更加安全而简易的原子核反应堆设计，也许给令人不安的核动力工业注入了新的活力。

1986年，原苏联切尔诺贝利核反应堆爆炸事件，似乎为已经令人不安的核动力工业敲响了丧钟，然而，此后的形势，很可能给核能源带来新的活力。

1990年8月，伊拉克入侵科威特。接踵而来的冲突，把公众注意力吸引到依赖于进口能源的危险上来，波斯湾这场战争并没有导致许多美国人所担心的能源危机——美国目前几乎进口这个地区一半的石油。但是大多数专家预言，世界能源需求和供给之间的缺口将越来越大，地球所蕴藏的有限的矿物燃料——煤炭、石油和天然气——正在迅速耗尽。

再说，即使有足够的矿物燃料，来满足我们这个亟望能源的世界，消耗这些燃料也会带来环境灾难，即全球变暖。矿物燃料燃烧时，释放二氧化碳和其他所谓温室气体，阻挡热穿过地球大气层散失。煤比任何其他矿物燃料释放更多的二氧化碳。许多科学家担心，如果煤炭和石油消耗量不显著下降，二氧化碳含量的上升，就会破坏地球环境。越来越高的二氧化碳含量 · 可能导致干旱毁灭庄稼 · 使海平面上升淹没沿海地区。

用什么来代替矿物燃料能源呢？节约可能有一定帮助，就像一贯所做的那样。再生性能源技术——包括太阳、风和地热能（这些自然能源不会把隔热的气体喷入空中）的利用一也可当此重任。然而，这些能源中，没有一种能够满足美国和其他工业国目前的能源需求，

提倡核能源的人说，摆脱这种困境的途径是核反应堆中有控制的原子能。虽然核能源不能代替汽车使用的汽油，但却可能代替美国矿物燃料所生产的2/3的电力。

但是，核能源已经有其令人生畏的历史。20世纪50年代采用核能源时，它就曾被吹嘘成一种既经济又无污染，且几乎取之不尽的能源。但是，核电站很快就开始受到许多责难，包括安全问题和建设运行费用上升等等。

20世纪80年代末90年代初，对全球变暖的担忧再次燃起人们对核反应堆的兴趣。核能源支持者们指出，—切能源都有风险。现在他们相信，核反应堆的新设计，有助于解决能源危机，同时又可避免过去一直困扰着核动力工业的费用问题和安全问题。先进的核反应堆会有怎样的不同，它们又将提供什么便利呢？要回答这个问题，必须首先讨论一下现有核反应堆是怎样生产能源的？

裂变反应

无论新旧核反应堆，都以同样的过程生产能源，这就是 :核裂变——使原子的核分裂。裂变的原子是某些很重且极不稳定的元素的原子。

核裂变有一种非常特别的性能，原子核裂变后留下的碎片，质量比原先要小得多。质量是怎样失去的呢？它转换成了能量。科学家们用物理学家爱因斯坦的著名方程式E=mc²——通过代表光速平方的一个常数（c²），把质量（m）与能量（E）联系起来——从而计算裂变所释放的巨大能量。

1938年，两名德国化学家首次用中子轰击铀原子，使之产生核裂变。中子是构成原子核的两种粒子中的一种（另一种是质子）。此后不久，物理学家西拉特计算出，裂变的原子会释放大约2~3个中子。当这些中子反过来轰击并使更多的铀原子产生核裂变时，就会引起所谓链式反应。

1942年，由物理学家费米领导的科学家小组，在建于芝加哥大学运动场看台下的一个简易核反应堆运行过程中，首次证明了原子核链式反应。核裂变的首次应用则是原子弹，但即使在那时，研究者们就已意识到，还可利用核能来发电。1956年，世界上第一座大型核电站，开始在英格兰发电。

在核电站内部

从裂变释放能量到电力供应，并不神秘。一个典型的核反应堆发电，与工厂烧矿物燃料差不多完全一样，两者都是利用热把水煮沸，产生蒸汽并驱动涡轮机。但是，核反应堆的热不是来自煤或油的燃烧，而是来自核裂变的巨大能量。

若一个原子核产生裂变，它的碎片——所谓裂块——就以极高的速度分离。当它们撞击其他物质的一些分子时，其能量就转换成热。在大多数核反应堆里，这种物质就是水。加热的水被用来产生蒸汽，蒸汽流入涡轮机使之旋转。涡轮机带动发电机转动使之发电。许多动力厂把涡轮机和发电机组合成一个叫做涡轮发电机的装置。

核电站中的反应堆有4个共同的要素。每个反应堆都包括核燃料、控制棒、冷却剂和减速剂。

在美国，几乎所有反应堆的燃料都是一种叫做氧化铀的铀化合物。它形成顶针大的颗粒包藏在燃料棒里。燃料棒是一些金属合金制造的长管子，这种合金耐高温，抗腐蚀，防辐射。一个大型反应堆的燃料棒可以多达46000根，一直集结到732束。这些燃料棒组合体构成反应堆的活性区。

控制棒控制活性区内部原子核链式反应的速度。控制棒含有如像镉或硼这样吸收中子的物质。当控制棒下降进入活性区时，它们就吸收足够的中子，使核反应慢下来，或甚至使它停下来。当控制棒上升并与活性区逐渐脱离时，核反应就加速。

冷却剂带走裂变产生的高热。在美国，几乎所有反应堆都用普通水作冷却剂。一个大型反应堆，每分钟可有110多万升水涌过活性区管道。冷却剂既可防止活性区熔化，又可去除电流最后产生的热能。

减速剂是一种可减缓裂变中发射的中子速度的物质。一个慢速运动的中子更有机会使另一个铀核裂变，并使裂变过程持续下去。在大多数反应堆中，水既用作减速剂又用作冷却剂。

反应堆通常依其所用冷却剂和减速剂类型来分类。最普通的反应堆叫做轻水反应堆，用普通水作冷却剂和减速剂。这些反应堆中的水保持在高压下，以防尚未达到足以使涡轮发电机运转的热度时，就沸腾变成蒸汽。在标准气压下，水在摄氏100度沸腾变成蒸汽。但这个温度太低，蒸汽得不到足够的能量使得涡轮机有效地转动。

加拿大开发的一种反应堆用“重”水，而不是用普通水或“轻”水作冷却剂和减速剂。重水含有一种叫做氘（dao，也叫重氢）的氢。普通氢的核只有一个质子，而一个氘核含有一个质子和一个中子。氘可以比轻水中的氢更有效地使中子慢下来。

危害物和安全系统

核反应堆有潜在的危险，因为它们的燃料是放射性的 :这种燃料发散可能损害活细胞的辐射。大剂量的辐射会引起辐射病、癌症、先天缺损和死亡。因为，已用过的燃料棒，其放射性会留存数千年。它们的处理就成了一个主要问题，工程师们还不得不寻找一种处理这种放射性废料的长久之计。

为了防止放射物进入大气层，大多数反应堆的活性区，都包裹在一种壁厚至少15厘米的钢制密闭容器中。大多数反应堆都用一个半球形控制大楼包住整个装置。这种控制大楼的墙为钢筋混凝土，至少90厘米厚，内衬钢板，工程师们设计的控制大楼非常坚固，能经受住一架巨型喷气式飞机的直接撞击，或每小时480公里龙卷风的直接袭击。美国的控制大楼还没有破裂过。

反应堆在运行中的主要危险是冷却系统故障，比如泄漏或抽吸失灵等等。如果没有充足的冷却剂，活性区的高热就可能损坏甚至熔化燃料棒。在一次所谓熔毁中，被熔化的活性区可能烧穿控制大搂的地板进入地下。如果活性区侵袭了地下水，就会引起蒸汽爆炸，其后果是可能会炸掉控制大楼的顶部，把放射性气体和碎片喷入大气。放射性物质也会污染地下水和土壤，

工程师们已设计出多路系统来防止活性区过热。如果活性区温度上升太高，控制棒就会猛撞下来，关闭链式反应。如果冷却剂液面危险地下降，应急冷却系统就会用水灌满活性区。如果应急系统失灵或显示不能胜任，备用冷却系统就会立即启动。

不幸的是，在当今的反应堆中，这些系统非常复杂。它们依赖一大堆复杂的管道、水泵、数千个阀和精致的机械装置。如果自动应急冷却系统和控制棒系统都失灵，技术人员就必须干预。在巨大压力下工作的同时，技术人员只有大约20分钟时间做出准确反应，并抢先阻止灾祸。

切尔诺贝利灾难

1986年，原苏联基辅（现乌克兰首都）附近切尔诺贝利核电站的一场爆炸和大火，把包括高放射性核燃料在内的放射性残骸抛入大气层。切尔诺贝利的放射性尘埃倾泻到整个欧洲。接触到切尔诺贝利高浓度辐射的人，其后果许多年都将不为人知。

这场灾难是在对该反应堆的电力输出所做的一次不恰当的试验时发生的。当核电站操作员试图关闭反应堆时 · 违反了许多安全规则，使得自动安全系统失灵，并拔出远远多于允许范围的控制棒。

美国的反应堆，一旦水冷却剂停止流动，核裂变就会停止，因为不再有水作为减速剂起作用，使中子慢下来。但是，切尔诺贝利反应堆用一种易燃的碳——石墨作减速剂。当冷却度下降时，这种石墨实际上可使链式反应加速，最后导致蒸汽爆炸，引燃石墨。同美国的反应堆不同，切尔诺贝利反应堆没有控制大楼来阻止放射性物质泄漏，除了在原苏联外，很少使用切尔诺贝利式的反应堆，而且即使在苏联，这种反应堆也正在逐渐关闭。

不过，美国也可能发生事故，就像1979年宾夕法尼亚州哈里斯堡附近三里岛核电站所显示的情形那样，在当时，一连串操作失误加重了机械故障，造成局部熔毁。虽然有少量放射性气体从这个核电站泄漏，但尚无人员受伤，也没有重大环境污染。

更简单、更安全的设计

现在，美国能源部（DOE）正在审议的新设计，将使反应堆系统简化，并减轻人工操作的负担。这些新设计包含了巧妙的工程学附加装置，旨在把像三里岛那样的事故风险（即冷却剂损失）减少到最低限度。一种先进的叫做“被动式安全”的反应堆，依靠如像重力循环和蒸发冷却这样的自然力，来抵消冷却剂损失的作用。有了这样的被动安全性能，反应堆就会给核电站操作员多达72小时，而不是20分钟的时间来应付紧急事件。

这样的被动安全系统，部分起源于20世纪70年代瑞典设计的固定程序极限安全（PIUS）反应堆。在PIUS设计中，活性区浸在一罐含硼的水中。正常情况下，普通水冷却剂的压力，使这种含硼的水保持在活性区外面。但是，只要冷却剂的循环一中断，就会打破气压平衡，使含硼的水涌入活性区。由于硼原子迅速吸收没有发生核裂变的中子，它们会在活性区有可能过热以前就中止链式反应。

宾夕法尼亚州匹兹堡西屋电气公司目前正在构思一种被动式安全设计。这种先进的轻水反应堆依靠重力使应急冷却水循环。气流和蒸发也有助于冷却活性区。在冷却剂损失事件中，这些被动安全性能会充分去热，使人不必在72小时以内干预，在这种时候，操作员只需给系统加水就行了。被动式安全反应堆可能准备在2000年投入运行。

与此同时，轻水反应堆的改造也将减少事故发生的几率，并给操作员以更多的时间对紧急情况作出反应。经改造的反应堆与现有轻水反应堆会以同样的方式运行。通用电气公司圣何塞分公司曾设计过这样一个简化的轻水反应堆。这项设计大大减少了泵、阀、管道和焊接件——冷却系统中的易损件。大型输水管可从活性区上方把水注入，即使冷却剂抽吸失灵，也会使活性区浸在水中。

离场式安全反应堆

另一些被称为离场式安全的先进设计，具有无需人进行任何干预的安全性能。即使所有反应堆系统都失灵，工作人员也可以走开，并且无论离开多久，也没有灾难的风险。美国能源部正在考虑两种有潜力的离场式安全反应堆设计，虽然要进入下个世纪后，这两种反应堆才可能建造和试验。同被动式安全设计不同，这些设计不用水作冷却剂，其中一种用氦气冷却，另一种则用液态钠。

用氦冷却的反应堆正由圣地亚哥一家通用原子公司和一个公用事业集团开发。氦冷却剂的优点是，它可以在比水冷却剂温度高得多的情况下安全使用，而且能更有效地把热转换为电力。

用氦做冷却剂的反应堆其主要安全性能在于它的微小燃料颗粒。这些颗粒是由一种铀化合物构成的，这种化合物密封在像洋葱头那样层层包裹的耐热硅酸盐材料中。每个颗粒仅1毫米大。据这种反应堆的设计者说，这种小尺寸可防止核裂变燃料产生过高的热，即使这个反应堆失去全部冷却剂，这些颗粒也不会破裂或熔化。

另一种离场式安全反应堆设计，是由在芝加哥附近的通用电气公司和阿根尼（法国东部林区，位于比利时边境附近——译者注。）国家实验室开发的一种液态金属反应堆。这种反应堆利用液态钠的吸热性能运作。反应堆安放在一个液态钠池中，液态钠经活性区循环，用作冷却剂。设计者们说，即使冷却剂水泵停止运转，钠也会通过对流不断冷却活性区。

液态金属反应堆还有一个独特的性能。它属于一种实验用反应堆，由于它们增殖新燃料，通常叫做增殖堆。在一个增殖堆里，快速运动的中子不断轰击活性区内部的铀238。中子把一些不可裂变的铀转换成可裂变的一种反应堆燃料钚239。从理论上说，一个增殖堆从铀获得的能量可比现有反应堆多60倍以上。原苏联和法国目前都运行液态金属增殖反应堆。

阿贡国家实验室正在开发的增殖堆还有一个优点，即它可以重新利用燃料。工程师们可以提炼并重新处理聚积在反应堆燃料中大部分具有放射性的危险核废料，这样，就有助于解决核废料的销毁问题。

核聚变方法

安全问题的最终解决也许来自另一种核能源：核聚变。核聚变使两个轻型原子核合并，形成一个较重元素的原子核。核聚变发生后，只有较少物质保留下来，而在核聚变过程中，失去的物质则转化成能量。

在地球上的氢弹爆炸中，核聚变反应得到了最为引人注目的证明，太阳和其他恒星的动力也是核聚变提供的，它以热和阳光的形式释放能量，在一次普通的聚变反应中，氘和氚（氢的两种同位素）的核聚合，形成気。这个过程释放能量，并释放一个中子。自20世纪50年代，研究者们就试图在有控制的聚变反应中利用恒星的巨大能量。这一成就将保证有取之不尽用之不竭的能源。这是因为氘，这种可为聚变反应提供燃料的氢，在海水中含量非常丰富。

作为一种能源，核聚变有几个优于核裂变的特点。核聚变用的氢燃料比核裂变用的铀燃料丰富、便宜。此外，核聚变本身比较安全，因为聚变反应很难持续下去。在反应堆故障事件中，聚变会立即停止，所以不可能引起熔毁。聚变反应堆所产生的放射性废料也远比裂变反应堆少，但是，由于设计一个有实用价值的反应堆非常困难，成功还远远躲着聚变研究者们。

主要问题是如何实现氢核完全紧密地聚合并使之维持长久，每个氘核和氚核都携带一个正电荷，所以这些核是相斥的。大多数聚变研究者都曾尝试通过把氢加热到极高的温度，来克服这种斥力。

加热氢适于先拆开原子中的电子，产生一个等离子体——一种由3个电子和3个核构成的气体。等离子体中的氢核以巨大能量相互碰撞，使之紧密聚合。在太阳的内核里，巨大的重力把那些核挤到一起，温度达大约摄氏1000万度时就会发生氢聚变。在地球上，没有这样大的力，需要比太阳内部高10倍的温度才能发生聚变。因为这样的高温会熔化箍缩等离子体的任何容器的壁，所以，聚变研究者们开发了替代箍缩法。

一种叫做磁箍缩的方法利用强磁场；另一种主要方法，称为惯性箍缩，则利用叫做激光器的光增强装置。到目前为止，两种方法都未能产生足够的能量，可在氢的加热过程中加以充分利用。

磁箍缩在一个很大的叫做托卡马克的环状“磁瓶”，中进行。瓶壁由磁铁包裹，产生强电磁场。磁场和电场都会加速等离子体的运动——从而使它加热一并将等离子体推离瓶壁。一聚变研究者把用这种方法箍缩等离子体比作用橡皮筋捆扎果子冻。

在惯性箍缩中，激光器的强光束轰击含有氘和氚（chuan）混合物的微小燃料颗粒，这些光束的强大能量以巨大的压力瞬间挤压这些颗粒，这个时间刚够这种燃料变热且密度高到足以聚合。由于聚变来得如此迅速，使这种物质来不及飞走。

除了使氢核变得紧密足以聚合外，聚变研究者还面临着另一个问题。任何箍缩装置都必须使原子核在整个聚变反应的很长的时期内，从头至尾保持紧密聚集，使核聚变成为自持的——即没有额外的热也能持续进行。目前还没有实验性箍缩装置做到这一点。

在不远的将来，核聚变会产生可用的能源吗？悲观主义者开玩笑说，一个成功的聚变反应堆今后只需25年——而过去已花了40年。要实现聚变持续，尚需协调一致的科学尝试、

专家们相信，在不久的将来，反应堆技术的进步很可能来自改进的裂变反应堆——被动式安全设计和离场式安全设计装置，这些专家还认为，聚变将最终满足我们长久的能源需求。不过，这只有在克服了巨大的工程学难题之后，才有可能实现。

［Science Year，1996年］