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探秘中国首座自主研发核电站，“烧开水”我们是专业的 | 科技袁人Lite
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导读
人类社会发展至今，我们对能源的获取方式几乎没有实质性的变化，对自然的开采和利用并不能长久延续，直到科学家们发现核能，才真正打开了人类高效利用物质能源的大门。但是核电站的安全问题一直备受关注，去年袁老师应邀参观了中国首座自主研发的“华龙一号”核电站建设现场，在中国第三代核电站中，它的技术属于世界先进水平，不仅可以防备地震海啸这样的天灾，还能抵御很多其他风险，核电机组的操纵员也需要经过十分严格的“魔鬼培训”，以应对各种安全问题。看完视频，小猿想对所有为了发展核能技术而付出了巨大努力的科学工作者们致敬，也希望咱们能够早日发展出可控核聚变，为人类实现冲出地球移民宇宙的终极愿望增添信心！注：风云之声内容可以通过语音播放啦！读者们可下载讯飞有声APP，听公众号，查找“风云之声”，即可在线收听~
部分评论：
合肥工业大学：
发展可控核聚变，冲出地球，移民宇宙！
-晓悠-：
能达到两亿度的在四川的中国环流器二号M今年也快运行了
B站的刘天师：
作为2008–2017年从事核电站用过滤冷却空调机械设计和强度计算的我 对核电技术来看 我们很多核电系统的设计规范和方法其实都是翻译 抄袭 演绎 转化的法国和美国规范体系 有些部分甚至直接翻译原文 就是国标了 最近几年慢慢好了一点 更多的自主研发了 更多零部件也能自主设计制造了 还是很欣慰很自豪的 曾经我们出口衬衫袜子 现在都可以出口核电站了 祖国母亲强大了
精彩呈现：
探秘中国首座自主研发核电站，“烧开水”我们是专业的阿帅：最近日本环境大臣原田义昭说福岛的核废水快装不下了，希望倒进太平洋里去，令世界舆论哗然。福岛核事故从2011年发生，到现在都没处理完，简直是歹戏拖棚。
不久前电视剧《切尔诺贝利》热映，也引起了人们对此的记忆。袁老师，请问您怎样看切尔诺贝利和福岛的核灾难？
这当然是两场历史性的悲剧。不过在详细分析之前，让我们先来看看大图景。
人类进步的历史，归根结底是能源进步的历史。利用畜力，把人类带进了农业社会。利用蒸汽机，把人类带进了工业社会。现在，我们能够和平利用的最强的能源是核裂变。
为什么要强调和平利用呢？因为核聚变比核裂变更强，但目前我们对核聚变的利用只能是非和平的，就是氢弹。和平利用核聚变，即可控核聚变，是人类亟需攻克的下一级大台阶。
为什么说核聚变比核裂变更强呢？我们可以举一个定量的指标，就是质能转化的比例。根据狭义相对论中的质能关系E = mc^2，任何一个放出能量的过程都伴随着质量的减少，即质量亏损。
一个典型的化学反应，例如氢气和氧气生成水。你计算一下就会发现，这个反应的质量亏损不到100亿分之1.8，精密仪器都测量不出这么小的变化。在化学反应中这已经是非常高能的了，经常作为火箭推进剂，但“前方高能”的结果却是测不出来，实在是……太弱了。
一个典型的核裂变反应，例如核电站中常用的U-235加一个中子变成一个Ba-142加一个Kr-91加三个中子的反应，它的质量亏损约为0.09%。这个比例已经是可以测出来的了。它比上面那个化学反应的比例高了6个数量级，也就是说单位质量放出的能量高了百万倍。因此，大家经常听到类似这样的宣传：1公斤铀放出的能量，相当于2700吨标准煤。
一个典型的核聚变反应，例如现在主要研究的D（氘）和T（氚）变成He核加中子的反应，质量亏损约为0.7%。
它比核裂变的比例又高了一个数量级。我们只需要指出两点就够了：第一，氢弹的威力远远超过原子弹，有氢弹的五个国家“刚好”就是联合国的五个常任理事国；第二，人类要飞出地球，移民宇宙，就必须要掌握可控核聚变，因此科幻作品中跨星系飞船的动力默认就是核聚变。
事实上，我们还可以举出质能转化比例比核聚变更高的过程。
例如黑洞的喷流，它是在把物质吸入黑洞的时候，把一部分引力势能转化成动能喷射出来。这个比例可以高达40%，比核聚变又高了两个数量级！当然，要利用到黑洞的能量，也少不了先掌握可控核聚变。
最高的是正反物质的湮灭，它的质能转化比例直接就是——100%。不过跟前面说的那些过程不同，反物质不能当成一种能源，至少目前不能，因为我们还没有掌握大量制备反物质的办法。
了解了这个能量阶梯的大图景之后，让我们说回核裂变。它的非和平利用是在1945年实现的，就是原子弹。核裂变的和平利用，包括用来发电的核电站、核电池与用来推进的核潜艇、核航母等等。目前，核电在全世界总的发电量中占12%左右。
说起核电站，人们立刻就会想到两个特点。一个是如上所述的，超高的能量密度。另一个是放射性物质泄漏的风险，例如切尔诺贝利和福岛的灾难。那么，应该如何看待核电站呢？
这样的大问题，显然不是外行能够在一期节目中说清楚的。不过，任何态度的基础，都应该是对相关知识的了解。不久前，我们就获得了这样一个机会：中国第一个完全自主知识产权的第三代核电技术叫做“华龙一号”，华龙一号的世界首堆正在福建福清由中国核工业集团有限公司紧锣密鼓地建设，我们参观了建设现场。十分感谢中核集团的邀请。
如果问，核电站发电的原理是什么？最简单的回答就是：核裂变放出能量，把液态水加热成蒸汽，蒸汽推动机械装置发电。
阿帅：许多人一听到这个，立刻就会说：“人类的本质就是烧开水！”
是的，这样的弹幕和评论我见过很多。这如果作为一个玩笑，当然是可以的。不过如果作为一个认真的评论，那就太肤浅了。
实际上，烧开水只是把能量转化成电能的常用方法之一。真正的关键是如何产生能量，而不是如何转化能量。因此，即使同样是烧开水，用核裂变烧对应的技术高度也远远超过用木柴或者煤炭烧。
将来，我们还要用核聚变烧开水呢。希望看过我们节目的同学们，那时不要再做出一副“机智的我早已看穿了一切”的样子！
阿帅：说到烧开水，有一个容易想到的问题就是：核裂变加热的水里，会不会包含放射性物质？有放射性的水会不会排到环境里？
核电站当然不会设计得这么笨。实际上，核裂变加热的水和用来推动发电机的水在空间上是分开的，热量是通过热交换传递过去的。
因此，核电站的设计分为两部分，核岛和常规岛。所有有可能沾染放射性的部分都属于核岛，核岛中的物质要密封循环运行，——除了像日本政府这样不负责任的之外。
而跟外界连通的都属于常规岛，要严格保证没有放射性。我有些在上海电气工作的朋友，就是常规岛建设的专家。
所以，我们经常会看到这样的宣传：某某核电站在附近一年产生的辐射，低于做一次X光胸透。如果核电站完全按照设计运行，那么在原理上确实应该如此。
阿帅：那么真正重要的问题就在于：核电站是不是能完全按照设计运行呢？
显然，对于这样的问题，谁都不敢拍胸脯打包票。从历史记录上看，人类确实发生过三次著名的核电站事故：1979年，美国的三哩岛；1986年，苏联的切尔诺贝利；以及2011年，日本的福岛。我们能够做的是，认真分析事故原因，改进操作规程，以及尤其重要的是，提高核电站内在的安全性。
阿帅：什么叫做提高核电站内在的安全性呢？
当发生险情时，传统的办法是人采取某些操作去应对，例如把控制棒插进反应堆中。控制棒能够迅速吸收大量中子，这样就可以停堆。但只要是人的操作，就总有失误的可能。如果你仔细了解三次核事故的过程，就会发现里面充满了各种匪夷所思的操作失误。诸如控制棒卡住了、柴油机没电了等等，简直令人吐血。
因此，更好的思路是让反应堆在没有人工干预的情况下，自动就能避免灾难。这怎么可能呢？其实核聚变反应堆就是这样的。核聚变需要非常高的温度和压强才能发生，如果发生泄漏，温度压强一降低，核聚变自然就停止了。在这种意义上，核聚变具有本质的安全性。
不过，核裂变跟核聚变不同，它跟温度和压强都没有关系。这是因为核聚变是几个原子核聚在一起，需要高温高压来克服原子核之间的静电排斥。
而核裂变是一个原子核分裂成几个，变化是在原子核里发生的，外部条件对它没有任何影响。
核裂变反应示例图
因此，提高核裂变反应堆内在安全性的办法需要另外寻找。目前，人类找到的办法叫做“非能动”的安全措施。
阿帅：咦，什么叫做“非能动”？
每当说到这个词，我都想吐槽一番。安全措施有能动的和非能动的之分，请问你觉得是能动的好，还是非能动的好？
我们平时经常讲“主观能动性”，所以大家天然地会认为“能动”是个好词，能动的应该比非能动的好，对吧？
但真正的回答是：非能动的好！
实际上，能动的安全措施是指需要人去操作的安全措施，非能动的安全措施是指不需要人操作的安全措施。一旦了解了这两个词的意思，立刻就明白非能动的才是更好的。这是一个令人哭笑不得的由名称导致的混乱。
如果把能动和非能动的安全措施叫做主动和被动的安全措施，大概就容易理解多了。
阿帅：玩过游戏的同学们肯定都知道，直接生效的被动技能比需要主动释放的技能更宝贵啊！
华龙一号如何实现非能动的安全呢？例如在反应堆上方放置许多水箱，发生事故时依靠重力就可以自动流下，冷却堆芯。
胡强介绍华龙一号安全壳上方的水箱
基本的思路，就是用重力、密度差、压强差等自动的因素作为驱动力。福岛核灾难的原因之一就是没有这样的装置，冷却水需要柴油机供电才能灌进去，一没油就傻眼了。
基本上，对以前的核事故暴露出来的问题，如氢气爆炸、底板熔穿等等，在华龙一号的设计中都设置了相应的非能动应对。事实上，非能动安全的设计理念，是第三代核电站的本质特征。这就把我们引到了核电站的分代。
第一代核电站的目的是论证利用核能发电的技术可行性，例如1954年苏联建成的实验性核电站和1957年美国建成的原型核电站。
在切尔诺贝利灾难之后，世界核电业界对严重事故的预防和缓解进行了攻关。满足这方面要求的核电站称为第三代核电站，由此可见，它跟第二代核电站的区别主要在于非能动安全性。例如根据概率论的安全分析，华龙一号由内部事件和外部事件导致的堆芯损坏的频率小于百万分之一每堆每年，大量放射性释放的频率小于千万分之一每堆每年，这些概率比第二代核电站降低了一个量级。
目前，人们还在研究安全性和经济性更高的第四代核电站。跟前三代相比，第四代核电站从燃料到堆型到冷却技术等等的选择都更加五花八门，例如钍基熔盐堆、高温气冷堆、行波堆等等。
不过在运行的与在建的核电站中，最高的就是第三代。而在第三代核电站中，华龙一号的技术指标属于先进水平。中国核电通过一直坚持的自主研发，消化吸收了从法国、俄罗斯、加拿大、美国等国引进的技术，到现在终于具有了全套自主技术，进入了第一集团，这是自主创新的重要成就。
有一点值得注意的是，华龙一号的自主知识产权也是安全性的重要一环。因为核电站要防备的危险，不只是地震海啸这样的天灾与工作人员的操作失误，还包括敌对国家或恐怖分子的网络攻击。如果像以前那样，核电技术来自外国，这种危险就会大得多，——尤其当你跟技术来源国在进行贸易战的时候。如果发生军事对抗，就更不用说了。只有完全自主，才能把命运掌握在自己手里。
话说回来，有非能动安全并不意味着完全依靠非能动安全。能动与非能动结合，多个冗余备份，是华龙一号的基本设计理念之一。显然，操作人员仍然是非常关键的。
核电机组的操纵者，经常被称为“黄金人”。这是因为培训他们的费用非常高昂，超过相当于他们身体重量的黄金。他们的正式职位叫做操纵员和高级操纵员，后者简称“高操”。
在福清，我们见到了两位黄金人。一位是前辈，已经转为了管理岗位，他是大约20年前在俄罗斯接受的培训。另一位是年轻的胡强，正在一线操作，他的培训是完全在国内完成的。是的，现在我国已经具备了培训高操的能力，这也是核能力建设的重要一环。
对高操的培训十分严格，除了大量的材料记忆之外，还有全仿真的现场处置。考生在仿真的主控室里，面对四处响起的警报与千变万化的数据，要及时做出正确的应对，简直堪称“魔鬼特训”。
福清核电站的一至四号机组属于第二代，是早已建成的。正在建设的第五、六号机组是华龙一号。五号机组的安全壳刚刚封顶，六号机组的安全壳正在建设。
华龙一号的安全壳是双层的，内层要防放射性物质泄漏，外层要抵御商用大飞机的撞击。因此，安全壳在工程造价中占了相当可观的比例。由此可见，一波恐怖分子给全世界制造了多大的麻烦啊！
华龙一号在中国建设的同时，也在积极地向国外出口。目前，巴基斯坦的卡拉奇项目正在建设。
让我们祝愿华龙一号和中国核电在世界上取得更大的进步。
不过，在这期节目里我们讨论的只是核电站的运行过程，还有许多引人关注的问题没有谈到。例如核废料的处置，如何保证核废料在上万年的时间里不泄漏？这是前所未有的挑战。又如敌对国家或恐怖分子把核电站作为目标的活动，都是十分令人头疼的。
当然，一次参观访问不可能解决所有问题。无论如何，中国核电努力自主研发后来居上，是值得敬佩的。
其他各个层面的问题，希望我们以后有机会跟相关的专家请教。更希望，人类在能量阶梯上奋勇攀登，让我们能在宇宙级别上自豪地宣称：我们把命运掌握在自己手中。
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背景简介：本文是【科技袁人LITE】“探秘中国首座自主研发核电站，“烧开水”我们是专业的”的介绍，视频发布于2020年5月29日（https://www.bilibili.com/video/BV1Cg4y1B7FC）。 责任编辑：祝阳