为什么说核电站的原理就是在“烧水”？

提起核电站，很多人脑海中浮现的是高高的冷却塔、神秘的辐射符号，甚至还有点科幻片里“核爆”的紧张感。但你知道吗？看似高深莫测的核电站，其实干的事儿和家里烧水差不多——都是用热把水烧开、变成蒸汽，然后推动涡轮机发电。听上去是不是有点“低技术”？今天，我们就来聊一聊，核电站究竟是如何工作的？它和传统的火力发电站又有何区别？

（图片来源：网络）

核电站的能量从哪里来？

核电站的能量来源于核裂变。根据初中的物理知识，我们知道：原子是由原子核和核外电子组成的，而原子核内部包含质子和中子，紧密结合在一起。当某些重元素的原子核，比如铀-235或钚-239，被中子轰击后，会发生裂变，分裂成两个较轻的原子核，同时释放出巨大的能量和新的中子。这个过程不仅是能量的释放，更是链式反应的起点，因为新的中子可以继续引发其他原子核的裂变，形成持续的能量释放。

铀-235的链式反应过程（图片来源：[1]）

核裂变释放的能量非常可观。一次裂变大约能释放2亿电子伏特（200 MeV）的能量，如果换算成热能，仅仅一克铀的裂变所释放的能量，相当于燃烧几吨煤所产生的能量。正是由于这种高能量密度，核电站只需要极少量的核燃料，就能够维持长时间的发电运行，这也是核能成为战略性能源的重要原因。

热能是如何转换成电能的？

核裂变本质上产生的是热能，而我们的电网需要的是电能，因此核电站的任务就是将热能转化为电能。这个过程与火力发电有着异曲同工之妙，它们的能量转化路径都是：热能转化为机械能，再转化为电能。

（图片来源：网络）

核电站的核心是核反应堆，这里是核裂变发生的地方。反应堆中装有核燃料棒，通常是二氧化铀制成的燃料颗粒，它们在控制下发生链式裂变反应，释放出大量热量。为了确保反应稳定，反应堆内部设有控制棒，通常由吸收中子的材料制成，如硼或镉。当需要降低反应速率时，控制棒插入得更深，吸收更多中子，裂变就会减缓。为了防止温度过高，核电站还必须配备强大的冷却系统。冷却剂通常是高压水，有些特殊反应堆使用液态钠或二氧化碳作为冷却剂。冷却剂将裂变产生的热量带走，然后在蒸汽发生器中加热水，使其转化为高温高压的蒸汽。

核电站发电的工作原理（图片来源：[2]）

这些蒸汽接下来进入汽轮机，推动其高速旋转。汽轮机的转轴连接着发电机，旋转的转子带动线圈切割磁力线，最终产生电流。这个过程和火电站几乎没有区别，只是热源不同，火电来自煤、油或天然气，而核电来自核裂变。蒸汽在做功后被冷却凝结成水，重新送回循环系统，形成一个封闭的回路，确保水资源高效利用。

核电站与火电站有什么区别？

从外部看，核电站与火电站的发电原理极为相似，都是通过烧水产生蒸汽推动汽轮机，但差别在于热量的来源。火电通过燃烧化石燃料释放热能，而核电通过裂变产生能量。由于核燃料的能量密度极高，一小块铀燃料就能取代数百吨煤炭，因此核电站所需的燃料远少于火电站。

核电与火电原理对比（图片来源：星球研究所）

此外，核电在运行过程中几乎不排放二氧化碳，被认为是一种低碳能源。然而，核电站的建造成本和技术要求远高于火电站，安全标准也极其严格，这使得核电虽然清洁高效，但在全球能源结构中比例仍有限。

核电站如何保证安全？

提到核电，人们常常会联想到切尔诺贝利或福岛事故，对其安全性心存疑虑。实际上，核电站不可能像原子弹一样发生大爆炸，因为原子弹需要瞬间达到超临界状态，而核电站中有一整套复杂的控制系统，裂变速率被精确调节，确保反应在稳定状态下运行。

四道屏障保证“华龙一号”核电站的安全（图片来源：[4]）

核电站的安全依赖多重防护。首先，控制棒可以迅速调节反应速率，一旦发生异常，控制棒会立即插入反应堆，终止裂变反应。其次，冷却系统至关重要，确保堆芯温度保持在安全范围内。

控制棒（图片来源：[2]）

除此之外，核电站的反应堆被包裹在厚实的钢筋混凝土安全壳中，即使发生事故也能最大限度隔离放射性物质。现代核电站还引入了被动安全系统，即便外部电源全部丧失，系统仍能依靠物理原理继续冷却，避免堆芯熔毁。可以说，现代核电站的安全性与几十年前相比，已经有了质的飞跃。

总结来说，核电站的本质，其实就是利用核裂变产生的热量，通过蒸汽推动汽轮机发电。它其实不是大家刻板印象中“随时可能爆炸的怪兽”，而是一种高效、低碳的清洁能源。核能并不可怕，可怕的是对它的无知。只要科学、安全地利用，它完全可以成为人类能源转型的重要支柱，为未来提供源源不断的动力。

参考文献

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/Xq4aQ67PvCiJH12dReHxEQ

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/L9mOV-bgSr8TnGFyA1DUPA

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/voacU8WDjyLsau0CyoVkRw

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/ElWI936sWMIoGN2QqaFexg

[5]冯献灵,薛广宇.核电站工作原理及发展前景展望[J].产业与科技论坛,2021,20(07):75-76.

[6]张璎.核电站工作原理及发展趋势[J].装备机械,2010,(04):2-7.