核反應(yīng)為什么需要水？

“安全是發(fā)展的前提，發(fā)展是安全的保障。”核電是迄今為止最復(fù)雜的能源系統(tǒng)之一，而核安全則是核電發(fā)展的生命線。從20世紀(jì)50年代起，人類就開始探索核能的和平利用。近年來(lái)，伴隨著氣候問題的日益突出、能源供應(yīng)危機(jī)等，全球多國(guó)開啟了能源轉(zhuǎn)型思考，重新審視核能的作用，制定一系列核能發(fā)展戰(zhàn)略，也開展了諸多行動(dòng)，但核能安全問題始終是繞不開的議題。不久前，日本福島核污水入海計(jì)劃更是再次將“核廢水”“核污水”兩大概念重新引入公眾視野，獲得廣泛關(guān)注。那么，水在核反應(yīng)中到底扮演著怎樣的角色？在同樣澄澈清明的外觀之下，它又是什么時(shí)候、通過(guò)什么方式被污染的？核污水與核廢水的異同體現(xiàn)于何處？

能量的“魔法”

事實(shí)上，無(wú)論是核電還是火電，人類的能源發(fā)展歷程就是在不斷地、變著花樣地“燒開水”的過(guò)程——盡管核電站按照不同技術(shù)原理分為壓水堆、輕水堆、重水堆、熔鹽堆、石墨堆等不同類型，各個(gè)反應(yīng)堆的工作方式也各有不同，但它們都有著一個(gè)共同特性，就是蒸汽發(fā)電覆蓋大部分能源領(lǐng)域。

不管是什么類型的發(fā)電機(jī)，發(fā)電的過(guò)程都是將其他形式的“能”轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，其中絕大部分是動(dòng)能和電能之間的轉(zhuǎn)換。動(dòng)能很好理解，各類大型發(fā)電站都是利用不同動(dòng)力源來(lái)產(chǎn)生機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電力。比如水電，就是利用水力推動(dòng)機(jī)械輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，水輪機(jī)接上發(fā)電機(jī)，就可以發(fā)出電來(lái)；再比如風(fēng)電，就是利用風(fēng)力推動(dòng)葉片，將風(fēng)的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，風(fēng)葉片接上發(fā)電機(jī)，也可以發(fā)出電來(lái)。所以說(shuō)，能否發(fā)電很大程度上取決于有沒有足夠轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力。對(duì)于火電站等其他發(fā)電種類來(lái)說(shuō)也是如此——蒸汽是它們的主要?jiǎng)恿?lái)源方式?；痣姀S是利用可燃物（例如煤）作為燃料生產(chǎn)電能的工廠，它的基本生產(chǎn)過(guò)程是讓燃料在燃燒時(shí)加熱水生成蒸汽，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，蒸汽壓力推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。

那么，核電呢？

核電站的工作原理既復(fù)雜也簡(jiǎn)單，復(fù)雜在工藝、原料，卻簡(jiǎn)約在流程。以常見的壓水堆式核電站為例，就是用鈾制成的核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行裂變，進(jìn)而釋放出大量熱能，再由高壓下的循環(huán)冷卻水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)生成蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。

一般而言，壓水堆核電站有3個(gè)回路。一回路是核電站最核心的地方。核裂變反應(yīng)在這里發(fā)生以后，產(chǎn)生巨大熱量，這些熱量可將高壓水加熱到300℃以上。為了確保安全，核燃料外面都會(huì)包裹著特制的燃料包殼。不僅如此，整個(gè)一回路系統(tǒng)也通常會(huì)被安裝在安全殼密閉的廠房中，最大限度地保證公眾和環(huán)境不受到影響。二回路系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。由蒸汽系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組、凝汽器、蒸汽排放系統(tǒng)、給水加熱系統(tǒng)和輔助給水系統(tǒng)等組成。二回路的水通過(guò)蒸汽發(fā)生器吸收了一回路蒸汽的熱量，使自身變?yōu)轱柡驼羝苿?dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，然后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中冷卻后，再通過(guò)給水泵進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。三回路叫作冷凝器，是一個(gè)冷卻回路，利用冷卻水源冷卻二回路的水，將廢水帶走。壓水堆核電站的3個(gè)回路彼此是獨(dú)立運(yùn)作，而二三回路的水對(duì)于生態(tài)環(huán)境基本不會(huì)造成影響。

冷卻與中和

事實(shí)上，大部分核電站都選址在沿海地區(qū)，這也就側(cè)面說(shuō)明了水在整個(gè)核電流程中的重要地位、扮演的關(guān)鍵角色——核反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量熱能，需要通過(guò)水來(lái)冷卻。這種冷卻作用可以防止核反應(yīng)失控，從而確保發(fā)電過(guò)程的穩(wěn)定性。而利用海水來(lái)降溫幾乎是一個(gè)最好的選擇，既不需要建造冷卻塔，海水在冷卻時(shí)也不會(huì)與核反應(yīng)堆接觸（海水被抽上來(lái)的時(shí)候是冷的，它帶走了熱量的同時(shí)并沒有帶走反應(yīng)堆當(dāng)中的放射性物質(zhì)，所以并不會(huì)污染海洋）。而且大海的水量更多，能在短時(shí)間之內(nèi)進(jìn)行多次循環(huán)降溫，降溫效果更好，能在一定程度上保護(hù)核電站的機(jī)械設(shè)備，有效防止核電站出現(xiàn)爆炸或者泄漏等重大事件。

核電站流程簡(jiǎn)要示意圖

要知道，核電站是以核裂變?yōu)橹饕芰酷尫诺?，也就是說(shuō)，裂變能量要經(jīng)歷一個(gè)先轉(zhuǎn)化為熱能、熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。單從裂變反應(yīng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程由反應(yīng)堆來(lái)主導(dǎo)，也就是核能發(fā)電的核心部分，一般會(huì)利用中子轟擊鈾-235或钚-239，使之分裂為兩個(gè)或更多個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)釋放多個(gè)中子。釋放的中子還會(huì)繼續(xù)轟擊其他原子核，使反應(yīng)過(guò)程持續(xù)下去，從而形成一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可控，在反應(yīng)堆中有一些能夠吸收部分中子的材料，一般稱之為“控制棒”。在整個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的過(guò)程中會(huì)釋放大量能量，這部分能量可以使作為反應(yīng)堆冷卻劑的水變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)的水，也就是被人們稱為“燒開水”的部分。

高溫高壓的水通過(guò)U形的蒸汽發(fā)生器，將熱量傳遞給U形器外的水，并使之變?yōu)轱柡驼羝麪顟B(tài)。蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，而這一轉(zhuǎn)子是直接與發(fā)電機(jī)的軸相連的。這樣一來(lái)，汽輪機(jī)就可以直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，最終把機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)儲(chǔ)存輸送供人類日常生活使用。

明晰原理之后，水對(duì)核電站的重大意義顯而易見，“核廢水”與“核污水”的基本概念也浮出水面。它們從本質(zhì)上來(lái)講是完全不同的兩個(gè)體系：前者指核電站在正常運(yùn)行中產(chǎn)生的廢水，不會(huì)直接接觸核反應(yīng)堆芯內(nèi)的核燃料及核反應(yīng)物，經(jīng)處理后就可以通過(guò)管道安全排出；而后者則多指核反應(yīng)堆中未被及時(shí)冷卻或發(fā)生核事故后，直接接觸反應(yīng)堆中放射性物質(zhì)的那一部分用水。它們會(huì)受到高度放射性物質(zhì)的污染，含有钚、銫等數(shù)十種放射性物質(zhì)，對(duì)人體和環(huán)境危害嚴(yán)重，會(huì)致癌、致畸、致突變。其中許多物質(zhì)的半衰期漫長(zhǎng)，如碘-129的半衰期為1570萬(wàn)年；難以從水中分離的碳-14，其半衰期為5730年。

因此，如何做好核用水的處理工作是時(shí)代發(fā)展為業(yè)界出具的一份考卷，有人選擇堅(jiān)定守護(hù)，有人選擇激進(jìn)探索，但無(wú)論如何，凈化生態(tài)、保護(hù)深藍(lán)，是我們每個(gè)人義不容辭的責(zé)任。海洋，這個(gè)占據(jù)了地球70%以上面積的組成部分，不僅為人類提供了豐富的生物資源和能源，還在調(diào)節(jié)氣候、維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。反之，高懸于頭頂?shù)倪_(dá)摩克利斯之劍，遲早會(huì)落下來(lái)。