導讀英國布里奇沃特的欣克利點B核電站的航拍照片視圖。對某些人而言，核能提供了一種清潔能源替代方案，使我們擺脫化石燃料依賴的束縛。對其他人來說，它傳達了災難的圖像....

英國布里奇沃特的欣克利點B核電站的航拍照片視圖。

對某些人而言，核能提供了一種清潔能源替代方案，使我們擺脫化石燃料依賴的束縛。對其他人來說，它傳達了災難的圖像：地震破裂的日本發電廠噴射放射性蒸汽，切爾諾貝利混凝土石棺周圍的死區。

但核電廠內部會發生什么樣的奇跡和苦難呢？想象一下，通過墻壁插座回到一伏電流，一直通過數英里的電力線到達產生它的核反應堆。你會遇到產生火花的發電機和轉動它的渦輪機。接下來，你會發現蒸汽噴射器轉動渦輪機，最后是放射性鈾束，將水加熱成蒸汽。歡迎來到核反應堆堆芯。

反應器中的水還用作放射性物質的冷卻劑，防止其過熱和熔化。2011年3月，世界各地的電視觀眾了解到當制冷系統遭遇災難性故障時會發生什么。在有史以來最強烈的地震和隨后發生的海嘯之后，日本公民從福島第一核電站周圍地區逃離了數萬人，對工廠及其幾個反應堆單元造成了嚴重破壞。在其他事件中，水從反應堆堆芯中排出，這反過來又無法控制核心溫度。這導致了過熱和部分核熔毀

據世界核協會稱，截至2018年4月，全球約有450座核動力反應堆投入運行，它們提供全球約11％的電力。僅在美國，在美國30個州的61個商業運營的核電站中就有99個反應堆，其中包括田納西州的Watts Bar Unit 2，一個1,150兆瓦容量的反應堆，于2016年10月開始商業運營。

核能供應美國20％的電力需求，低于天然氣31.7％和煤炭30.1％，僅略高于水電，風能和太陽能等可再生能源提供的17.1％。但是一些國家更依賴原子反應堆。例如，根據2018年4月的一份報告，法國72％的電力來自核電站，而瑞典則從中獲得約40％的電力。

在本文中，我們將了解核反應堆如何在發電廠內發揮作用，以及釋放所有關鍵熱量的原子反應。

盡管“核”這個詞所引發的所有宇宙能量，依賴于原子能的發電廠的運行方式與典型的燃煤發電廠不同。兩者都將水加熱成加壓蒸汽，從而驅動渦輪發電機。兩種植物之間的關鍵區別是加熱水的方法。

雖然燃煤發電廠燃燒化石燃料，但核動力裝置依賴于核裂變期間發生的熱量，當一個原子分裂成兩個并釋放能量時。核裂變每天都會自然發生。例如，鈾經常以非常緩慢的速度發生自發裂變。這就是為什么該元素發射輻射，以及為什么它是核電廠所需的誘導裂變的自然選擇。

鈾是地球上的常見元素，自地球形成以來就已存在。雖然有幾種鈾，但鈾-235（U-235）是核電和核彈生產中最重要的一種。

U-235通過α輻射自然衰變：它拋出一個α粒子，或兩個中子和兩個質子結合在一起。它也是可以進行誘導裂變的少數元素之一。將自由中子射入U-235核，核將吸收中子，變得不穩定并立即分裂。

上面的動畫顯示了一個鈾-235核，中子接近頂部。一旦原子核捕獲到中子，它就會分裂成兩個較輕的原子并拋出兩三個新的中子（噴射的中子數量取決于U-235原子如何分裂）。捕獲中子和分裂的過程發生得非常快。

單個U-235原子的衰變釋放大約200 MeV（百萬電子伏特）。這可能看起來不多，但是一磅（0.45千克）的鈾中有大量的鈾原子

原子的分裂釋放熱和伽馬輻射，或由高能光子產生的輻射。由裂變產生的兩個原子也會釋放自身的β輻射（超快電子）和伽馬輻射。

但是為了使所有這一切發揮作用，科學家必須首先豐富鈾樣品，使其含有2至3％的鈾-235。核電廠的濃縮百分之三就足夠了，但武器級鈾由至少90％的U-235組成。富集鈾的過程是通過離心機完成的在從鈾中產生氣體之后。離心機的力將U-235原子與U-238原子分開。起初，U-235原子的濃度僅略微增加，因此該過程必須在離心機中重復幾次以增加富集。制造武器級鈾非常困難和昂貴，這是少數國家擁有核武器的一個原因。但這些障礙并非不可克服。

钚怎么樣？

鈾-235不是發電廠唯一可能的燃料。另一種可裂變材料，Plutonium-239是用中子轟擊U-238而創建的。

在核電站內

該圖顯示了核反應堆的所有部件。

為了將核裂變轉化為電能，核電廠運營商必須控制濃縮鈾釋放的能量，并允許其將水加熱成蒸汽。那蒸汽然后驅動渦輪機發電。

富集的鈾通常形成1英寸長（2.5厘米長）的顆粒，每顆顆粒的直徑與硬幣大致相同。接下來，將顆粒布置成長桿，并將桿收集在一起成束。束被浸沒在壓力容器內的水中。水充當冷卻劑。留給自己的設備，鈾最終會過熱并融化。

為了防止過熱，使用可以升高或降低鈾束的機制將由吸收中子的材料制成的控制棒插入鈾束中。升高和降低控制棒使操作員能夠控制核反應的速率。當操作員希望鈾核產生更多熱量時，控制棒從鈾束中提升出來（從而吸收更少的中子）。為了減少熱量，它們被降低到鈾束中。桿也可以完全降低到鈾束中，以便在發生事故時關閉反應堆或改變燃料。

鈾束充當極高能量的熱源。它加熱水并將其轉化為蒸汽。蒸汽驅動渦輪機，渦輪機旋轉發電機以產生動力。幾百年來，人類一直在利用水膨脹成蒸汽。

在一些核電站中，來自反應堆的蒸汽經過二級中間熱交換器以將另一個水循環轉換為蒸汽，從而驅動渦輪機。該設計的優點是放射性水/蒸汽從不接觸渦輪機。而且，在一些反應器中，與反應堆堆芯接觸的冷卻劑流體是氣體（二氧化碳）或液態金屬（鈉，鉀）; 這些類型的反應堆允許核心在更高的溫度下運行

考慮到核電廠內部的所有放射性元素，對于工廠的外部而言，與在燃煤電廠中發現的相比，不應該感到意外。

在核電站之外

通過查看德國Brokdorf核電站的這張照片可以看出，混凝土在含有放射性物質方面起著重要作用。

一旦你越過反應堆本身，除了用于產生蒸汽的熱源之外，核電廠和燃煤或燃油發電廠之間的差別很小。但由于該光源會發出有害的輻射水平，因此需要采取額外的預防措施。

混凝土襯里通常容納反應堆的壓力容器并用作輻射屏蔽。反過來，該襯管被容納在更大的鋼制安全殼內。該容器包含反應堆堆芯，以及工廠工人用于加油和維護反應堆的設備。鋼制安全殼用作防止任何放射性氣體或液體從工廠泄漏的屏障。

外部混凝土建筑物作為最后一層，保護鋼制安全殼。這種混凝土結構設計得足夠堅固，可以承受地震或墜毀噴氣式客機造成的巨大破壞。

這些二級安全殼結構對于在發生事故時防止輻射/放射性蒸汽逸出是必要的。俄羅斯核電廠沒有二級安全殼結構，允許放射性物質在切爾諾貝利中逃逸。

核電廠控制室的工作人員可以監控核反應堆，并在出現問題時采取措施。核設施通常還具有安全范圍和增加的人員，以幫助保護敏感材料。

核電的利弊

切爾諾貝利核電站附近的這個儲存設施目前有核廢料。

什么是核電的最大優勢？它不依賴于化石燃料，也不受石油和天然氣價格波動的影響。煤和天然氣發電廠向大氣排放二氧化碳，這有助于氣候變化。對于核電廠來說，二氧化碳排放量很小，盡管鈾礦開采，反應堆建設，燃料運輸和核能的其他部分會產生溫室氣體。

據核能研究所稱，如果依靠化石燃料，世界核電站產生的電力通常每年產生22億噸（20億公噸）的二氧化碳。實際上，運行良好的核電廠實際上釋放的放射性比燃煤電廠低。那是因為當煤被燃燒用于電力時，飛灰（含有非常濃縮的鈾和釷）被釋放出來。這種飛灰的放射性比核電站釋放的產生相同能量的放射性高100倍。此外，核能帶來了更輕的燃料需求。核裂變每單位重量產生的能量比化石燃料大約多一百萬倍。

但也有許多負面因素。從歷史上看，采礦和凈化鈾的過程并不是一個非常簡潔的過程。甚至將核燃料運輸到工廠和從工廠運輸也會造成污染風險。一旦燃料耗盡，你就不能把它扔進城市垃圾場。它仍然是放射性的，接觸這些廢物會導致放射病，癌癥甚至死亡，這取決于你吸收的輻射量。據美國政府問責辦公室稱，由于聯邦政府正在努力尋求更好的解決方案，美國已累計生產88,185噸（80,000公噸）發電廠產生的核廢料，其中大部分仍儲存在公司場所。

而且好像這還不夠糟糕，核電站以鞋套，擦拭布，設備和其他材料的形式產生大量低放射性廢物。

核災難和反應堆停工

歷史上最大的地震和隨之而來的海嘯造成的災難，這場海嘯使日本分崩離析并導致其發生核災難。

請記住，每個核反應堆的核心都是受控放射性和誘導裂變的環境。當這種環境失控時，結果可能是災難性的。

多年來，切爾諾貝利災難是核故障的最壞情況。1986年，烏克蘭核反應堆爆炸，向周圍地區噴射50噸（45公噸）放射性物質，污染了數百萬英畝的森林。這場災難迫使15萬人搬遷，最終造成數千人死于癌癥和其他疾病。

切爾諾貝利設計糟糕，操作不當。該工廠需要不斷的人為關注以防止反應堆發生故障。然而，即使是設計良好的核電站也容易受到自然災害的影響。

2011年3月11日星期五，日本經歷了現代史上最大的地震。該國福島第一核電站的一個程序響應立即降落在所有反應堆的控制棒上，在10分鐘內關閉所有裂變反應。然而不幸的是，你不能通過翻轉開關來關閉所有放射性。

正如我們在上一頁所探討的那樣，核廢料在電廠首次運行后持續產生熱量數年。同樣，在核反應堆關閉后的最初幾個小時內，它繼續從衰變過程中產生熱量。

2011年3月的地震發生了致命的海嘯，摧毀了備用柴油發電機組，該發電機為該設施在無法從日本電網獲取電力后轉向的水冷卻泵提供動力。這些泵使水循環通過反應器以除去衰變熱。未循環，反應器內的水溫和水壓都繼續上升。此外，反應器輻射開始將水分解成氧氣和揮發性氫氣。由此產生的氫氣爆炸沖破了反應堆建筑的鋼制圍護板。

簡而言之，福島第一核電站有很多對策，可以在發生嚴重地震活動時關閉作業。他們只是沒有指望他們的冷卻液泵失去動力。

日本的福島第一核電站，俄羅斯的切爾諾貝利和美國的三里島等工廠仍然是核電行業的黑眼圈，常常掩蓋了該技術所帶來的一些環境優勢。