導語：在公眾眼中，“核能”似乎是一個自帶神秘感的領域，幾乎每個人都聽說過“核武器”“核電站”等詞匯，但對其原理和應用卻知之甚少，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？我們?yōu)槭裁匆l(fā)展核技術？中國數(shù)字科技館帶著這些疑問采訪了清華大學的王革華教授，讓我們一同來看看科學家眼中的“核”究竟是怎樣的。
王革華，1961年生，清華大學教授，博士生導師。1984年畢業(yè)于清華大學工業(yè)自動化專業(yè)，1987年畢業(yè)于清華大學管理工程專業(yè)，工學碩士。研究領域為能源系統(tǒng)分析與規(guī)劃，側重于農(nóng)村能源、新能源經(jīng)濟與政策分析，能源與氣候變化等。1987～2001年在農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院工作，曾任能源環(huán)保所所長。2002年至今在清華大學核能與新能源技術研究院從事教學和科研工作，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》《縣級農(nóng)村能源綜合建設規(guī)劃》《農(nóng)村能源項目經(jīng)濟評價》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？它對我們的生產(chǎn)生活會產(chǎn)生哪些影響？
王革華：核能是一個比較大的概念，核技術發(fā)展的初因動力是與軍事需要緊密相關的，主要用來發(fā)展核武器。到了20世紀五十年代，才開始了核能的和平利用。我們比較熟悉的，與生活密切相關的應用是核電，核電是一種清潔能源，它的發(fā)展對保護環(huán)境有重要意義。
實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，都可以使用核反應發(fā)熱。
另外，在偏遠地區(qū)，電網(wǎng)建設和電力運輸困難較多，大型電網(wǎng)的安全隱患（比如大規(guī)模停電）也相對較大，小型核電站是一個很好的解決方法，它的抗風險能力更強，對內(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汽輪旋轉帶動發(fā)電機發(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。火電廠的鍋爐是燃燒化石燃料，核電站的核反應堆是燃燒核燃料——鈾235。因此，核反應堆就相當于傳統(tǒng)發(fā)電廠的“鍋爐”，用來提供熱源。
核反應堆里的核燃料經(jīng)過中子的轟擊分裂成兩個或以上較輕原子核，并放出中子。在這個過程中會產(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 所表達的內(nèi)容。
重核裂變
裂變反應堆鏈式裂變反應的示意
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，核電占比達到了76.9%。法國的核電發(fā)展比較早，我國第一個核電站——大亞灣核電站就是采用了法國的技術。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，技術也是較為先進的。未來我國的核電技術還要走出國門，在全世界應用我國的核電技術。
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上的第四代先進核能系統(tǒng)——高溫氣冷堆備受關注，您能否給我們介紹一下“高溫氣冷堆”這個概念？
十二五科技成果展中正在山東榮成建設的全球首座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目前走在世界領先地位。“高溫氣冷堆”中的“高溫”和“冷”看似矛盾，其實內(nèi)在邏輯十分合理。首先說說為什么要“冷”？當核反應堆不斷地工作，核反應越來越快時，堆芯的溫度就會越來越高，反應堆就會遭到破壞，進而發(fā)生核事故，因此所有的核反應堆都要冷卻，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是“水冷”，顧名思義就是用“水”進行冷卻，這屬于第二代核電技術?，F(xiàn)在普遍應用的、大規(guī)模的正在運行的核電站基本上都采用這個技術，主要有兩大類：一個是壓水堆，一個是沸水堆。而高溫氣冷堆不用水進行冷卻，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到700-800度。熱力學第二定律卡諾定律講到：效率是與進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)勢就是發(fā)電效率高，也就意味著核燃料的利用率高，進而節(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？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。福島核事故的直接原因是反應堆的溫度沒有得到控制導致氫氣的爆炸，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，即控制了核反應速度以及反應堆的溫度，使它處在一個平衡狀態(tài)?？刂瓢羰怯秒娍刂频模坏嚯姡刂瓢艟褪Я?。福島核電站的原本設計中是有備用電源（柴油發(fā)電機）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)電機的電源淹沒了，導致備用電源也失效了，控制棒失去了作用，反應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，而第三代核電技術對于安全的關注度就非常高了?？茖W家們想出了一個“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堆，進行冷卻，這叫做“非能動的冷卻系統(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向下流，來實現(xiàn)冷卻。這個設計非常巧妙，不僅安全性大大提升，而且減少了電機和水泵的數(shù)量，經(jīng)濟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，您能給我們講一講這幾代核電技術的關系和區(qū)別嗎？
王革華：第一代核電站是指各國在上世紀五十年代開發(fā)建設的實驗性原型核電站，證明了利用核能發(fā)電的技術可行性。
第二代核電站是指上世紀七十年代到現(xiàn)在正在運行的大部分商業(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核電站技術。第三代與第二代跨越了30年左右的時間，研究出了“非能動的冷卻系統(tǒng)”，這是革命性的改變和突破性的進展，現(xiàn)在國際上新建的核電廠一般選用第三代。
第四代核電技術是指目前正進行概念設計和研究開發(fā)的，在反應堆和燃料循環(huán)方面有重大創(chuàng)新的核電站，其安全性和經(jīng)濟性更加優(yōu)越、廢物量較少、無需廠外應急、具有防擴散能力。
高溫氣冷堆具有第四代核電技術的特點，是國際公認的先進核能系統(tǒng)，具有安全性好、堆芯不會融毀及溫度高、用途多等突出技術優(yōu)勢。第四代核電技術也包括了很多其他國家的技術和研究，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)過實驗驗證，最接近實現(xiàn)的。
Q：現(xiàn)有的核電站基本都建在沿海區(qū)域，它對于沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有影響嗎？公眾非常關心的核輻射問題，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，通過海運比較方便。
目前來說，如果不發(fā)生核事故，核電站對環(huán)境是完全沒有影響的?，F(xiàn)在的反應堆實際上有四個“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“守門員”會把放射性物質(zhì)全部屏蔽掉。
另外，運輸核廢料的過程都是由工業(yè)機械手來完成的，人是根本不會接觸到這個環(huán)節(jié)的。所以在核電廠工作的人是不會受到核輻射的，反應堆建成之后是不允許有人進去的，一切都由工業(yè)機械手來完成。
核反應本身會釋放出巨大的熱能，而目前大多數(shù)核電站都是采用水堆，即用水來給核反應堆降溫，而降溫過程其實就是一個“換熱”反應，因此核電站周圍的海水溫度會略有變化，可能會影響藻類生長，進而對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：核廢料是指核反應堆用過的乏燃料。就像煤炭似的，核燃料在核反應堆里經(jīng)過一段時間的反應就成了的核廢料。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，另外還有裂變元素Sr 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：核廢料最后會運到哪里呢？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。它們會被放在專門設計建造的儲存裝置中，儲存到一定數(shù)量后使用專門的運輸工具運走。目前我們國家已累計產(chǎn)生乏燃料約2200 噸。
對核廢料的處置目前有兩個方法：1.直接用水泥或者玻璃固化以后，運到偏遠的沙漠戈壁，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，再對其進行固化再深埋?？茖W家們也在研究更好的方法，比如對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國際難題。
