氢弹从良不易，核聚变应用遥遥无期，原子弹却早早找好了工作，生了一堆娃娃。大伙肯定被新闻里那一堆名字困扰过，什么快中子堆、热中子堆、轻水堆、重水堆……今天挨个给大家报仇！
开篇先扒衣服。“核动力”外表光鲜亮丽，扒了衣服，基本原理和瓦特蒸汽机一模一样。你还别惊讶，“核”仅仅只是个热源，暖宝宝而已，除了发热什么都不干，把这个热量导出来“烧开水”，形成蒸汽后推动转轮，再带动发电机，就是所谓“核动力”。
大跌眼镜的同学先扶一下眼镜，我们把“核动力”分两部分：暖宝宝部分和烧开水部分。后面的“烧开水”技术比较成熟，暂不细说；重点说一说与“核”有关的暖宝宝部分。
今天的故事，就围绕“暖宝宝发热”展开。
铀浓缩
铀核分裂释放能量，自然界但凡涉及能量变化，大多以“热量”和“辐射”的形式释放。这就是“发热”的来源。不过，光“发热”是不够的，要随心所欲的发热才行。原理也简单：控制铀浓度和分裂速度，就可以控制发热的速度。
第一个概念出来了：铀浓缩。
利用化学手段把铀提纯，化学反应电子说了算，中子是不屑管的，所以化学提纯的铀是由99.3%的铀238和0.7%的铀235组成。因为两者的化学性质一模一样，想要再分开，就只能靠两者重量的微小差异了，最成熟的办法就是离心机。
先把铀弄成六氟化铀气体，然后放到圆筒里旋转。不同重量的气体分子就会出现分层，重的往边上挤，轻的留中间，再用导管分别抽走，放到下一个筒继续转，这样多折腾几次，浓度就慢慢提高了。那得折腾多少次？自个儿到网上数数伊朗的铀浓缩设备吧，还遭过黑客攻击呢！这离心机可是大流氓严格控制的设备。
用于发电的235U丰度为3%~5%左右，舰船动力10%~20%，武器级90%以上，而天然铀仅0.7%。认为击中反应堆就会引起核爆炸的，罚抄原子弹原理一百遍！非武器级铀，为了更好的控制发热和后期废料的处理，会添加其他物质，比如咱们的“铀钼合金”就很不错，含铀10%。
能自主造原子弹的国家，浓缩铀技术肯定不在话下。
控制棒
高浓度的铀235有了，下面是第二个概念：分裂速度。
原子核分裂是原子的头等大事，质子和中子得商量着来，电子靠边站。235U有143个中子，238U有146个中子，于是他们商量出了不同的结果：235U分裂快能量多，放出的中子也快；238U分裂慢能量少，放出的中子也慢。掰原子核首选235U，就这么愉快地决定了！
世人皆知，235U会自发分裂，用中子轰击分裂的更快，中子哪里来？掰开一个原子核就会产生2~3个中子，子子孙孙无穷尽也！简直完美！
问个题外话：原子核为什么会自发分裂？这得问狗日的量子力学了，改日再叙。
有几个因素会影响掰原子核：235U的浓度、中子的速度、中子的数量。
235U分裂跑出来的中子速度很快，经常撞不到其他原子核就跑到外面去了。为了增加撞击概率，要么增加235U浓度（那就变成原子弹了，不能这么玩），要么就把中子速度降下来。
中子对水很是一往情深，所以就用水做慢化剂，降低中子的速度。这样就能让铀慢慢分裂、慢慢发热，但是这样还不能随心所欲调节速度。别急，还有招。
如图所示，左右两端蓝色的铀燃料棒，浸泡在水里。中间红色的控制棒，是可以吸收中子的材料，诸如硼、碳化硼、镉等。平时，两个燃料棒互扔中子对飙，控制棒在中间劝架，通过控制棒的升降就可以控制飞到对面的中子的数量，从而调节掰原子核的速度，即反应堆发热速度。
这些控制棒就跟铡刀似的，悬在反应堆上方，一有风吹草动，控制棒立马一插到底，阻止两边的中子对抽，燃料棒只能靠自己产生的中子自虐，发热功率降至最低，即所谓的“停堆”（停堆不是完全不发热）。
那能不能彻底不让235U分裂呢？量子力学说，不行！别说技术了，连理论都还找不到！若没有中子轰击，这些原子核就按自己的节奏，一个一个分裂释放能量
这就是半衰期。
这下麻烦来了，因为这家伙365天24小时每一秒都不停发热，一旦热量不导出，温度就急剧上升，这能有多烫？美帝三里岛核事故，从冷却系统故障到反应堆彻底毁坏，只用了120秒，再然后，索性把堆芯熔化了，导致放射性物质外泄。
核反应堆最危险的就是冷却系统故障，这是核心的核心！
人类之所以愿意火中取栗，是因为掰原子核收益不菲。一次加料，暖宝宝可以持续发热几个月到几十年不等（航母通常是几十年）。领导都天天加班了，你员工好意思不加班吗？就因为“加班”问题，暖宝宝分成了好几种。
同学们注意，下面开始报仇啦！
反应堆
沸水堆：
水既是慢化剂，也是导热剂，铀棒泡在水里发热，直接把水加热沸腾，气化后推动汽轮发电。看这原理就有点慌，这个水带着放射性，还跑去推动汽轮，转轴的地方总归还是有缝隙的吧，出点故障就容易泄漏，所以大家玩的就少。
但因为沸水堆结构简单、成本低，不乏艺高人胆大之辈，大名鼎鼎的福岛核电站和切尔诺贝利核电站就是沸水堆。我兔胆小，从来不玩沸水堆。
压水堆：
顾名思义，把水压着不让沸腾，加压到150个大气压以上，水的沸点超过300度，这个热水通过循环管道加热外面的水，让外面的水沸腾气化，推动汽轮。这样和铀棒接触的水就完全与外界隔绝了，不容易泄漏，安全性高，压水是比较主流的玩法。
我兔玩核电一直很保守，在与美苏飙原子弹时判若两人，中学课本上一度只有秦山和大亚湾两座核电站。最近几年估计是长进了，在建的有十几座压水堆。
能看出上下两图的本质区别吧？
轻水堆：
沸水堆和压水堆用的慢化水，若用最普通的水（俗称轻水），就叫轻水堆。这是最常见的堆型，水多便宜啊！
重水堆：
慢化水若用氘化水（俗称重水），就叫重水堆。这厮可了不得！氘核比氢核重，所以中子减速效果更好，中子吸收也更少，对铀浓度的要求就低，甚至用天然铀就可以做燃料。而轻水堆只能靠提高铀浓度来弥补中子的损失，通常铀浓度在3%-5%。
秦山三期核电站就是重水堆，加拿大的技术，据说这手艺加拿大最牛，这貌似是两国合作过最大的项目了，当然引渡贪官除外。
热堆：
这名字不太好理解，砖家们把变慢的中子就叫热中子，而不是慢中子，上述这些把中子变慢的暖宝宝，统称“热中子反应堆”，简称：热堆。
石墨气冷堆：
又叫“高温气冷堆”，这个得好好说道说道。我兔算上在建的有十几座压水堆，说实话，压水堆技术不算出众，但凭借石墨气冷堆一举实现弯道超车，已经玩到了所谓的核电第四代！这里的区别可大了，大家瞪大眼睛。
核反应堆之所以麻烦，是因为暖宝宝不停发热，万一冷却系统故障就game over！石墨气冷堆采用了非常巧妙的办法，把核燃料塞到一个石墨球里，利用石墨做慢化剂（话说，看到现在，还记得慢化剂的作用吧），然后用非常惰性的氦气做冷却剂（或叫导热剂）。这结构妙在哪里呢？我来描述一下工作过程：
中间那个小煤球就是铀燃料，60mm的煤球，中间大约只有0.2mm的铀燃料；正常工作时，就是对着一堆煤球吹氦气，让滚烫的氦气去烧开水发电；等煤球不烫了，就从下面放走，再从上面放进新的煤球，继续吹气；万一吹气系统失灵了，温度超过正常值，系统就停止扔新煤球；让石墨和氦气硬抗里面的热量，这俩哥们不怕烫，氦气轻松900度，石墨1600度小意思！然后等煤球自己冷却便可。
厉害了，我的石墨球！
这个结构非常安全，清华大学做过多次表演，直接关闭冷却系统，在没有任何外界干预的情况下，石墨气冷堆自动实现了停机，妥妥的。这个结构也非常简单，越简单的东西越稳定，而且符合我兔的风格：便宜！
再有一点，压水堆更换燃料棒非常繁琐，所以一次加料比较多，变相增加了危险系数。高温气冷堆就很方便，堆芯存了几万颗煤球，每次自动扔一点到中间，不需要太多也不需要停堆，显然更安全，热效率也远高于压水堆。
既然石墨气冷堆这么牛逼，你咋不早点上天呢？答：一则高温高压氦气回路加工要求特高；二则煤球也不是谁都能做的；三则气冷功率不如水冷，功率密度小于压水堆（同样体积的反应堆，功率偏低）。
其实大英帝国50年前第一个玩高温气冷堆，可惜后来荒废了。现在美帝、毛子、脚盆做的都不错，高温气冷和压水堆的技术衔接性不多，大家都是白手起家，所以我兔很窃喜。据说现在可能跑到前面去了，这不，居然跑到大英帝国去嘚瑟了，号称要给洋人修核电站。
说了一堆的“堆”，过瘾了没？别急，还有一“堆”呢！
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