核反应为什么需要水？

“安全是发展的前提，发展是安全的保障。”核电是迄今为止最复杂的能源系统之一，而核安全则是核电发展的生命线。从20世纪50年代起，人类就开始探索核能的和平利用。近年来，伴随着气候问题的日益突出、能源供应危机等，全球多国开启了能源转型思考，重新审视核能的作用，制定一系列核能发展战略，也开展了诸多行动，但核能安全问题始终是绕不开的议题。不久前，日本福岛核污水入海计划更是再次将“核废水”“核污水”两大概念重新引入公众视野，获得广泛关注。那么，水在核反应中到底扮演着怎样的角色？在同样澄澈清明的外观之下，它又是什么时候、通过什么方式被污染的？核污水与核废水的异同体现于何处？

能量的“魔法”

事实上，无论是核电还是火电，人类的能源发展历程就是在不断地、变着花样地“烧开水”的过程——尽管核电站按照不同技术原理分为压水堆、轻水堆、重水堆、熔盐堆、石墨堆等不同类型，各个反应堆的工作方式也各有不同，但它们都有着一个共同特性，就是蒸汽发电覆盖大部分能源领域。

不管是什么类型的发电机，发电的过程都是将其他形式的“能”转化为电能的过程，其中绝大部分是动能和电能之间的转换。动能很好理解，各类大型发电站都是利用不同动力源来产生机械能，再将机械能转化为电力。比如水电，就是利用水力推动机械轮机转动，将水的势能转变为机械能，水轮机接上发电机，就可以发出电来；再比如风电，就是利用风力推动叶片，将风的势能转变为机械能，风叶片接上发电机，也可以发出电来。所以说，能否发电很大程度上取决于有没有足够转化为机械能的动力。对于火电站等其他发电种类来说也是如此——蒸汽是它们的主要动力来源方式。火电厂是利用可燃物（例如煤）作为燃料生产电能的工厂，它的基本生产过程是让燃料在燃烧时加热水生成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，将热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，再将机械能转变成电能。

那么，核电呢？

核电站的工作原理既复杂也简单，复杂在工艺、原料，却简约在流程。以常见的压水堆式核电站为例，就是用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂变，进而释放出大量热能，再由高压下的循环冷却水把热能带出，在蒸汽发生器内生成蒸汽，推动汽轮机旋转，从而产生电能。

一般而言，压水堆核电站有3个回路。一回路是核电站最核心的地方。核裂变反应在这里发生以后，产生巨大热量，这些热量可将高压水加热到300℃以上。为了确保安全，核燃料外面都会包裹着特制的燃料包壳。不仅如此，整个一回路系统也通常会被安装在安全壳密闭的厂房中，最大限度地保证公众和环境不受到影响。二回路系统是汽轮发电机系统。由蒸汽系统、汽轮发电机组、凝汽器、蒸汽排放系统、给水加热系统和辅助给水系统等组成。二回路的水通过蒸汽发生器吸收了一回路蒸汽的热量，使自身变为饱和蒸汽，推动汽轮机发电，然后进入冷凝器，在冷凝器中冷却后，再通过给水泵进入蒸汽发生器。三回路叫作冷凝器，是一个冷却回路，利用冷却水源冷却二回路的水，将废水带走。压水堆核电站的3个回路彼此是独立运作，而二三回路的水对于生态环境基本不会造成影响。

冷却与中和

事实上，大部分核电站都选址在沿海地区，这也就侧面说明了水在整个核电流程中的重要地位、扮演的关键角色——核反应会产生大量热能，需要通过水来冷却。这种冷却作用可以防止核反应失控，从而确保发电过程的稳定性。而利用海水来降温几乎是一个最好的选择，既不需要建造冷却塔，海水在冷却时也不会与核反应堆接触（海水被抽上来的时候是冷的，它带走了热量的同时并没有带走反应堆当中的放射性物质，所以并不会污染海洋）。而且大海的水量更多，能在短时间之内进行多次循环降温，降温效果更好，能在一定程度上保护核电站的机械设备，有效防止核电站出现爆炸或者泄漏等重大事件。

核电站流程简要示意图

要知道，核电站是以核裂变为主要能量释放的，也就是说，裂变能量要经历一个先转化为热能、热能转化为机械能、机械能再转化为电能的过程。单从裂变反应来说，这个过程由反应堆来主导，也就是核能发电的核心部分，一般会利用中子轰击铀-235或钚-239，使之分裂为两个或更多个质量较小的原子核，同时释放多个中子。释放的中子还会继续轰击其他原子核，使反应过程持续下去，从而形成一个链式反应。为了使链式反应可控，在反应堆中有一些能够吸收部分中子的材料，一般称之为“控制棒”。在整个链式反应的过程中会释放大量能量，这部分能量可以使作为反应堆冷却剂的水变为高温高压状态的水，也就是被人们称为“烧开水”的部分。

高温高压的水通过U形的蒸汽发生器，将热量传递给U形器外的水，并使之变为饱和蒸汽状态。蒸汽推动汽轮机的转子旋转，将热能转化成机械能，而这一转子是直接与发电机的轴相连的。这样一来，汽轮机就可以直接带动发电机进行发电，最终把机械动能转化成电能，通过储存输送供人类日常生活使用。

明晰原理之后，水对核电站的重大意义显而易见，“核废水”与“核污水”的基本概念也浮出水面。它们从本质上来讲是完全不同的两个体系：前者指核电站在正常运行中产生的废水，不会直接接触核反应堆芯内的核燃料及核反应物，经处理后就可以通过管道安全排出；而后者则多指核反应堆中未被及时冷却或发生核事故后，直接接触反应堆中放射性物质的那一部分用水。它们会受到高度放射性物质的污染，含有钚、铯等数十种放射性物质，对人体和环境危害严重，会致癌、致畸、致突变。其中许多物质的半衰期漫长，如碘-129的半衰期为1570万年；难以从水中分离的碳-14，其半衰期为5730年。

因此，如何做好核用水的处理工作是时代发展为业界出具的一份考卷，有人选择坚定守护，有人选择激进探索，但无论如何，净化生态、保护深蓝，是我们每个人义不容辞的责任。海洋，这个占据了地球70%以上面积的组成部分，不仅为人类提供了丰富的生物资源和能源，还在调节气候、维持生态平衡等方面发挥着至关重要的作用。反之，高悬于头顶的达摩克利斯之剑，迟早会落下来。