博览君 出品：科普中国 制作：寒木钓萌 监制：中国科学院计算机网络信息中心 比尔·盖茨曾经在几个场合下表示，他有三个理想。 第一个是每个人有一台电脑，都用上 windows 系统。这个他基本上实现了。 第二个是消灭艾滋病、结核病和疟疾，每个人有平等的医疗机会。而这个理想，他和他的团队正在做，捐钱无数。 那第三个理想是什么呢？ 比尔盖茨，世界首富，身价 876 亿（2015 年），他资助了全球最大的慈善基金会，而该基金会截止 2012 年 9 月 30 日时拥有资金约 362 亿美元。 让穷人都能够用上清洁经济的电 是的，这就是比尔盖茨的第三个理想：让穷人能够用上清洁经济的电！ 怎么实现？ 技术！ 什么技术？ 核技术！ 我们的孩子不会因为家里用不起电而跑到街上借助路灯看书，但是，在世界上的某些国家和地区，这样的情景并不难见到，如上图。 很多人反对核电，这是不争的事实。然而，另一个不争的事实是，越来越多的人正在因为一天的雾霾而影响了一天的心情。 很多人津津乐道于德国放弃核电，却不知德国每天都在用着来自法国的核电。 更有不少人说，我国铀资源少，发展核电不是根本之道。 真是这样吗？只占天然铀中 0.72% 的铀 235 提供了那么大的电力，它们比金子还要宝贵，现在，就让我们一起来看看，如何点石成金——利用其余那 99% 的铀。 中子是关键 中子离我们其实很近很近，人体中很大一部分质量都是由中子提供的。在核电站中，中子又是必不可少的一环，它们就像一颗颗小子弹，不断地去击中铀 235。 子弹的速度有快有慢，同样，中子的速度也如此，在反应堆中，铀 235 释放的中子叫做快中子，它们的速度大约是 1.4 万千米 / 秒，接近于光速的 5%。 虽然快中子是铀 235 裂变放出来的，但铀 235 其实并不怎么喜欢自己鼓捣出来的东西，原因是快中子的速度太快了，中子在堆内停留时间太短。 这麻烦了，你要是不喜欢你自产的快中子，怎么让你们维持链式反应呢亲？ 铀 235 不管这些，它还是喜欢慢中子，也叫热中子，即速度为 2.2 千米 / 秒的中子。 还能怎样？为了清洁的核电，只能去满足它了，所以得把中子的速度降下来，怎么降？ 重水！ 这又是个什么东西？ 我们都知道氢有三种同位素，分别是氕氘氚，水分子 H2O 中的那个“氢”如果是氕，那么这样的水就是你天天喝的白开水，学术上咱们叫它“轻水”。 如果水分子 H2O 中的那两个“氢”，一个是氕一个是氘，那么这样的水就叫“半重水”。 如果两个都是氘，那这样的水就叫“重水”。同理，如果两个都是氚，那就叫超重水。 把重水冻成冰，它会沉入水中，而右边的普通冰是浮在水上的 重水对快中子有非常好的慢化效果，所以，如果使用重水当核电站的慢化剂和冷却剂，那是最好不过了，而这样的反应堆，就叫做“重水堆”。 但是重水很难提炼因此很贵，加上其他原因，所以只能退而求其次，使用咱们平时喝的白开水（当然这是要多次提纯的），使用普通水的反应堆叫做“轻水堆”。而咱们前面说的压水堆，它其实只是轻水堆的一种而已。 铀 235 不怎么喜欢快中子，但是对于铀 238 来说却是一个宝，它吸收一个快中子后会变成什么呢？ 当然是铀 239 了！ 铀 239 是不稳定的，经过几天时间，因自身衰变后，会变成钚 239，而钚 239 跟铀 235 一样，很容易发生裂变，且放出的能量比铀 235 还要大那么一点儿。 铀 238“吃”进一个快中子后，变成铀 239，再经过几次衰变最终变成钚 239 瞧，原来这里的关键是快中子！ 可是铀 235 不喜欢快中子呀！ 怎么办？ 其实，快中子之所以不能让铀 235 维持链式反应，这不是因为铀 235 绝对不吸收快中子，而是吸收的概率比较小而已。 概率比较小，那就增加概率嘛！ 对头，在核燃料中增加铀 235 的浓度，如此，快中子与它反应的概率，也就是反应截面就增加了。 现在，链式反应可以维持了。 快中子也有了。 每一个铀 235（或者钚 239）裂变会产生 2 到 3 个快中子，这些中子呢，有的去维持下一步的裂变反应，剩下的中子被铀 238 吸收，于是，反应堆中，每消耗一个铀 235（或者钚 239），就会产生一个以上的钚 239，瞧，核燃料不是越烧越少，而是越烧越多，它居然还能增殖！ 于是，这样的反应堆就叫做“增殖反应堆”，又因为堆内主要是快中子，所以又叫“快中子增殖反应堆，”简称快堆。而前面咱们介绍的压水堆，它可以归类到“热堆”里面，因为它使用的是热中子。 快堆的优势 现在的核电站对铀资源的利用率不足 1%，而如果快堆技术成熟后，那么对铀资源的利用率将达到 70% 左右，又因为利用率提高了，那么，之前根本不具备开采价值的贫铀矿，甚至是海洋中的铀资源也变得值得开采了，如此，世界上可开采的铀资源将提高千倍。而我国铀资源少的问题也将迎刃而解。 我国的快堆 我国的“华龙一号”属于先进的第三代反应堆，而“快堆”技术则属于各国争相发展的第四代反应堆。距离天安门直线距离不到 40 千米的房山有一座实验性质的快堆——中国实验快堆，2011 年 7 月 21 日成功实现并网发电，发电功率 20 兆瓦。 瞧，这也从另一个角度反驳了一些人的观点：核电那么安全，怎么不建在北京去？ 只要各方面条件合适，比如占地少等等，这不就建了吗？ 图为中国实验快堆外景 中国实验快堆采用金属钠作为冷却剂，它属于钠冷快堆；同理，使用氦气作为冷却剂的叫做气冷快堆。 行波堆 比尔盖茨为了实现其理想，筹资建立了一个能源公司，发展一种叫做“行波堆”的反应堆技术。虽然很多细节上跟目前世界上主流的快中子增殖反应堆有所不同，但其出发点还是实现对核燃料铀 238 的充分利用。 上图为行波堆示意图，黄色的为正在反应的核燃料，绿色的为待增殖的核燃料，运行时，一边消耗核燃料一边又生产核燃料，核燃料利用率很高，燃烧和增殖就像一个波一样，从反应堆的一端慢慢移动到另外一端，所以叫做行波堆。裂变区的移动速度很慢，数十年不用换燃料。 无疑，不管是比尔盖茨看好的这种难度很大的“行波堆”技术，还是目前世界主流的快堆技术，任何一个在未来获得成功都是全人类的福音。 虽然快堆技术令人向往，但还是有人不这么看，他们的观点是：我家住在四季如春的地方，夏天不用开空调，连风扇也不用，冬天不用电取暖，我们并不需要那么多电。 好吧，我们暂时认为这样的人间美地是存在的，但是，你总得消费，而你消费的每一样东西都会有电力的成本在里面，你买到的任何商品都直接或间接地包含了电价，电力供应不足，电就会涨价，商品的成本也会跟着涨。反之，若电力能极其廉价地生产出来，那么绝大部分商品的价格也会跟着降。 虽然我们对运营商有这样那样的埋怨，但一个事实却无法否认：十几年前，谁要是听说谁家安装了两兆的宽带，都会一脸羡慕的表情，而现在，普通家庭的宽带可以到 20 兆，50 兆带宽也在逐年增多，但是价钱，却还没有以前的两兆宽带贵，这是技术带来的。 能源消费只有两种趋势，要么越来越贵，要么越来越便宜。而现在的趋势是越来越贵，放心，它一点儿也影响不了那些有钱人，但我们普通大众就不同了。 算啦不说了，这湿冷的冬天，因为舍不得开取暖器，身上有点小冷，我得出去抖一抖，请关注“科普中国”，咱们下期见。 “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。 本文由科普中国移动端出品，转载请注明出处。 发自知乎专栏「中国科普博览」
