功地解釋了切連科夫輻射的原理。于是，三人共同獲得1958年的諾貝爾物理學獎。后來，日本的超級神岡探測器利用少數高能中微子在水中前進時會帶來切倫科夫輻射，而它的藍色輝光比較容易探測到，所以發現了中微子的一個重要性質——中微子振蕩。于是，工作在超級神岡探測器里面的科學家又獲得了一個諾貝爾物理學獎。
那藍色輝光原來是有出處的，咱們就不深究了，但是等等！這幾個“熊孩子”是怎么回事，不要命了嗎？核輻射很厲害知道不？ 嗨嗨嗨，別一驚一乍的，核電站并沒有你想的那么恐怖。有的核電站在運行的時候，工作人員是可以去觀看的，上圖的那幾個“熊孩子”，后來他們有的成了物理學研究員，有的成了核工程師，因為了解，所以不怕。
那個控制棒怎么用 控制棒其實就相當于你音響上的聲音調節旋鈕，扭一下聲音大一些，往回扭一下，聲音小一些。
堆芯中鈾235，其在中子的轟擊下裂變，并放出兩到三個中子，這些中子又去轟擊別的鈾235，于是，裂變反應得以持續。這里的關鍵是中子，控制了中子數量的多少，也就控制了反應堆的反應速率。
壓水堆中的控制棒使用特殊材料制成，它能有效地吸收中子，從而實現對反應堆功率大小的精確控制。
燃料組件的上方，手拿著的那個就是控制棒。
當然，控制棒還有更重要的作用，如果核電站遇到突發情況，控制棒會由于重力的作用，快速插入反應堆中，于是，反應堆就熄火了——停堆。
沒有強約束也就沒有核爆炸 核電站雖然使用鈾235，但它絕不會發生像原子彈那樣的核爆炸，這是由物理定律，而非人為的控制決定的，它并不依賴于安全防范措施是否做得好。 首先，壓水堆中的核燃料，鈾235含量只有2%～4.4%左右，其余的都是鈾238。而鈾238在中子的轟擊下是不會產生裂變的。
用于制造原子彈的鈾235濃度需要超過80%以上。人們常用的一個比喻是，酒精能點燃，而啤酒卻點不燃。
其次，核電站中并沒有強約束！我們知道，手榴彈是由炸藥和金屬外殼制成，現在，給你一把很純的炸藥，你能讓它爆炸嗎？不能，你頂多讓它劇烈燃燒，因為你沒有強約束，也就是類似手榴彈的金屬外殼。更何況，核燃料中的鈾235是濃度很低的“炸藥”。 還有，即使核電站的堆芯熔毀，所有的核燃料熔化并聚攏在一起，它也不會發生核爆炸，原因是裂變反應產生的大量熱量會推開核燃料，距離變遠，中子鞭長莫及，于是裂變速率會迅速變弱。此過程不依賴于人為的控制，因為它是一個物理的必然過程。日本的福島核電站爆炸乃氫氣在廠房里面聚集而引發的爆炸，并非類似原子彈那樣的爆炸。 莫要再說安全了，我現在最大的疑問是：天然鈾中，鈾235只占0.7%多一點，其他的全是不能利用的鈾238，這是不是太可惜了？ 是的！ 要是鈾238也能裂變，那咱們可利用的鈾資源豈不是要翻數十倍？ 沒錯。而這，就是快中子增殖反應堆的使命了！ 請關注科普中國，咱們下次再聊！
燒水燒水 “壓水堆”包含三個字，咱們先說第三個字——堆。 這堆長什么樣？
壓水堆裝置圖
大概就是這樣了，壓水堆的核心藏在“壓力容器”里面，叫做堆芯，核燃料就在那里發生裂變并產生大量熱量，而熱量由流經堆芯的水帶走，這些水屬于第一回路，它不斷循環流動，源源不斷地把熱量傳遞給第二回路的水，二回路水在蒸氣發生器那里變成大量的高溫水蒸氣，水蒸氣沖擊汽輪機，汽輪機帶動發電機從而發電。 水蒸氣完成使命后，在河水、海水或者冷卻塔的冷卻下又變成水，繼續在第二回路循環。
水水水 瞧，這從頭到尾都是水水水，這也是“壓水堆”里面有一個“水”字的原因之一。 第一、第二回路需要的水不多，但是為了冷卻第二回路，需要的水卻一定是海量的。 社會上，有不少人這樣質疑核電站：既然你天天說核電站如何如何安全，如何如何環保，那你怎么不在北京建一個呀？北京本來就缺電。 沒錯，北京缺電，但北京更缺水，耗資巨大的南水北調本來就是為了解決北方的缺水問題，如果把北京的生活用水拿去冷卻核電站，那實在是太浪費，也不經濟。 當然，為什么不在北京建大型核電站，還有很多很多原因，比如是不是處在地震帶上？是不是具有廣闊的、而且很便宜的閑置土地能夠安置核電站等等。 紐約是美國人口最多的大城市，也是全球最大的金融中心，而紐約的周圍就有好幾座核電站，除了別的很多技術因素外，有河流、靠海也是紐約周圍部署核電站的一個原因之一。
印第安角核電站距離紐約市北部60公里左右，位于哈德孫河東岸
就像個高壓鍋 說完了“堆”和“水”，咱們再來看看“壓水堆”中的“壓”是什么意思，這并不難理解，其實它跟高壓鍋里面的“壓”，意思是一樣一樣的。 水的沸騰就是水里面不斷生成大量氣泡的過程，而氣泡在水里面不斷變大的過程其實就像小孩子吹氣球一樣呢，如果吹氣球的時候用兩只手壓著氣球，那么就算是張飛，即使他把眼睛鼓出來了也甭想把氣球吹大。 同理，只要我們提高壓力，那么水中的氣泡就難以生成了，而沒有大量氣泡產生，水就不會沸騰。 為什么不讓它沸騰？ 這是為了提高水的溫度，好讓它把雞燉得更爛一些！錯了，是為了讓相同體積的水具有更大的熱能，從而提高發電效率。 壓水堆第一回路里面的水，溫度可高到343℃而不沸騰，如此高的溫度可以使它將第二回路的水快速加熱到260℃左右。
誕生于藍色輝光的兩個諾貝爾獎 上文不是說水就是說水壓，現在咱們來了解一下核電站最核心的部分——堆芯。
圖3 壓水反應堆堆芯示意圖
堆芯主要由燃料組件和控制棒等組成。而燃料組件又是核燃料等等構成的，這么多名詞，大家不用怕，咱們一個個來，先說核燃料。
你沒看錯，這黑漆漆的就是核燃料了，它是把二氧化鈾的粉末壓縮成圓柱形小塊，并在高溫下燒結，形成高密度的陶瓷核燃料芯塊。
這些黑色的核燃料芯塊就像小煤塊一樣，但可不是把它們扔到堆芯，一“燒”了事。
它們會被放置得整整齊齊的，然后裝入一根管子中。
裝著核燃料的那根長管子就叫做核燃料棒。
可別小看核燃料棒，它是由鋯合金制成，有好幾層防護，非常堅固， 能防止核燃料泄露到一回路中的水里面去，從而防止核污染。
把很多根燃料棒捆在一起，于是，它們就組成了燃料組件。
燃料組件
把很多個燃料組件插入堆芯里面后，“柴火”就搭好了，點火！
哎呀呀，這是怎么回事？光為什么不是紅色的而是藍色的？重新點火！ 且慢，它已經點燃了，之所以發出藍色的光，那是因為切倫科夫輻射的緣故。 關于切倫科夫輻射的發現和對其原理的解釋，還產生一個諾貝爾物理學獎呢，后來，科學家們又利用切倫科夫輻射的效應去發現中微子的一些性質，于是，又一個諾貝爾物理學獎產生了。 光在真空中的速度c大約是30萬千米每秒，但光在其它介質中，比如玻璃和水中，傳播的速度是小于c的，比如光在水中的傳播速度只有0.75c，之所以這樣，這是因為光子在水中前進的時候會遇到很多原子，有時光子被碰撞導致拐彎于是行進路線變長了，還有光子被原子吸收又被發射出來，這個吸收和發射的過程會有一定的延時，這兩個因素是光在介質中傳播速度減慢的原因。 反應堆在運行的時候會產生大量帶電粒子，這些粒子因為能量很高，速度很快，它們的速度超過了0.75c，也就是超過了光在水中的傳播速度，于是就產生了切倫科夫輻射，它的特征是藍色的輝光。
切倫科夫輻射是由蘇聯物理學家切連科夫在1934年發現，并以他的名字命名
1937年，另兩名蘇聯物理學家伊利亞?弗蘭克和伊戈爾?塔姆成功地解釋了切連科夫輻射的原理。于是，三人共同獲得1958年的諾貝爾物理學獎。后來，日本的超級神岡探測器利用少數高能中微子在水中前進時會帶來切倫科夫輻射，而它的藍色輝光比較容易探測到，所以發現了中微子的一個重要性質——中微子振蕩。于是，工作在超級神岡探測器里面的科學家又獲得了一個諾貝爾物理學獎。
那藍色輝光原來是有出處的，咱們就不深究了，但是等等！這幾個“熊孩子”是怎么回事，不要命了嗎？核輻射很厲害知道不？ 嗨嗨嗨，別一驚一乍的，核電站并沒有你想的那么恐怖。有的核電站在運行的時候，工作人員是可以去觀看的，上圖的那幾個“熊孩子”，后來他們有的成了物理學研究員，有的成了核工程師，因為了解，所以不怕。
那個控制棒怎么用 控制棒其實就相當于你音響上的聲音調節旋鈕，扭一下聲音大一些，往回扭一下，聲音小一些。
堆芯中鈾235，其在中子的轟擊下裂變，并放出兩到三個中子，這些中子又去轟擊別的鈾235，于是，裂變反應得以持續。這里的關鍵是中子，控制了中子數量的多少，也就控制了反應堆的反應速率。
壓水堆中的控制棒使用特殊材料制成，它能有效地吸收中子，從而實現對反應堆功率大小的精確控制。
燃料組件的上方，手拿著的那個就是控制棒。
當然，控制棒還有更重要的作用，如果核電站遇到突發情況，控制棒會由于重力的作用，快速插入反應堆中，于是，反應堆就熄火了——停堆。
沒有強約束也就沒有核爆炸 核電站雖然使用鈾235，但它絕不會發生像原子彈那樣的核爆炸，這是由物理定律，而非人為的控制決定的，它并不依賴于安全防范措施是否做得好。 首先，壓水堆中的核燃料，鈾235含量只有2%～4.4%左右，其余的都是鈾238。而鈾238在中子的轟擊下是不會產生裂變的。
用于制造原子彈的鈾235濃度需要超過80%以上。人們常用的一個比喻是，酒精能點燃，而啤酒卻點不燃。
其次，核電站中并沒有強約束！我們知道，手榴彈是由炸藥和金屬外殼制成，現在，給你一把很純的炸藥，你能讓它爆炸嗎？不能，你頂多讓它劇烈燃燒，因為你沒有強約束，也就是類似手榴彈的金屬外殼。更何況，核燃料中的鈾235是濃度很低的“炸藥”。 還有，即使核電站的堆芯熔毀，所有的核燃料熔化并聚攏在一起，它也不會發生核爆炸，原因是裂變反應產生的大量熱量會推開核燃料，距離變遠，中子鞭長莫及，于是裂變速率會迅速變弱。此過程不依賴于人為的控制，因為它是一個物理的必然過程。日本的福島核電站爆炸乃氫氣在廠房里面聚集而引發的爆炸，并非類似原子彈那樣的爆炸。 莫要再說安全了，我現在最大的疑問是：天然鈾中，鈾235只占0.7%多一點，其他的全是不能利用的鈾238，這是不是太可惜了？ 是的！ 要是鈾238也能裂變，那咱們可利用的鈾資源豈不是要翻數十倍？ 沒錯。而這，就是快中子增殖反應堆的使命了！ 請關注科普中國，咱們下次再聊！
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