核电站到底安不安全

朝不慵

2021/04/21 06:59

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19世纪时,人类发现世间万物都是由分子组成的,而分子又是由原子组成的。比如水是由两个氢原子加上一个氧原子组成的,而氧气是由两个氧原子和一个碳原子组成的。

原子的本意,即是“不可再分”的意思。当时人们以为到原子这个层面上,就已经是物质的尽头了。然而,到了20世纪,科学家们就发现,微观世界几乎和宏观宇宙一样,好像可以无穷无尽地拆解下去。

原子能分为质子、中子和电子。质子和中子又能分成夸克。夸克或许还可以再分,有些科学家认为它是由一根根振动的弦组成的。

1.发现原子能

原子还可以再分,有些原子本身就是不稳定的,它们会像打子弹一样,不停地向周围放射各种极其微小的粒子,这便是放射性

这些微小的粒子,有的具有很强的穿透性,可以打穿厚厚的钢板。也有的只能飞出很短的距离,用薄薄的衣服就可以把它们挡住——你只要不把它们吸入体内,就不会受到它们的伤害。

如果人的身体被这些粒子持续、大剂量地穿透,健康就会受损。这些微观的粒子,能够破坏你身体里的分子原子,改变它们的形态,最终导致细胞死亡,人体组织损坏。它们能够损坏你的DNA,形成极其深远的伤害。

居里夫人发现了钋和镭这两种放射性元素,终生在研究它们,最后也死在它们手上。

科学家们进一步研究发现,不稳定元素不但具有放射性,在特定条件下,还可以释放出极其巨大的能量。这个事情是怎么发现的呢?

刘慈欣的《三体》里面有个情节,三体人为了锁死地球的科技,派了一颗智子,让它去干扰地球人的粒子加速器,使人类无法从粒子加速器上得到正确的实验结果。这段情节有点匪夷所思,为啥干扰一个粒子加速器,就能有这么大的影响,能达到锁死人类科技的效果?

因为探索和认知微观世界的真相,的确是人类科技取得突破的关键,而人类研究微观粒子,用的就是撞的方法。用粒子加速器把一些粒子(通常是中子)加速到接近光速,让它们去撞击原子、原子核……把它们撞碎,看看会发生什么。方法看似简单粗暴,却十分有效。

粒子加速器是庞然大物,吃电狂魔,开动起来能吃掉半个城市的电。中国也有4台这样的宝贝

因此,粒子加速器就是人类目前的屠龙宝刀,所以三体人要把这柄宝刀牢牢按死在刀鞘里。

20世纪30年代时,科学家们用各种各样的粒子去撞击原子核,撞着撞着慢慢有一些发现。1938年,德国的哈恩和奥地利的迈特纳发现,用中子去撞铀原子时,会把铀原子一分为二,在这过程中,总体质量变小,并释放出极其惊人的能量。这个过程,就是核裂变

以往在分子层面上,不管发生啥化学反应,总体质量是不会变的,我们中学时都学过质量守恒定理。但到了更微观的层面上,质量竟然是可以凭空消失,转化成能量的。爱因斯坦为这种转换提供了公式,粗略地说,能量=质量×光速×光速。

乖乖不得了了,这是要30万乘以30万啊。像我这样的胖子如果把自己的质量转换成能量,原地自爆的话,大概可以轻松摧毁一座小镇。

2.核能的首次利用,摧毁日本

原子能的秘密被发现的那会儿,希特勒正带着德国人摩拳擦掌,要报一战时吃亏的一箭之仇。本来德国人在研究原子能方面,是处于领先位置的,而且也投了钱立了项,率先搞起了原子弹。

但是,由于纳粹德国反犹,加上欧陆局势凶险,好多科学家只好逃到了相对安全的美国,把天赋带到了大西洋的西岸。尤其是犹太裔或的或娶了犹太老婆的,其中就包括了研究核能的一批关键人物,比如意大利的费米。

到了美国之后,这群科学家忧心忡忡,他们了解核能的威力,担心德国率先把原子弹给制造出来。因为德国不仅有理论基础,还占领了主要的铀矿。于是他们不断撺掇美国,游说他们给钱立项目,抓紧研发核武器。美国政府一开始不太当回事,直到爱因斯坦给罗斯福总统写了信,陈述利害,才把事情重视起来。

1942年6月,罗斯福悄悄启动了一个曼哈顿计划,让科学家带着美国的军工企业和军界人员一起搞原子弹。欧洲来的科学家们在这个计划中起了大作用,中国有位叫吴健雄的物理学家,也在一个关键环节上助攻了一把。

曼哈顿计划的保密工作做得相当出色,尽管参与的人数众多,但分工搞得很细,每个小组只负责一小部分,参与的人都不知道这是用来干啥的,只有极少数大佬完整地知道整个计划的内容和目标。甚至连副总统杜鲁门都被蒙在鼓里,到了1945年,原子弹被捣鼓出来了,老罗斯福突发脑溢血逝世,杜鲁门被推上宝座,才一脸蒙逼地听说自己可以去毁天灭地。

美国人当时一共做了3颗原子弹,分别叫“小男孩”、“大男孩”和“胖子”。“小男孩”和“胖子”是用铀做成的,“大男孩”是用钚做成的。美国人在自己的沙漠中试爆了“大男孩”,被它的威力吓呆了:实验现场立着的铁塔被融化成了空气,沙子被烧成了玻璃,方圆几十里内的毒蛇和仙人掌们成了核武器最早的牺牲品。

1945年8月6日,“小男孩”被投在了广岛,在离地面600米高的地方爆炸。它的重量是5吨,却发挥了 15000吨TNT炸药的威力,整座城市基本被夷为平地。7万人当场死亡,随后数月中,死亡人数上升到14万。美军无数飞机轰炸东京轰炸了几个月,效果还不到一颗原子弹的七分之一。

8月9日,美军又把“胖子”丢在了长崎。原计划是要炸小仓的,但是当天小仓的天气不好,不好操作。飞行员临时启用了B计划,飞向了长崎。长崎被炸后,日本人终于崩溃了,转头便投降了。他们不知道其实这时候美国已经没有更多原子弹了。

原子弹的爆炸的威力太惊人了,参与原子弹研发计划的很多科学家被吓坏了,纷纷遁入空门吃斋念佛,此后成为核武器的反对者。

3.核电站

核能的威力如此强大,要是不用于战争,而用来发展经济搞建设,那岂不是天大的美事?二战结束后,人类便开始研究如何和平使用核能。

最先而且用得最广的,是用来发电。1951年,美国人用核反应堆成功发出了电,1954年,苏联人又建起了世界上第一座核电站。此后短短几十年中,核电站迅速发展。尽管中间几经坎坷,但凭着巨大的威力,核电站迅速在电力界中占据了中流砥柱的位置。

截止2020年2月,世界上有30个国家建立了核电站,共有441个核反应堆在运行,它们提供了全球10.5%的发电量。同时还有54个反应堆正在建设中,投入使用后,核电使用的比例还会更高。

各个国家中,核电使用最多的是美国。其次是法国,法国主要是使用比例高,巅峰时达到80%。中国位居第三,目前拥有47个核反应堆,核电用比大约4%。日本资源贫乏,也非常热衷于使用核电,它拥有33个核反应堆,核电用比一度高达30%,福岛核事故后有所下降。

怎样用核能来发电呢?它跟原子弹有啥差别?

4.核电站怎样工作

最关键的点,是控制核反应的速度,让核能量慢慢释放。

原子弹爆炸的时候,能量是急剧释放的,因为核裂变是一种链式反应。第一颗中子击中铀原子后,铀原子一分为二,同时释放出两个新的中子。这两个中子又击中了其他两个铀原子,引起新的裂变。2变4,4变8,8变16,16变32……指数级增长是十分恐怖的,用不了两秒钟,就会变成一个十分恐怖的数字。

控制反应速的度关键,就是控制中子的数量。把裂变的铀所释放出的一部分中子吸收掉,就能够把链式反应的速度降下来。这样子就把核能这匹野马驯化成了坐骑,想让它快,就少吸收点中子,想让它慢,就多吸收一点。

前面的文章《切尔诺贝利核事故始末》里提到的控制棒,就是用来吸收中子的。控制棒插得越多越深,中子就变少,反应堆的功率就越低,甚至是停下来。控制棒被提起,中子就变多,反应堆的功率上升。

只要控制了反应速度,收集热量,加热水变成蒸汽,推动涡轮发电,就不是什么难事。

核电站有很多优点。

首先,成本低,耗材少。核电的发电成本比传统的火电站低,即使它的修建和拆除(一般设计寿命是40年)的费用都比较高。从1973年起,主要工业国的核电成本就与火电持平,此后降到火电成本的66%左右,可见的未来还有不小的成本优化空间。(徐涵、胡松、胡华涛《成本控制,核电风险管控的重要课题》)

一座核电站一年烧的燃料,一部重型卡车运一次就可以搞定了。而一个同等级别的火电站,却需要一列火车,而且得天天运。

其次,核潜力巨大,取之不竭。目前核电站的主要燃料是铀-235,铀-235地球上的矿藏量很少,大概够用上百年。技术革新后,铀燃料可以循环使用,就可以用上几千年。

更大的前景在于,一旦掌握了可控核聚变,改用氘(音刀)作燃料,可以从海水中取材,它们释放的能源,可以供给人类使用几十亿年。

核聚变是一个跟核裂变相反的过程,两个原子变成一个,在这过程中质量也会变小,并释放出巨大能量。氢弹的原理就是核聚变,威力是原子弹的数百倍,感受一下。

不过,问题在于,核聚变需要在超高温的情况下才能够激发(氢弹是用一颗小型的原子弹去点燃的)。目前人类的技术,还做不出这种耐超高温的容器,所以也就没法控制它的反应速度。目前研究的方向是用磁场来约束它,据说有望突破。

顺便说,氕(音pie一声)氘氚(音川)这哥仨都是氢的同位素。统称氢,不过兄弟仨胖瘦不同(谁胖谁瘦看笔划就明白了)用途也大大不同。氕就是我们通常所说的氢,以前来用充气球的那种;氘是未来的核燃料,前途也一片光明;氚却是一种核废料,自然较少存在,它具有放射性,半衰期大约是12年。

这一次日本准备倒进太平洋的核废水里就含有氚,日本宣称会处理掉别的物质,只剩下氚处理不掉,而且说会保证含量很低,在安全标准之内。氚也可以作为核聚变材料,能用来制作氢弹。核反应堆里产生的另一种废料钚,也能用来制作核武器,这就是为啥一些国家不愿意把核电厂的技术外传。

核能源还有一个优点,就是它不会排放温室气体,可以帮助大家实现碳中和的目标。

但是,不论它有多少优点,始终有一个大麻烦,那就是安全问题。

5.核电站怎样保证安全

核电站到底安不安全?或者说,核电站做了些啥来保证安全?核电站日常运营产生的废料,又是怎么处理的,会不会造成污染?我看了一些相关的资料,整理一下:

1.核电站里的核燃料,铀的比例大约只有3%,远远低于原子弹的90%。这些燃烧是压缩在一根根燃料棒里,彼此是隔开的。而且一个反应堆里放着的核燃料,量也不是太多。

前面说一座核电站一年大概只消耗一车燃料,其中铀还只有3%,大约是1.5吨,一年加起来的体量约只有初代原子弹“小男孩”的30%。这么看起来还是比较安全的。

2.核电站里的核反应是在人的控制之下,是系上缰绳的,而且绳子还不只一条。反应生成的热量也被随时带走,温度不会升得太高。

3. 即使反应堆真的出事,放射性物质外泄,外面也有好几层保护壳,包括金属壳和几米厚的水泥壳,能够把污染物封闭在有限空间内。切尔诺贝利核电站有个问题,就是没有修外面那个水泥壳。三里岛那次核事故里,保护壳就起了作用。

4.核电站的技术在不断更新,安全性能越来越好。切尔诺贝利核电站使用的是第一代的石墨堆,设计缺陷比较多。现有的核电站普遍是安全性能好很多的第二代压水堆。第三代的正在建设,第四代的也在研发中。

压水堆设计上有负反应性,温度升得越高,反应速度反而会降点,这种设计是切尔诺贝利爆炸了的那个石墨反应堆所缺少的。

5.核电站选址上,一般会靠近经济发达区域,同时又远离人密集居住区。大部分的核电站修在靠海的地方,一方面是因为需要水,另一方面是考虑万一发生核泄漏,至少有一半不会不会影响到陆地。

这些靠海的核电站修建时实际上都有防风防浪的考虑。福岛的核点站会被爆掉,是因为那次灾害的烈度超越了人类的想象。事故过后,其他沿海的核电站随之调整了安全防护标准。万事皆有成本,防护不可能是无限的。

6.核电站日常产生的各种废料,有气体、液体和固体三种形态。其中气体和液体会先经过吸附、过滤、滞留度过半衰期等方法处理,然后排放到高空和海洋中。那些不能排放的,会压缩成固体,跟固体废料一起装入金属罐内,再埋到500米到1000米深的地下,确保几万年内不会出事。

7.在大家一般比较担心的放射性问题上,核电站日常带来的额外辐射,大约只有人们日常承受的辐射的1%。(数据来源:杜伟娜《未来能源的主导核能》,北京工业大学出版社)

实际上,我们时时刻刻都在受到各种各样的辐射。这些辐射里,有一半来自空气中的氡气,17.5%来自地球中的铀等矿物质,15%来自宇宙射线,7%来自医疗辐射,10%来自自己体内的一些物质,例如钾-40,最后的1%来自其他人——当然你也在辐射别人,大家互相伤害。

从这些情况来看,在正常运营的状况下,核电站确实没啥危险性。不是说绝对没有污染,只是比起传统能源来,它造成的污染要小得多。

6.三次核事故

前面说的都是正常状况下,那如果是非正常状况呢?迄今为止,各国的核电站一共发生过三起严重的事故。

第一起,1979年3月28日,美国三里岛核电站事故,这次事故是由机械故障和一系列的错误操作共同造成的。当时给水系统出现故障,而备用系统上一次检修后,又忘记打开了,操作人员未发现异常,导致反应堆缺水被烧干,温度升得过高。升温后系统自动关闭了反应堆,并且打开卸压阀卸压。

卸压后,阀门也出了点问题,没有自动关回来,工作人员又没有发现。他们重新给反应堆加水,没留意到这边在加,那边在漏。加了一阵后,他们以为差不多了,就把水给停掉了。没过一会儿,反应堆里的水就漏干了。堆芯又一次处于超高温状态,发生了熔化,释放出了很多放射性物质,并随着漏掉的水从卸压阀跑了出去。

后来工作人员终于发现了问题,在处理这些漏水时又连连出错,放射性物质层层泄露,最后有一部分进入了大气中。这时候大家开始慌了,担心会发生严重的事故,紧急疏散了20万人。

过后追踪的情况来看,实际泄漏到外面的不多,大部分放射性物质都被保护壳挡住了。除了现场3名工作人员受了稍多一点辐射之外,没有任何人员伤亡,也未对周边的环境造成破坏。三里岛事故造成的核废水,后来用蒸发的方式处理掉了。

尽管没造成破坏,却足以把人们给吓坏。事故过后,美国反核的声音变得特别响,此后美国政府有二十来年不敢批建新的核电站。

第二起,1986年4月26日,苏联切尔诺贝利核事故,事故是由于设计的缺陷,加上工作人员对操作规范不当回事,共同造就的。

切尔诺贝利核电站的反应堆设计有问题,控制系统也有问题,堆芯发生爆炸后,又没有多层保护壳,反应堆直接敞露在空气中,放射性物质大量外溢。事后,苏联人进行了英勇的拯救,但后果仍然很严重。前面《切尔诺贝利核事故始末》这篇文章里有详细写过,有兴趣可以翻看一下。

事故造成大量人员伤亡,以及高达2000亿美元的经济损失(比乌克兰2020年的GDP还要高出30%)。某种程度上,它的冲击对苏联的解体有着直接的影响,也给全世界都也造成了巨大的阴影,很多人在怀疑到底应不应该使用核能,应不应该建设核电站。

第三起,2011年3月11日,日本福岛核事故,事故是由于们对自然灾害的强度估计不足,护盾修得不够厚。当时日本发生了9级地震,引发了大海啸,有一个核电站出事了。

近期日本准备排入海洋的天量核废水正是那一次事故形成的。日本的确做了过滤、稀释处理,但这么大量的核废水会给海洋,给周边国家,给整个生态造成什么影响,实际上是未知的。这是人类使用核能,拓展新边界所碰上的新问题,需要更谨慎一些对待。

在这种未知的情况下,日本选择倒了再说;美国选择不问对错,不论小弟干了啥我都说好,从而确认日本小跟班的位置。毕竟这次欠下了天大人情,下次大哥要去砍人,当小弟的可不就得端茶倒水当狗腿。中韩由于地域和复杂的历史原因,选择关切和抗议,也是很自然的事情。

不论这些核废水实际上会不会造成负面影响,大家担心了,负面影响就一定会产生。正如三里岛核事故实际上也没有造成啥伤害,但却能让美国核电站的建设停步二十年一样。核废水倒进去以后,渔业等相关行业的损失是必然的,这些钱谁来赔?

7.会不会放弃核能

三次重大的核事故,都曾引起巨大的担心,导致核电行业一段时期内停滞不前。国际原子能机构却认为,虽然已经出了这些事,但是从整体上,核电对人类造成的伤害和负面影响,比起传统能源还是要更小一些的,我们应该继续大胆地使用核电。

但是,就和航空公司老说我们事故率其实最低,比坐汽车安全多了,却不会有人信一样,核电再怎么说自己安全,大家心里都会犯嘀咕。两者原因也是一样的,汽车出事不一定会死,但飞机会啊。核电虽说很少出事,但一出事就是大事。放射性物质影响面积大,持续周期长,半衰期动不动就以万年计,神仙也耗不起。

这些质疑、担心、争议会不会让人类放弃核能呢?我认为不会。人类既然已经窥见了这种超强力量,就很难放弃它。面对一个天量增长的机会,不往前突根本不是人类的作风。反正风险永远有,又不是原地不动就能够避免风险。

人类历史上所有进步,都是在勇敢地向未知前进。由于未知,前进的过程中免不了有磕磕绊绊,不时有不幸事故发生。但这些磕绊和事故,不会让人类停止前进,只会促使人们不断总结和优化,尽量避免悲剧重复。核电站也一样,三次事故都促使了人们进行反思,随后进行优化和调整,使得以后修建的核电站更为安全。

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