探秘中國首座自主研發核電站，“燒開水”我們是專業的 | 科技袁人Lite_風聞

導讀

人類社會發展至今，我們對能源的獲取方式幾乎沒有實質性的變化，對自然的開採和利用並不能長久延續，直到科學家們發現核能，才真正打開了人類高效利用物質能源的大門。但是核電站的安全問題一直備受關注，去年袁老師應邀參觀了中國首座自主研發的“華龍一號”核電站建設現場，在中國第三代核電站中，它的技術屬於世界先進水平，不僅可以防備地震海嘯這樣的天災，還能抵禦很多其他風險，核電機組的操縱員也需要經過十分嚴格的“魔鬼培訓”，以應對各種安全問題。看完視頻，小猿想對所有為了發展核能技術而付出了巨大努力的科學工作者們致敬，也希望咱們能夠早日發展出可控核聚變，為人類實現衝出地球移民宇宙的終極願望增添信心！

視頻鏈接：

https://www.bilibili.com/video/BV1Cg4y1B7FC

部分評論：

合肥工業大學：

發展可控核聚變，衝出地球，移民宇宙！

-曉悠-：

能達到兩億度的在四川的中國環流器二號M今年也快運行了

B站的劉天師：

作為2008–2017年從事核電站用過濾冷卻空調機械設計和強度計算的我 對核電技術來看 我們很多核電系統的設計規範和方法其實都是翻譯 抄襲 演繹 轉化的法國和美國規範體系 有些部分甚至直接翻譯原文 就是國標了 最近幾年慢慢好了一點 更多的自主研發了 更多零部件也能自主設計製造了 還是很欣慰很自豪的 曾經我們出口襯衫襪子 現在都可以出口核電站了 祖國母親強大了

精彩呈現：

探秘中國首座自主研發核電站，“燒開水”我們是專業的

**阿帥：**最近日本環境大臣原田義昭説福島的核廢水快裝不下了，希望倒進太平洋裏去，令世界輿論譁然。福島核事故從2011年發生，到現在都沒處理完，簡直是歹戲拖棚。

不久前電視劇《切爾諾貝利》熱映，也引起了人們對此的記憶。袁老師，請問您怎樣看切爾諾貝利和福島的核災難？

《切爾諾貝利》劇照

這當然是兩場歷史性的悲劇。不過在詳細分析之前，讓我們先來看看大圖景。

人類進步的歷史，歸根結底是能源進步的歷史。利用畜力，把人類帶進了農業社會。利用蒸汽機，把人類帶進了工業社會。現在，我們能夠和平利用的最強的能源是核裂變。

為什麼要強調和平利用呢？因為核聚變比核裂變更強，但目前我們對核聚變的利用只能是非和平的，就是氫彈。和平利用核聚變，即可控核聚變，是人類亟需攻克的下一級大台階。

1976年中國第一次氫彈試驗成功

為什麼説核聚變比核裂變更強呢？我們可以舉一個定量的指標，就是質能轉化的比例。根據狹義相對論中的質能關係E = mc^2，任何一個放出能量的過程都伴隨着質量的減少，即質量虧損。

一個典型的化學反應，例如氫氣和氧氣生成水。你計算一下就會發現，這個反應的質量虧損不到100億分之1.8，精密儀器都測量不出這麼小的變化。在化學反應中這已經是非常高能的了，經常作為火箭推進劑，但“前方高能”的結果卻是測不出來，實在是……太弱了。

一個典型的核裂變反應，例如核電站中常用的U-235加一箇中子變成一個Ba-142加一個Kr-91加三個中子的反應，它的質量虧損約為0.09%。這個比例已經是可以測出來的了。它比上面那個化學反應的比例高了6個數量級，也就是説單位質量放出的能量高了百萬倍。因此，大家經常聽到類似這樣的宣傳：1公斤鈾放出的能量，相當於2700噸標準煤。

一個典型的核聚變反應，例如現在主要研究的D（氘）和T（氚）變成He核加中子的反應，質量虧損約為0.7%。

它比核裂變的比例又高了一個數量級。我們只需要指出兩點就夠了：第一，氫彈的威力遠遠超過原子彈，有氫彈的五個國家“剛好”就是聯合國的五個常任理事國；第二，人類要飛出地球，移民宇宙，就必須要掌握可控核聚變，因此科幻作品中跨星系飛船的動力默認就是核聚變。

事實上，我們還可以舉出質能轉化比例比核聚變更高的過程。

例如黑洞的噴流，它是在把物質吸入黑洞的時候，把一部分引力勢能轉化成動能噴射出來。這個比例可以高達40%，比核聚變又高了兩個數量級！當然，要利用到黑洞的能量，也少不了先掌握可控核聚變。

最高的是正反物質的湮滅，它的質能轉化比例直接就是——100%。不過跟前面説的那些過程不同，反物質不能當成一種能源，至少目前不能，因為我們還沒有掌握大量製備反物質的辦法。

瞭解了這個能量階梯的大圖景之後，讓我們説回核裂變。它的非和平利用是在1945年實現的，就是原子彈。核裂變的和平利用，包括用來發電的核電站、核電池與用來推進的核潛艇、核航母等等。目前，核電在全世界總的發電量中佔12%左右。

説起核電站，人們立刻就會想到兩個特點。一個是如上所述的，超高的能量密度。另一個是放射性物質泄漏的風險，例如切爾諾貝利和福島的災難。那麼，應該如何看待核電站呢？

這樣的大問題，顯然不是外行能夠在一期節目中説清楚的。不過，任何態度的基礎，都應該是對相關知識的瞭解。不久前，我們就獲得了這樣一個機會：中國第一個完全自主知識產權的第三代核電技術叫做“華龍一號”，華龍一號的世界首堆正在福建福清由中國核工業集團有限公司緊鑼密鼓地建設，我們參觀了建設現場。十分感謝中核集團的邀請。

參觀中核集團建設現場

如果問，核電站發電的原理是什麼？最簡單的回答就是：核裂變放出能量，把液態水加熱成蒸汽，蒸汽推動機械裝置發電。

胡強自我介紹和介紹核電站燒開水的原理

阿帥：許多人一聽到這個，立刻就會説：“人類的本質就是燒開水！”

是的，這樣的彈幕和評論我見過很多。這如果作為一個玩笑，當然是可以的。不過如果作為一個認真的評論，那就太膚淺了。

實際上，燒開水只是把能量轉化成電能的常用方法之一。真正的關鍵是如何產生能量，而不是如何轉化能量。因此，即使同樣是燒開水，用核裂變燒對應的技術高度也遠遠超過用木柴或者煤炭燒。

將來，我們還要用核聚變燒開水呢。希望看過我們節目的同學們，那時不要再做出一副“機智的我早已看穿了一切”的樣子！

阿帥：説到燒開水，有一個容易想到的問題就是：核裂變加熱的水裏，會不會包含放射性物質？有放射性的水會不會排到環境裏？

核電站當然不會設計得這麼笨。實際上，核裂變加熱的水和用來推動發電機的水在空間上是分開的，熱量是通過熱交換傳遞過去的。

因此，核電站的設計分為兩部分，核島和常規島。所有有可能沾染放射性的部分都屬於核島，核島中的物質要密封循環運行，——除了像日本政府這樣不負責任的之外。

核電站的設計中核島部分

而跟外界連通的都屬於常規島，要嚴格保證沒有放射性。我有些在上海電氣工作的朋友，就是常規島建設的專家。

核電站的設計中常規島部分

所以，我們經常會看到這樣的宣傳：某某核電站在附近一年產生的輻射，低於做一次X光胸透。如果核電站完全按照設計運行，那麼在原理上確實應該如此。

胡強向我們介紹我國核能利用現狀

**阿帥：**那麼真正重要的問題就在於：核電站是不是能完全按照設計運行呢？

顯然，對於這樣的問題，誰都不敢拍胸脯打包票。從歷史記錄上看，人類確實發生過三次著名的核電站事故：1979年，美國的三哩島；1986年，蘇聯的切爾諾貝利；以及2011年，日本的福島。我們能夠做的是，認真分析事故原因，改進操作規程，以及尤其重要的是，提高核電站內在的安全性。

1979年美國的三哩島核電站事故

1986年蘇聯的切爾諾貝利核電站事故

2011年日本的福島核電站事故

​

**阿帥：**什麼叫做提高核電站內在的安全性呢？

當發生險情時，傳統的辦法是人採取某些操作去應對，例如把控制棒插進反應堆中。控制棒能夠迅速吸收大量中子，這樣就可以停堆。但只要是人的操作，就總有失誤的可能。如果你仔細瞭解三次核事故的過程，就會發現裏面充滿了各種匪夷所思的操作失誤。諸如控制棒卡住了、柴油機沒電了等等，簡直令人吐血。

因此，更好的思路是讓反應堆在沒有人工干預的情況下，自動就能避免災難。這怎麼可能呢？其實核聚變反應堆就是這樣的。核聚變需要非常高的温度和壓強才能發生，如果發生泄漏，温度壓強一降低，核聚變自然就停止了。在這種意義上，核聚變具有本質的安全性。

不過，核裂變跟核聚變不同，它跟温度和壓強都沒有關係。這是因為核聚變是幾個原子核聚在一起，需要高温高壓來克服原子核之間的靜電排斥。

核聚變反應示例圖

而核裂變是一個原子核分裂成幾個，變化是在原子核裏發生的，外部條件對它沒有任何影響。

核裂變反應示例圖

因此，提高核裂變反應堆內在安全性的辦法需要另外尋找。目前，人類找到的辦法叫做“非能動”的安全措施。

**阿帥：**咦，什麼叫做“非能動”？

每當説到這個詞，我都想吐槽一番。安全措施有能動的和非能動的之分，請問你覺得是能動的好，還是非能動的好？

我們平時經常講“主觀能動性”，所以大家天然地會認為“能動”是個好詞，能動的應該比非能動的好，對吧？

但真正的回答是：非能動的好！

實際上，能動的安全措施是指需要人去操作的安全措施，非能動的安全措施是指不需要人操作的安全措施。一旦瞭解了這兩個詞的意思，立刻就明白非能動的才是更好的。這是一個令人哭笑不得的由名稱導致的混亂。

如果把能動和非能動的安全措施叫做主動和被動的安全措施，大概就容易理解多了。

**阿帥：**玩過遊戲的同學們肯定都知道，直接生效的被動技能比需要主動釋放的技能更寶貴啊！

華龍一號如何實現非能動的安全呢？例如在反應堆上方放置許多水箱，發生事故時依靠重力就可以自動流下，冷卻堆芯。

胡強介紹華龍一號安全殼上方的水箱

胡強介紹華龍一號安全殼上方的水箱

基本的思路，就是用重力、密度差、壓強差等自動的因素作為驅動力。福島核災難的原因之一就是沒有這樣的裝置，冷卻水需要柴油機供電才能灌進去，一沒油就傻眼了。

基本上，對以前的核事故暴露出來的問題，如氫氣爆炸、底板熔穿等等，在華龍一號的設計中都設置了相應的非能動應對。事實上，非能動安全的設計理念，是第三代核電站的本質特徵。這就把我們引到了核電站的分代。

第一代核電站的目的是論證利用核能發電的技術可行性，例如1954年蘇聯建成的實驗性核電站和1957年美國建成的原型核電站。

1954年蘇聯建成的實驗性核電站

1957年美國建成的原型核電站

在技術可行性的基礎上，第二代核電站的目的是論證核電站的經濟可行性。七十年代的石油危機推動了核電的大發展，目前世界上商業運行的400多座核電機組大部分是在這個時期建成的。

在切爾諾貝利災難之後，世界核電業界對嚴重事故的預防和緩解進行了攻關。滿足這方面要求的核電站稱為第三代核電站，由此可見，它跟第二代核電站的區別主要在於非能動安全性。例如根據概率論的安全分析，華龍一號由內部事件和外部事件導致的堆芯損壞的頻率小於百萬分之一每堆每年，大量放射性釋放的頻率小於千萬分之一每堆每年，這些概率比第二代核電站降低了一個量級。

目前，人們還在研究安全性和經濟性更高的第四代核電站。跟前三代相比，第四代核電站從燃料到堆型到冷卻技術等等的選擇都更加五花八門，例如釷基熔鹽堆、高温氣冷堆、行波堆等等。

不過在運行的與在建的核電站中，最高的就是第三代。而在第三代核電站中，華龍一號的技術指標屬於先進水平。中國核電通過一直堅持的自主研發，消化吸收了從法國、俄羅斯、加拿大、美國等國引進的技術，到現在終於具有了全套自主技術，進入了第一集團，這是自主創新的重要成就。

有一點值得注意的是，華龍一號的自主知識產權也是安全性的重要一環。因為核電站要防備的危險，不只是地震海嘯這樣的天災與工作人員的操作失誤，還包括敵對國家或恐怖分子的網絡攻擊。如果像以前那樣，核電技術來自外國，這種危險就會大得多，——尤其當你跟技術來源國在進行貿易戰的時候。如果發生軍事對抗，就更不用説了。只有完全自主，才能把命運掌握在自己手裏。

華龍一號核燃料顆粒模型

華龍一號壓力容器

話説回來，有非能動安全並不意味着完全依靠非能動安全。能動與非能動結合，多個冗餘備份，是華龍一號的基本設計理念之一。顯然，操作人員仍然是非常關鍵的。

核電機組的操縱者，經常被稱為“黃金人”。這是因為培訓他們的費用非常高昂，超過相當於他們身體重量的黃金。他們的正式職位叫做操縱員和高級操縱員，後者簡稱“高操”。

在福清，我們見到了兩位黃金人。一位是前輩，已經轉為了管理崗位，他是大約20年前在俄羅斯接受的培訓。另一位是年輕的胡強，正在一線操作，他的培訓是完全在國內完成的。是的，現在我國已經具備了培訓高操的能力，這也是核能力建設的重要一環。

對高操的培訓十分嚴格，除了大量的材料記憶之外，還有全仿真的現場處置。考生在仿真的主控室裏，面對四處響起的警報與千變萬化的數據，要及時做出正確的應對，簡直堪稱“魔鬼特訓”。

高操培訓室的畫面

福清核電站的一至四號機組屬於第二代，是早已建成的。正在建設的第五、六號機組是華龍一號。五號機組的安全殼剛剛封頂，六號機組的安全殼正在建設。

華龍一號的安全殼是雙層的，內層要防放射性物質泄漏，外層要抵禦商用大飛機的撞擊。因此，安全殼在工程造價中佔了相當可觀的比例。由此可見，一波恐怖分子給全世界製造了多大的麻煩啊！

胡強帶領我們參觀建設現場

華龍一號在中國建設的同時，也在積極地向國外出口。目前，巴基斯坦的卡拉奇項目正在建設。

胡強談自己的成長經歷和對行業前景的希望與自豪

讓我們祝願華龍一號和中國核電在世界上取得更大的進步。

不過，在這期節目裏我們討論的只是核電站的運行過程，還有許多引人關注的問題沒有談到。例如核廢料的處置，如何保證核廢料在上萬年的時間裏不泄漏？這是前所未有的挑戰。又如敵對國家或恐怖分子把核電站作為目標的活動，都是十分令人頭疼的。

當然，一次參觀訪問不可能解決所有問題。無論如何，中國核電努力自主研發後來居上，是值得敬佩的。

其他各個層面的問題，希望我們以後有機會跟相關的專家請教。更希望，人類在能量階梯上奮勇攀登，讓我們能在宇宙級別上自豪地宣稱：我們把命運掌握在自己手中。