什么是核反应堆的原料(中国核电站的铀原料从哪来的)

书接上文，上期咱们聊到了黄饼，就是那个长的跟棒子面饼一样的核燃料。
那接下来我就给大伙讲讲什么叫做黄饼，因为天然铀在开采的时候，他的辐射是非常非常小的，小到可以用一张纸就能挡住他的辐射，咱们平时可以直接用手去触摸，这都没问题。

开采完的第一步就是要提纯，加入一些配料用水煮，因为成品是那种泛着橘黄色的粉末，并且压制称圆形，所以人们就形象的称他为黄饼，也叫做重铀酸铵。这时候的放射性还是很低，简单的防护就行，其实就跟把煤搓成煤球差不多。那接下来还得继续提纯，用离心机将铀提纯到4%。然后在吧这种铀烧成一个个的瓷块，就跟把土烧成陶瓷差不多，放到锆合金的套筒里，他就变成燃料棒了。即使这样他还是没什么放射性，就跟把煤球再加工成蜂窝煤差不多，你还是可以用比较低接别的防护去操作它。跟煤差不多，只要这煤不烧着了就相对安全。烧着了就不能碰了。核燃料就这样。烧着了，它的致命辐射就开始大量释放了。
而重水堆就是可以燃烧这种天然铀，或者是那些已经燃烧过的乏燃料棒，很容易就能达到临界。多说一嘴啊，这个乏燃料棒的意思就是烧过的使用过的燃料。
而且这个重水反应堆还可以做到不停堆换料，普通的压水堆的燃料棒都是垂直放在堆芯的，但是这个重水反应堆的燃料棒是水平放置在堆芯的，燃料组件是一个个的排列在压力管中的，这种不停堆换料可以让堆内经常维持最佳的反应性，还有在原料出现故障的时候可以很方便的进行维修，哪坏了换哪，减少了停堆的次数就意味着提高了这个反应堆的利用率。
像咱们的秦山核电站，就引进了一座加拿大坎杜技术的重水堆。
刚才我也提到了，咱们的秦山核电站还有几座压水反应堆，而这个重水反

应堆一般适合那些没有铀分离工厂的国家使用，但是咱们国家的铀加工能力是很强的，但为什么还要引进这个重水反应堆技术呢。诶，这里确实有门道。
在咱们印象中，感觉核能特别的清洁，还特别的耐用，但是实际上，压水堆对于铀资源的利用率实在是太低，低到您都想象不到的低，一半内燃机能到45%的转化率就已经是高科技了，太阳能最高也就是15%，顶天儿了，除非你给他放到宇宙中，让宇宙射线无遮拦的照射，那样肯定能高不少，但是咱们把太阳能电站健在外太空也不太现实。
相比之下，压水堆的铀资源转化率，仅有可怜的0.45%左右，连1都到不了，那么如果我们将秦山电站其他的压水堆烧过的核燃料，经过拆解重组，放到重水反应堆中继续再烧一遍，这个利用率就可以提升60%多，即废物利用，又减少了核废料的产生，多好。
那您可能疑惑了，为什么重水反应堆就能将乏燃料和天热铀矿这种低浓度的燃料再烧一遍呢。这是因为咱们应用的最多的压水堆中裂变产生的都是慢中子，因为慢中子的运动速度与热运动速度相当，容易产生核反应。并且，压水堆中采用的轻水也会吸收中字，减慢中子速度。但是重水堆中的氧化氘就不会吸收中字，这样就可以更容易让天然铀还有乏燃料达到临界。
但即使这样，咱们国家每年所产生的核废料依然不少，这些东西如果无法再利用的话就只能是深埋，而且我们的科学家现在还在研究，就是重水反应堆燃烧过后的核废料如何再利用，
现在，咱们国家已经有了比较系统的规划，对于这种已经经过2次燃烧过的核废料，我们通过分离加工，可以生产出比较重要的两种元素，一个是钴60，另外一个是钚239。
咱先说钴60，这个元素之前咱们国家一直都是靠进口，他的应用跟咱们的生活特别的近，从医疗设备再到入口的食品都离不开这个放射性元素，听起来挺奇怪的是吧，这么危险的放射性元素应用到身边？

诶！没错，咱们现在已经可以比较娴熟的应用这个元素来用于恶性肿瘤的靶向治疗，比如咱们熟知的伽马刀，就是利用钴60产生的伽马射线来进行聚焦照射，烧灼普通手术无法触及的部位，比如大脑深处，比如肺部深处。
还有就是用于食品的辐照杀菌，像咱们吃的泡椒凤爪，一半使用防腐剂可以达到6个月的保质期，但是如果使用辐照杀菌的话，不仅不会像防腐剂一样影响食品的本质，还能将产品的保质期从6个月延长到9个月。还有医疗用品也可以用辐照进行杀菌。
我只是举了两个最常见的例子，他还会用在金属探伤啊，育苗育种啊等很多领域。虽然这个东西用在了很多民用领域，但不意味着他的放射性就低，曾经出现过几起钴60被盗的事件，有的笨贼把这个既危险又价值连城的东西当成废铁卖，差点造成了非常严重的放射性污染灾害。真是挺让人哭笑不得的。不过我还得多说一句，现在这个钴60，的80%都已经是咱们自行生产了。
下面我再说一说另外一个很重要的元素，就是钚239。
说到了钚238，我就得引申出另外一个非常新的核反应堆形式，也被称为第四代核反应堆，这个堆叫做快中字堆。刚才咱们说了，像压水堆啊，沸水堆啊，石墨堆啊这些都属于慢中子堆，也就是中字的速度和热速度相当，但是这个快中子堆确是利用比热种子也就是慢中子块1000倍、能量高100万倍的快中子来实现裂变的。这种堆没有什么慢化剂，冷却都是用液态金属钠或者是氦气。
这个堆利用的是钚239裂变产生快中子，轰击铀238，然后这个铀238被快中子轰击后又会产生钚239，接着这个钚239裂变产生快中子，继续轰击铀238，钚轰击铀，铀产生钚就这么能一直循环往复下去。惊不惊喜，神不神奇。
理论上这种核反应堆的效能应用可以达到100%，您没听错，真的是100%，这种快种子堆也叫做，增值堆，因为这种堆在使用一段时间后，会产生很多多余的钚239，就是钚239和铀238相互作用后会变多， 别的核电站都是损失，做功后会剩下原来的比如说3分之1，5分之1等等，但是这种快中子堆却可以达到1.3的增值。说简单点就是这个核电站的产出多余消耗。不仅能卖电，还能卖和原料，这就既解决了铀原料紧缺的问题又解决了核废料的储存问题。可谓一举多得。
还有个好消息，就是现在咱们的快中子堆已经有投入运行的了。
那除了刚才咱们说的，石墨堆、压水堆、沸水堆、重水堆，和快中子堆之外，还有一种叫做高温气冷堆，这种堆的特点也非常的明显。
咱们刚才讲的这些轻水堆和重水堆都是燃烧核燃料棒的，就是一根一根的棍儿，但是这个高温气冷堆，里面的核燃料都是颗粒状的，不知道收音机前的您多大年岁哈，反正我我小的时候，那还是很小了，那是的蜂窝煤还比较贵，家里比较穷，北京除了到冬天可以买到高端的带窟窿眼儿的蜂窝煤之外，还能买到更便宜的煤沫子，这个买回去之后就要自己加水活成煤泥，你可以揉成球也可以切成块，然后放在炉子里烧，一般我们都会揉成比饭馆里狮子头小一点的煤球放在炉子里烧，球型的好处就是堆积在炉子里可以产生很多的空隙，方便空气通过来加速燃烧。核反应堆中的铀原料也是这个道理。而且他们的这个核燃料球的尺寸跟咱们的煤球差不多，直径60毫米左右，慢化剂选用的还是效果非常突出也非常传统的石墨。但是区别于传统堆型的用轻重水做媒介，他是通过氦气作为冷却剂的，这氦气通过风机的驱动，从核燃料球的缝隙中把裂变产生的热量带出来，和2回路交换之后用来做功。这种行驶的好处就是效率高，安全性也高，对环境污染也小，它就不会产生像福岛那样大量的核废水，因为他是气冷的嘛。但是这种核反应堆的制造工艺也很高，从燃料球到整个核电站的密封性都有很高的要求，这也是比较新的第四代核电站形式。
咱们国家就在山东的荣成建造了一座，这样的核电站，叫做石岛弯核电站。他也是世界上首个第四代核电技术的商用项目。咱们也是非常重视的，从08年就开始筹建了，直到去年才开始建成调试，虽然高温气冷堆有本身固有的安全性，系统简单，发电效率高，用途广泛，和潜在经济竞争性的特点，但是对于核电站的建造，还有一点是非常重要的，就是选址，选址除了要考虑整体运行的经济性，其最主要的，也是起决定性的因素仍然是安全。
您看，咱们国家的这个高温气冷堆虽然叫石岛弯核电站，但是它的实际位置并不在石岛弯，而是在隔壁的宁津弯。这是因为石岛弯人口太过稠密。再加上当年赶上了福岛核事故，咱们的这个工程也随之停工，重新做安全性评估。
我就顺着这个话题，在跟大家聊聊核电站选址的门道。核电站的选址永远都是首先遵从于安全，安全是一切的前提。
这里我就再举个咱们国家的先进的三代核电技术来给大家讲解一下，这个核电技术我想常听新闻联播的肯定听说过，就是华龙一号，别看华龙一号是一个压水堆，但是他的安全标准和防护措施是相当的高的，除了核反应堆本身的非能动安全设置，和双安全壳，实体隔离等等被动安全措施之外，还对整个电站的外部安全进行了重新的定义，受到当年福岛核电站的启发，咱们的华龙一号采用了多样化的手段来提升安全性，比如提高高压水泵的可靠性，增大蓄电池容量，设置临时供电，应急供水，改进温度监控等等，这些都是在福岛核电站之后给咱们的启发。
还有一个比较牛的防护等级，就是抵抗商用大飞机的撞击，他的反应堆厂房，燃料厂房电器厂房这些比较核心的部位都是可以抗住大型商用飞机撞击的。这个就比较硬核了。因为这个华龙一号是一个未来要走向国际市场的技术项目，肯定未来所处的环境也是纷繁复杂的，那么保障其整体的被动安全，也是为了向购买这个技术的国家安全负责，我想这肯定也是受到了911的启发。并且目标客户很可能是欧洲和中亚地区。

您可能问了，这种得是多极端的状态啊，没错，对于这种足以危害人类安全的大型设施，必须要留出足够的设计冗余，所谓不拍一万就怕万一，虽然从乌克兰切尔诺贝利到美国的三里岛都是人为因素造成的，而福岛是天灾的叠加以及部分人祸，如果东京电力公司可以按设计标准在前两年停掉核电站，如果当时他们可以在4号堆出现过热时可以及时的降温并牺牲掉核电站的修复可能，那么也不会有今天这种和切尔诺贝利同级别的危害程度。所以对于核电站的设计必须要充分的从内至外考虑周全。宁可多花点心思和钱在安全防护上，也比出了问题后给周围环境造成几乎不可逆要强。
总的来说，咱们国家的核电工程是分三步走战略，首先是热中子堆，也就是像秦山啊华龙啊这样的稳定可靠但效率表现一般的压水堆，然后就是要发展以快中子堆还有刚才说的高温气冷堆为代表的第四代核电技术。
那么未来咱们要实现的目标就是清洁又高效的受控核聚变技术，而且咱们现在仍然在努力，有望在这个100年实现初步商用话的核聚变技术。也就是俗称的人造太阳发电。
那我这里就再给您杂说一下受控核聚变技术。

咱们刚才讲的这些核电站都是核裂变反应，那么除了核裂变还有核聚变及核衰变，衰变咱们就不聊了，咱们就说说裂变和聚变，那这之间有什么区别呢，举个例子，这个区别就好比原子弹和氢弹，原子弹的毁伤是靠光辐射、核辐射、冲击波等各种强辐射对物体起到破坏作用，所以受到辐射后活下来的人基本身患癌症而死。而氢弹的实际杀伤力是比原子弹还要强不少，但它不会像原子弹一样产生核辐射。
套用到正在研究的核聚变技术，其实就是人们根据氢弹的聚变原理来构想，
裂变听得特别多，那聚变是怎么回事呢，我简单说一下啊，聚变其实就是氘和氚聚变产生氦，并释放一个中子，那这个氦和中字的质量之和是小于氘和氚的质量之和的。所以这种越变越小的反应就称作了聚变反应。
而且聚变所有需要的反应环境相比于裂变可难实现多了，
其实太阳的内部就是一种聚变反应，但是太阳可以依靠强大的引力来束缚住这种极高的温度，但如果要在地面模拟出这样的现象是极难的。首先氘和氚的混合气体必须在超过一亿度的高温下，才能使原子核和电子分开，处于这种状态的物质称为等离子体。在足够的高压下，原子核才能克服相斥的力，大规模核聚变才会发生，高温和高压还必须维持一定的时间，核聚变才会持续。
束缚这种等离子体的装置叫做托卡马克，等离子体会在它内部进行高速的圆周运动，同时会产生几千亿甚至上万亿安培电流。
现在持续点火时间最长的记录保持者是韩国，他们打破了中国10秒的记录，他们做到了20秒，但是在放电时长上，中国仍然是领先的。其他的国家暂时还没有超过1秒的。
不过中国更新的人造太阳实验堆已经在紧锣密鼓的推进中了，我相信咱们中国科学家的智慧，在几代科学家的接力研发下，在本世纪内有望实现初步的商业化运作。
无论是最初的石墨堆，还是成熟的压水堆，以及效率更高的快中子堆。再到固有安全性和环境友好性都非常领先的受控核聚变堆。咱们正在向彻底解决人类社会能源问题和环境问题的终极目标迈进。也许，到了下个世纪，我们中国的科学技术就可以带领人类彻底摆脱化石能源的桎梏（zhì gù）了。给我们带来清洁能源的同时，还可以将聚变反应建造称发动机，带人类进行宇宙航行。