相信大家都对最近刚完结的一部好评上天的 HBO 新剧《切尔诺贝利》（Chernobyl）有所耳闻。该剧共有 5 集，生动形象地为观众描绘了 1986 年于前苏联境内发生的切尔诺贝利核事故全貌，在国际影评网站 IMDB 上的评分更是高达 9.7/10。
然而，这部以切尔诺贝利核电事故为原型的影视作品，再度引发人们对核能技术发展的担忧，核能这项技术究竟能给我们带来什么？回答这个问题的基础是，我们是否真地了解这项技术，核能又发展到了什么阶段？
图丨剧中截图（来源：HBO）
核裂变与三代反应堆
人类利用核能，主要原理是反应堆通过利用原子核的裂变反应所产生的热能来产生电能。
以常见的核燃料“铀-235 为例”，如果我们用一个具有足够能量的中子快速撞击铀-235 的原子核，其原子核便会裂变为钡和氪，并释放出几个新的中子以及源于能量守恒的约 200MeV 能量。而在反应堆的燃料棒中，单个核裂变反应中所产生的中子还有几率会撞击其他的铀-235 原子，造成其他的铀-235 原子也开始跟着裂变并放出更多中子和能量，铀核持续裂变，并释放出大量核能，这就是核裂变链式反应。
图丨铀-235 裂变示意图（来源：Wikipedia）
而一个反应堆能否正常工作，关键就在堆芯内核裂变链式反应的发生速率是否适中。速率过快会使反应堆爆炸（与原子弹的原理相同），过慢会导致反应堆不能有效工作。只有一个适中的反应速率，才能让核电站相对有效地将裂变产生的能量转化为电能。
包括切尔诺贝利的反应堆在内，目前世界上所有可发电的反应堆都是裂变反应堆。裂变堆在设计上大都用堆芯内裂变产生的热能将某种液体（一般是水）气化，然后再借蒸汽推动涡轮机发电，但在具体的构造和参数上，不同设计间的区别一般在于液体循环回路的设计、所使用的核燃料属性、对堆芯裂变反应速率的控制方法，以及由包括以上三点在内的各种设计因素所导致的最终发电成本。
在工程分类上，反应堆设计一般会根据其运行方式被分为压水堆（PWR）、沸水堆（BWR）、重水堆和更强调安全性、燃料再利用性和经济性的欧洲压水堆（ERP）四类。
在四类设计中，压水堆目前在全球范围内应用最广，使用轻水（就是普通的水）作为冷却剂和慢化剂（使从链式反应中释放出的高速中子降至可被燃料捕捉的速度），通过将水保存在高压环境内（约 155 bar）实现水在堆芯附近的高温环境 (约 325 摄氏度) 下仍能保持液态。此类反应堆一般设有主、次两个水循环回路，主回路负责堆芯冷却和一次热能传导，次回路负责二次热能传导，使低温水流至主回路旁时能被汽化并推动涡轮转动发电。在安全性上，压水堆的高压仓（核燃料反应区）顶部设有电磁控制的重力反应应急装置，该装置会在紧急情况下关闭吸附“控制杆（由能有效吸收中子的材料制成，用于紧急停止裂变链式反应）”的电磁铁，使控制杆能随重力落下并卡在燃料棒之间，自动对堆芯内的链式反应进行干预，极大地降低反应失控的概率。
图 丨 压水堆设计示意图，控制棒为左侧压炉内上方的黑色细棒（图源：hyperphysics.phy）
沸水堆在日本和美国较为常见，虽然在设计上较压水堆成本为低，但将沸水直接置于核裂变反应区并以此直接驱动涡轮的发电方式（不需压水堆中的复杂轻水回路设定）较压水堆更易使涡轮扇叶被水中杂质所污染，产生额外的涡轮更换成本。此外，沸水堆控制杆需人工操作才能插入堆芯内的燃料棒间，导致其在设计上不能及时停止链式反应，较压水堆来说更可能会发生核事故。
图 丨 沸水堆设计示意图，控制棒为左侧下方的 4 根黑色小棒（图源：nucleartourist.com）
重水堆是一种较为少见的反应堆设计，使用重水作为冷却剂和慢化剂，优势在于可直接使用未经提炼的自然铀资源作为燃料，但其燃料的再利用率相比其它设计要低得多，导致其在运行过程中会较其他设计产生更多不可回收的高危核废料。
欧洲压水堆（EPR）可被看作是改良后的压水堆，是目前最先进的设计，被认为是下一代反应堆的标杆。它除了在核电设计的安全性上创下新高，在电力的输出功率和燃料的再利用率上也较此前的设计有着大幅提升，比如 EPR 每单位发电量所用的铀较一般的压水堆设计就可缩减约 17%。
今年 1 月初，全球首台 EPR 机组在我国的秦山核电站准备就绪，事实上，这比原计划推迟了 10 年。但原计划于此前上线的其它几台欧洲在建 EPR 机组，都已因预算严重超支而将开机时间大幅延后。
超支和延期的主要原因是 2011 年的福岛事件所导致的安全要求提升，以及由此所带来的成本增加。在安全性上，进一步改良后的 EPR 可以说是已经达到了一个前所未有的高度——堆芯损坏的概率仅为百万分之一，也就是每一百万个 EPR 反应堆中可能只有一个的堆芯会发生问题，而即使堆芯发生泄漏，其外部的防泄漏基础设施也能防止辐射外泄的发生。
切尔诺贝利，永远的痛
而在整个人类利用核能的历史上，切尔诺贝利核电事故永远值得我们铭记。那么，那次事故发生的原因究竟是什么呢？
如果我们抛开人为因素不谈，采用压水堆设计的前苏联 RBMK 反应堆在设计上存在两个重大缺陷，一是它的空穴系数（Void Coefficient）为正，二是它的控制棒的顶部由石墨烯制成。空穴系数代表着堆芯的反应力与循环回路内蒸汽总量间的关系，而堆芯的反应力其实指的就是链式反应的反应速率，即每轮裂变反应中所产生的中子较上一轮反应是增加了（正反应力，反应会越来越剧烈），还是减少了（负反应力，反应会越来越弱）。在 RBMK 反应堆设计中，正空穴系数意味着堆芯的反应力会随着回路内蒸汽量的增加而增加，相比之下，目前大部分反应堆的空穴系数都为负。
根据记录，在事故发生前，切尔诺贝利核电站的 4 号堆正在进行一项此前尚未成功的安全测试，内容为测试反应堆能否在极端情况下（水泵因停电或低压而停止工作，导致堆内水循环停止），在反应时间内（链式反应失控前）将水泵的电源转换为核电站自身产生的电力。由于机组未能在低电力供应的情况下成功实现水泵的电力源转换，导致循环回路中的液态水越来越少，蒸汽越来越多，反应力也越来越高。
当然，操作人员在意识到堆内的反应力增长过快且已无法控制后，立刻按下了将控制棒完全插入的“应急停止反应”按钮，但由于控制棒的前端由石墨烯构成，而石墨烯相比水来说所能吸收的中子量更少，因此，在控制棒被插入后的那一瞬，也就是控制棒前端的石墨烯替换了部分燃料棒间的水之后，堆芯的反应力在短时间能迎来了更为剧烈的一次飙升，并最终造成了堆芯爆炸。
不过正如之前所提到的，目前大部分的核反应堆设计都较 RBMK 有了很大提升，尤其是在安全性上，目前大部分反应堆并不存在 RBMK 中的那种致命性缺陷（福岛事故是由于地震后的海啸损坏了水泵系统，导致反应堆不能被及时散热造成，控制棒上并无设计问题），因此我们并不需对核电站，尤其是新建核的 EPR 电站的安全性有过多担心。然而，虽然核能的安全问题在一定程度上已经得到解决，核电站所产生的核废料却又成了科学家们的心头大患。
核废料，一个严峻问题
核能在我们的印象里一般是“清洁能源”，但裂变站所产生的核废料在当下却是个十分严峻的问题。
核燃料在裂变链式反应末端会存在以 beta 和 gamma 衰变生成的裂变产物和通过 alpha 衰变形成的锕系元素（如铀-234）这类的高放射性裂变产物。这类高辐射物质能够大量吸收中子，并最终在数量足够多时终止燃料棒中的核裂变链式反应，使燃料棒中的燃料被“用尽”。因此，所有的裂变堆都需要定时更换燃料棒以维持棒内燃料的“活性”，进而使自己能持续为电网生产电力，但就目前来说，我们还没有一个处理这些替换下来的燃料棒（即核废料）的理想方法。
虽然废料中的 97% 都是一般放射性物质，衰变时间相对较短，可以通过相对简单的掩埋步骤（在存储空间四周铺上吸收辐射的涂层，铺上沙子等等）对其进行隔离，但剩余的 3% 却是真正的“高放射性物质”（即高危废料），需要至少约 10 万年才能完全衰变。
根据法国权威新闻机构 FRANCE 24 的数据，核电占法国目前总电力供应的约 75%，是世界上目前核电占总生产电量比最高的国家，法国国内的 58 台反应堆每年产出的高辐射废料能装满 120 辆双层巴士，相当于法国公民人均每年能平摊到约 2 公斤的高辐射废料产出（法国人口约 6712 万）。
图 丨 法国位于诺曼底的核废料存储中心（来源：Roger Ressmeyer/Corbis）
截至 2017 年年初，全球范围内共有 449 台正在运行的反应堆，并有 60 台在建，可以说废料的处理问题确实已经到了一个刻不容缓的地步，但我们目前唯一能做的也仅是在荒芜地区建造如上图所示的特种设施来存放它们。
虽然借助越来越先进的现代核反应堆设计，重大核事故的发生概率已经越来越低，但核能目前在本质上因废料问题还并不能算是一种清洁能源。
用英国前能源与气候变化部门顾问 David JC MacKay 爵士在的一句话来说，“可持续”与“可再生”两个概念其实并不相等，如果我们没有因为广泛使用化石燃料而造成污染问题的话，化石燃料也可算是一种“理想”的“可持续”能源，而如果我们对化石燃料的消耗速度也没有因广泛使用而如此之快的话，化石燃料其实也可以算得上是一种“可再生”能源，同样的道理也能被用在风能、太阳能和核能上。
目前的风能和太阳能的产能具有波动性，受外界各种因素的影响较大，并不能算得上是一种“可持续”能源，核能除了核废料问题，核燃料中的铀主要源自开采的矿物，从中进行提炼，而由于铀在矿物中自然形成的速度很慢，因此核能也不能被看作是一种“可再生”能源。
总的来说，在气候变化和环境问题越来越严峻的当下，人类目前在技术上还没有一个真正可靠的能源解决方案，但谁又能真正预测以后到底会发生什么呢？说不定，那些具有革命性意义，能从本质上解决问题的下一代能源技术，还就真能在情况变的更糟前及时到来，为人类的未来保驾护航。
文章来源：DeepTech深科技
IEEE Spectrum
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