導(dǎo)語：在公眾眼中，“核能”似乎是一個(gè)自帶神秘感的領(lǐng)域，幾乎每個(gè)人都聽說過“核武器”“核電站”等詞匯，但對(duì)其原理和應(yīng)用卻知之甚少，歷史上出現(xiàn)的幾次重大核事故更是讓人心有余悸，對(duì)其安全性的質(zhì)疑也從未停止過。然而，“核”真的那么可怕嗎？它離我們的生活到底有多遠(yuǎn)？我們?yōu)槭裁匆l(fā)展核技術(shù)？中國數(shù)字科技館帶著這些疑問采訪了清華大學(xué)的王革華教授，讓我們一同來看看科學(xué)家眼中的“核”究竟是怎樣的。
王革華，1961年生，清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。1984年畢業(yè)于清華大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，1987年畢業(yè)于清華大學(xué)管理工程專業(yè)，工學(xué)碩士。研究領(lǐng)域?yàn)槟茉聪到y(tǒng)分析與規(guī)劃，側(cè)重于農(nóng)村能源、新能源經(jīng)濟(jì)與政策分析，能源與氣候變化等。1987～2001年在農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工作，曾任能源環(huán)保所所長。2002年至今在清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院從事教學(xué)和科研工作，曾任副院長，主講研究生課程《能源與可持續(xù)發(fā)展》《新能源概論》。著有《能源與可持續(xù)發(fā)展》《新能源概論》《新能源：人類的必然選擇》《縣級(jí)農(nóng)村能源綜合建設(shè)規(guī)劃》《農(nóng)村能源項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)》等專業(yè)著作，以及《半瓶集》《無所集》等詩文集。
Q：王老師，從您的角度看，核能和普通公眾有哪些聯(lián)系？它對(duì)我們的生產(chǎn)生活會(huì)產(chǎn)生哪些影響？
王革華：核能是一個(gè)比較大的概念，核技術(shù)發(fā)展的初因動(dòng)力是與軍事需要緊密相關(guān)的，主要用來發(fā)展核武器。到了20世紀(jì)五十年代，才開始了核能的和平利用。我們比較熟悉的，與生活密切相關(guān)的應(yīng)用是核電，核電是一種清潔能源，它的發(fā)展對(duì)保護(hù)環(huán)境有重要意義。
實(shí)際上核能的利用主要是利用它產(chǎn)生的熱能，既然如此，核能就可以應(yīng)用在各種需要熱的方面，比如核供暖。目前我國大部分供暖還是燒煤取熱，煤就是一種熱源。因此，理論上來說，未來能使用煤提供熱的地方，都可以使用核反應(yīng)發(fā)熱。
另外，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，電網(wǎng)建設(shè)和電力運(yùn)輸困難較多，大型電網(wǎng)的安全隱患（比如大規(guī)模停電）也相對(duì)較大，小型核電站是一個(gè)很好的解決方法，它的抗風(fēng)險(xiǎn)能力更強(qiáng)，對(duì)內(nèi)陸的供電有很大的積極作用。
Q：核電和我們現(xiàn)在使用的電在發(fā)電原理上有什么區(qū)別呢？
王革華：從基本原理來講，核能發(fā)電與普通火電廠差別不大，發(fā)電的原理都是通過高溫高壓的蒸汽來推動(dòng)汽輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。它們的區(qū)別在于熱源不同，即高溫高壓蒸汽的來源不同?；痣姀S的鍋爐是燃燒化石燃料，核電站的核反應(yīng)堆是燃燒核燃料——鈾235。因此，核反應(yīng)堆就相當(dāng)于傳統(tǒng)發(fā)電廠的“鍋爐”，用來提供熱源。
核反應(yīng)堆里的核燃料經(jīng)過中子的轟擊分裂成兩個(gè)或以上較輕原子核，并放出中子。在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量虧損，虧損的質(zhì)量就變成熱量了，這也就是愛因斯坦著名的質(zhì)能公式E=MC2 所表達(dá)的內(nèi)容。
重核裂變
裂變反應(yīng)堆鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的示意
Q：目前我們國家和國際上其他國家的核電占比（發(fā)電量占其電力來源的比例）情況是怎樣的？
王革華：目前，我國核電的發(fā)電量大約只占總發(fā)電量的3%，但是有些國家的核電占比是很高的，最高的是法國，核電占比達(dá)到了76.9%。法國的核電發(fā)展比較早，我國第一個(gè)核電站——大亞灣核電站就是采用了法國的技術(shù)。我國的核電發(fā)展雖然起步較晚，但是發(fā)展速度目前來說幾乎是全世界最快的，技術(shù)也是較為先進(jìn)的。未來我國的核電技術(shù)還要走出國門，在全世界應(yīng)用我國的核電技術(shù)。
其他國家核電發(fā)電量比例如下表所示：
Q：十二五科技成果展會(huì)上的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)——高溫氣冷堆備受關(guān)注，您能否給我們介紹一下“高溫氣冷堆”這個(gè)概念？
十二五科技成果展中正在山東榮成建設(shè)的全球首座20萬千瓦示范工程和后續(xù)60萬千瓦商業(yè)核電站的模型
山東石島灣核電站想象圖
王革華：我國的高溫氣冷堆技術(shù)目前走在世界領(lǐng)先地位?！案邷貧饫涠选敝械摹案邷亍焙汀袄洹笨此泼?，其實(shí)內(nèi)在邏輯十分合理。首先說說為什么要“冷”？當(dāng)核反應(yīng)堆不斷地工作，核反應(yīng)越來越快時(shí)，堆芯的溫度就會(huì)越來越高，反應(yīng)堆就會(huì)遭到破壞，進(jìn)而發(fā)生核事故，因此所有的核反應(yīng)堆都要冷卻，使其保持在一定的溫度，所以要加冷卻劑。一般來說，普遍采用的冷卻技術(shù)是“水冷”，顧名思義就是用“水”進(jìn)行冷卻，這屬于第二代核電技術(shù)?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的、大規(guī)模的正在運(yùn)行的核電站基本上都采用這個(gè)技術(shù)，主要有兩大類：一個(gè)是壓水堆，一個(gè)是沸水堆。而高溫氣冷堆不用水進(jìn)行冷卻，而是用氦氣作為冷卻劑，因此稱它為“氣冷”。
王革華：再來說說“高溫”，一般的壓水堆一回路溫度大概是300度，高溫氣冷堆一回路溫度可達(dá)到700-800度。熱力學(xué)第二定律卡諾定律講到：效率是與進(jìn)口出口的溫度差成正比的，差越大發(fā)電效率越高。所以說，高溫的優(yōu)勢(shì)就是發(fā)電效率高，也就意味著核燃料的利用率高，進(jìn)而節(jié)約了能源。
高溫氣冷堆原理圖
Q：2011年的福島核事故震驚世界，這次事故的主要原因是什么？福島核電站采用的是哪種核電技術(shù)？核電站本身的安全有保障嗎？
王革華：福島核電站采用的是現(xiàn)在國際上正在廣泛使用的第二代壓水堆技術(shù)。福島核事故的直接原因是反應(yīng)堆的溫度沒有得到控制導(dǎo)致氫氣的爆炸，核燃料發(fā)生泄漏。
溫度控制有很多方式，福島核電站使用的是石墨制成的控制棒，石墨能夠吸收反應(yīng)堆裂變后產(chǎn)生的中子，來控制中子的數(shù)量，即控制了核反應(yīng)速度以及反應(yīng)堆的溫度，使它處在一個(gè)平衡狀態(tài)?？刂瓢羰怯秒娍刂频模坏嚯?，控制棒就失效了。福島核電站的原本設(shè)計(jì)中是有備用電源（柴油發(fā)電機(jī)）的，以備在斷電的情況下繼續(xù)控制棒的工作。但不幸的是，海嘯的到來把柴油發(fā)電機(jī)的電源淹沒了，導(dǎo)致備用電源也失效了，控制棒失去了作用，反應(yīng)堆的溫度就無法控制，溫度越來越高，燃料包殼中的鋯與水反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣，就發(fā)生爆炸了。
所以說，這次事故的主要原因是海嘯（損壞了備用電源），如果僅僅是地震是不會(huì)發(fā)生核事故的。
日本福島核電站及損壞后的場景
Q：福島核事故之后，有想過怎么解決在備用電源也損壞的情況下如何避免事故的問題嗎？
王革華：我國以及國際上現(xiàn)在廣泛使用的都是二代核電站，而第三代核電技術(shù)對(duì)于安全的關(guān)注度就非常高了?？茖W(xué)家們想出了一個(gè)“不用電”的方法，在斷電的情況下依靠重力和壓力差來控制反應(yīng)堆，進(jìn)行冷卻，這叫做“非能動(dòng)的冷卻系統(tǒng)”。它的工作原理是這樣的：在高于堆芯的位置放一些水箱，在斷電的情況下打開水箱閥門，水在重力的作用下會(huì)向下流，來實(shí)現(xiàn)冷卻。這個(gè)設(shè)計(jì)非常巧妙，不僅安全性大大提升，而且減少了電機(jī)和水泵的數(shù)量，經(jīng)濟(jì)性也比第二代大大提高了，這也是第三代核電站的重大突破。
Q：剛才您提到了第二代、第三代、第四代核電技術(shù)，您能給我們講一講這幾代核電技術(shù)的關(guān)系和區(qū)別嗎？
王革華：第一代核電站是指各國在上世紀(jì)五十年代開發(fā)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)性原型核電站，證明了利用核能發(fā)電的技術(shù)可行性。
第二代核電站是指上世紀(jì)七十年代到現(xiàn)在正在運(yùn)行的大部分商業(yè)核電站，它證明了發(fā)展核電站在商業(yè)運(yùn)行上是可行的，也使世界核電得到了較快發(fā)展。
第三代核電站技術(shù)是指滿足《美國用戶要求文件(URD)》或《歐洲用戶要求文件(EUR)》，具有更高安全性的新一代先進(jìn)核電站技術(shù)。第三代與第二代跨越了30年左右的時(shí)間，研究出了“非能動(dòng)的冷卻系統(tǒng)”，這是革命性的改變和突破性的進(jìn)展，現(xiàn)在國際上新建的核電廠一般選用第三代。
第四代核電技術(shù)是指目前正進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和研究開發(fā)的，在反應(yīng)堆和燃料循環(huán)方面有重大創(chuàng)新的核電站，其安全性和經(jīng)濟(jì)性更加優(yōu)越、廢物量較少、無需廠外應(yīng)急、具有防擴(kuò)散能力。
高溫氣冷堆具有第四代核電技術(shù)的特點(diǎn)，是國際公認(rèn)的先進(jìn)核能系統(tǒng)，具有安全性好、堆芯不會(huì)融毀及溫度高、用途多等突出技術(shù)優(yōu)勢(shì)。第四代核電技術(shù)也包括了很多其他國家的技術(shù)和研究，但都還處在理論探討階段。而我國自主研發(fā)的高溫氣冷堆是已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最接近實(shí)現(xiàn)的。
Q：現(xiàn)有的核電站基本都建在沿海區(qū)域，它對(duì)于沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有影響嗎？公眾非常關(guān)心的核輻射問題，您怎么看？
王革華：核電站建在沿海主要有兩個(gè)原因：一是需要大量的水來冷卻，靠海比較便利，二是核電站的組件都非常龐大，通過海運(yùn)比較方便。
目前來說，如果不發(fā)生核事故，核電站對(duì)環(huán)境是完全沒有影響的?，F(xiàn)在的反應(yīng)堆實(shí)際上有四個(gè)“守門員”防守：1.核燃料芯塊。2.燃料包殼。3. 核燃料外面的壓力殼。4. 壓力殼外面的安全殼。這四個(gè)“守門員”會(huì)把放射性物質(zhì)全部屏蔽掉。
另外，運(yùn)輸核廢料的過程都是由工業(yè)機(jī)械手來完成的，人是根本不會(huì)接觸到這個(gè)環(huán)節(jié)的。所以在核電廠工作的人是不會(huì)受到核輻射的，反應(yīng)堆建成之后是不允許有人進(jìn)去的，一切都由工業(yè)機(jī)械手來完成。
核反應(yīng)本身會(huì)釋放出巨大的熱能，而目前大多數(shù)核電站都是采用水堆，即用水來給核反應(yīng)堆降溫，而降溫過程其實(shí)就是一個(gè)“換熱”反應(yīng)，因此核電站周圍的海水溫度會(huì)略有變化，可能會(huì)影響藻類生長，進(jìn)而對(duì)魚類等生物的生長產(chǎn)生影響。但是這種影響并不來源于放射性物質(zhì)的釋放，而是由于熱量、溫度的原因。
Q：我們經(jīng)常聽說的核廢料是什么？是怎樣產(chǎn)生的呢？
王革華：核廢料是指核反應(yīng)堆用過的乏燃料。就像煤炭似的，核燃料在核反應(yīng)堆里經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)就成了的核廢料。乏燃料含有大量未用完的U238或Th 232，未燒完的和新生成的易裂變材料U235、Pu 239、U233以及在輻照過程中產(chǎn)生的镎、镅、鋦等超鈾元素，另外還有裂變?cè)豐r 90、Cs 137、Tc99等。乏燃料中包含有大量的放射性元素，因此具有放射性。
Q：核廢料最后會(huì)運(yùn)到哪里呢？最終是怎么被處理的？
王革華：一般來講，核廢料小且少，一座百萬千瓦級(jí)的壓水堆核電站，每年產(chǎn)生的乏燃料為20～25噸左右，大概只有不到兩立方米。它們會(huì)被放在專門設(shè)計(jì)建造的儲(chǔ)存裝置中，儲(chǔ)存到一定數(shù)量后使用專門的運(yùn)輸工具運(yùn)走。目前我們國家已累計(jì)產(chǎn)生乏燃料約2200 噸。
對(duì)核廢料的處置目前有兩個(gè)方法：1.直接用水泥或者玻璃固化以后，運(yùn)到偏遠(yuǎn)的沙漠戈壁，深埋到地下。2.減量化，類似于垃圾分類，先把核燃料里有用的元素（比如鈾、钚、銥和鍶等）分離提取出來，經(jīng)過分離之后核廢料的體積大概能減小到幾十分之一，再對(duì)其進(jìn)行固化再深埋?？茖W(xué)家們也在研究更好的方法，比如對(duì)一些半衰期特別長的放射性元素，讓中子繼續(xù)轟擊原子核，成為別的元素，半衰期期短一些。但目前來說，核廢料的處置依舊是一個(gè)國際難題。
