第一节 核能发电

1954 年，美国建造的世界上第一艘核潜艇下水。后来在北极冰层下成功航行，这就促使他们计划建造世界上第一座小规模的核电站，这实质上是由小型潜艇反应堆按比例而增大的。当核能推动所产生的电力第一次送进电力网时，商用核能才终于被人们确认。它是一座 6 万千瓦轻水示范反应堆，由美国联邦政府支持建造的。

1963 年，在新泽西州建立了一个 51.5 万千瓦的核电站，经济分析表明， 核电最便宜。

因此，1965 年左右，核能在市场上一窝蜂地上马。

现在，我们先就遍布世界各地已经投入运行的 400 多个核电站的一般情况谈一谈。

远眺核电站的时候，首先看到的是高大的厂房和矗入云天的烟囱。火电站的烟囱，昼夜不停地冒着银灰色烟龙。但是，核电站的烟囱却从不冒烟， 它实际上是一条巨大的通风道，排出的是肉眼看不见的废气。

核电站是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的发电厂，它通常由一回路系统和二回路系统两大部分组成。核电站的核心是反应堆。反应堆工作时放出的核能，主要是以热能的形式，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。因此，整个一回路系统被称为“核蒸汽供应系统”，也称为核岛， 它相当于常规火电厂的锅炉系统，但工艺技术复杂得多。为了确保安全，整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内，这样，无论在正常运行或发生事故时都不会影响环境安全。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与常规火电厂的汽轮发电机系统基本相同，也称为常规岛。

核电站常常靠山傍水，四周绿树成荫，风景如画。如果你走进核电站厂

门，会感到环境清静而幽雅。这里既没有尘土灰渣的飞扬或小山般的煤堆， 也没有庞大的油罐。外面没有刺耳的噪声。可在机房里，巨大的汽轮发电机却在飞转，强大的电流正源源不断送往四面八方。

在核电站的中央控制室，正面墙上布满了各式各样的仪表，指示灯闪闪发光，操纵员通过电脑遥控着核电站，使之安全稳定地运行。

核电站是能源家族中的巨人，他吃食很小，却力大无比。一座百万千瓦级的压水堆（反应堆中的一种）核电站，一年只需 30 吨左右低浓铀核燃料。

而同样规模的煤电站，一年至少要供应它 230 万吨煤炭。

核电站的不凡风貌，其奥妙就在它的“核发电机”与众不同。

核电站是怎样发电的呢？简而言之，它以核反应堆来代替火电站的锅 炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，加热水使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其关键设备在于反应堆。

普通的房子都有窗户，这是人所共知的，那不是为了装饰，而是为了实际需要。窗户的作用不外乎两个：一是采光、二是通风。设想房子要是没有窗户，岂不是又暗又闷，人怎么能在里面工作和生活呢？

有的工业建筑物，象进行精细操作的电子工业的车间，为了防止从房子外面的空气中带进来灰尘，影响产品质量，也为了保持室内一定的恒温要求， 是靠人工调节系统进行换气并调节空气的温度、湿度的。即使象这种工业建筑，也还是开有很大的窗户，只不过这窗户是密闭的，只用于采光，不靠它通风罢了，因为到现在为止，无论用哪一种灯光照明，总没有太阳的光亮那样使人感到舒适自然。

核电站里安装着原子反应堆的厂房，则是因要求特殊，不能有窗户。

提起反应堆，人们会想到放射性是很可怕的东西。其实，对于危险物品， 最好的办法是隔离。老虎要吃人，把它关进笼子里，就谁都不必害怕了，还可以放到动物园去任人观赏。核电站里的危险物质就是核燃料，它是一种有放射性的物质，特别是在使用过以后，放射性更为强烈。核燃料是被密闭在称之为燃料元件包壳的金属管内的。只要管子不破，放射性物质就不会漏到外面来，这是第一道防线。燃料元件放在反应堆的容器内，反应堆容器是密闭的。一切相联的管道，其它各种容器也都是密闭的。这是第二道防线。整个的反应堆设备都安装在一座密闭的建筑物内，这是一座没有窗的房子，万一放射性物质冲破一道和二道防线外溢，这座没有窗户的房子就是最后的防线。

核电站的反应堆是一个庞然大物，容纳这样一个东西的房子必然也很

大，而且必须十分坚固。设想反应堆如发生严重的事故，比如说发生了爆炸， 这最后一道防线也决不能受到损坏。它就象一个钟罩似的，把一切危险物质或危险气体都罩在里面，不会散发到外面去。

什么结构的建筑式样最坚固呢？是球形建筑。球形的东西，如果里面产生压力，那么它所受的力是很均匀的。而且，从几何学上可以知道，球体和其它几何形状比起来，在最小的表面积之下，有着最大的容积。这就是说照这个样子建成的房子，里面可以容纳最多的设备，而所用的建筑材料最少， 也最坚固。

核电站反应堆厂房就是按照这个原理来设计的。由于它的主要目的是防止核电站在运行、停堆和事故期间因失去控制而将放射性物质排放到周围环境中去，因而这个没有窗户的房子就专门叫做“安全壳”。

50 年代的“安全壳”，为了达到密封和坚固的目的，是做成球形的。这

是一个很大的球，直径大到二、三十米，是用厚达 50 毫米的钢板压成弧形， 一块块地拼焊起来的。这要求有很高的焊接技术，才能保证密封得很好。这种巨大的圆球，构成了核电站特有的宏伟景观。

造一个这样大的球形钢壳，要用几百万吨钢材。钢材用得多还在其次， 主要的困难在于焊接工艺不易达到要求。几千块钢板，几万米焊缝，要做到一丝气体不漏，实在很困难。而且还要防止焊接中钢板变形。既然安全壳是一种工业建筑，为什么不能用钢筋混凝土来造呢？于是，进入 60 年代，人们就为核电站建成了用钢筋混凝土作材料的安全壳，里面敷上钢衬里。式样也从球形演变为圆柱形上接一个半球形的盖，因为这样便于浇灌水泥。钢筋混凝土厚达一米，用来承受压力，而钢衬里只用来保持密封，这样，钢板可以用得很薄，焊接时就比较容易达到气密的要求

有时候由于要求更可靠的气密性，在钢衬里和混凝土壳之间留一层 1 米多厚的空气隙，空气隙内的气压比周围环境的大气压低一些，如果钢壳发生泄漏，有放射性的气体就漏入这空隙中，因为这层空气空隙的气压低，所以泄漏到它里面去的有放射性气体绝不会再透过混凝土壳的裂缝漏到外面去， 只能是外面的大气漏入空隙中。漏入空隙中的有害气体便可吸入专门的处理设备中加以处理，以除去有害的成分。

为了使混凝土安全壳更加坚固，现在大部分新建的核电站都采用预应力混凝士安全壳。它的原理很象紧箍木桶的铁箍的妙用。在混凝土里嵌进许多纵横交错的钢丝绳，用巨大的螺旋机构将钢丝绳拉紧。这样的安全壳十分可靠。每一股钢丝绳都可以安装测力的仪器，随时检查拉紧的情况，如果有哪一根松了，便及时重新拧紧，用这么多钢丝绳捆紧的混凝土壳，不可能一下子崩开。要是损坏的话，总是先裂一条小缝，钢丝绳的弹力就会把这条小缝挤合。这样的建筑物，固然没有窗，但门还是有的，不过这门也是密封的， 而且还十分坚固。

这样的安全壳，在设计的时候已经考虑到，即便壳内的反应堆本身发生最大的事故，它也不会损坏。那么它对外面来的“飞来横祸”是不是有足够的防御能力呢？作为安全考虑，应把所有的可能性都估计到。

安全壳旁边就是汽轮发电机厂房，这是一栋没有防护的厂房，如果汽轮

发电机正在高速运转，忽然，旋转着的叶轮碎裂了，裂成了几个碎片，它们冲破屋顶，打在安全壳上，结果会怎么样呢？最好的是做实验。做一块厚长1.4米、面积为6×6米² 的钢筋混凝土板，它同实际核电站的反应堆安全

壳的混凝土壁是一样的。把重达 1.5 千克的汽轮机叶片放在一个小型火箭的

头部，发射火箭，使火箭加速到每小时 300 公里的速度，射击这块混凝土板， 看看它是否损坏。

每小时 300 公里是计算出来的碎片可能的甩出速度，试验的结果是叶片的一头钻入了混凝土中达半尺深，而整块混凝土板却没有大的损伤，只不过在背后有少许裂纹而已。

如果电线杆因刮大风而倒在安全壳上又会怎样呢？坚固的安全壳肯定不会损坏。

要是一架飞机失事，撞在安全壳上，这又会发生什么结果呢？很多研究者在研究这种事故发生的可能性和后果。幸亏核电站不会建在飞机起落频繁的航线之下。要是真的有一架飞机撞到核电站的安全壳上，那机会也许是几千年才有一次。至少到目前为止还没有发生过。

地震会不会使安全壳破裂？这在选择厂址的时候就已经作过考虑，那时已对地质情况作了调查，最好是在从未发生地震的地区，并且按照防震的要求来建造核电站。这就是说，即便发生最大的地震，安全壳仍旧能保持完整； 不管是下陷也好，翻倒也好，安全壳仍应安然无恙。这样，里面的东西即使震坏了也不致漏出来。

那么，核电站有没有辐射危险呢？

核电站的燃料（铀-235）在裂变发出能量的同时，放出中子、β（贝塔） 射线、γ（伽玛）射线，铀的两个分裂碎片将长期辐射出β射线、γ射线。核电站的带放射性的部分（反应堆及其冷却系统）放在有防护的球形或圆柱形安全壳内。

即使有充分防护，核电站也向外界产生微量辐射，但是这种微量辐射对人们并不构成任何危险。要知道，我们人类从古到今一直生活在一个放射性的世界中，我们周围的自然环境充满着辐射。这种辐射来自土壤、水和空气中的天然放射性（如自然界的元素铀、钾-40、氘等）以及宇宙射线辐射。人们由于居住、饮食和日常活动每年平均要受到 115 至 215 毫雷姆的辐射剂量。雷姆是考虑射线对人的生物效应的度量单位、毫雷姆等于千分之一雷姆。从事原子能的职业人员每年规定不许受到大于 5 雷姆的辐照剂量，邻近居民每

年受到的附加剂量不许超过 50 毫雷姆。

实际上，核电站附近 8 公里处的居民每年受到来自核电站的辐射剂量约

为 17 毫雷姆，超过 8 公里以外实际已没有影响。所以，核电站的存在只使 8 公里内的居民每年总辐射剂量所增极少。

另外需要提到的是，烟草中含有微量放射性元素钋-210，这可能是导致肺癌的一个因素。煤电站由于煤含有天然放射性元素也会放出辐射线。地热

电站的蒸汽中有时含有放射性气体氧。在这个充满辐射的世界中，防护良好的核电站平常是不会构成辐射危害的。