世界首台“核电宝”将只有集装箱那么大

2016-11-09 10:26:39 来源：中国科普博览

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说起核能装置小型化，大家可能第一时间想到的就是电影《钢铁侠》中力大无穷的男主角。

钢铁侠之所以能够成为拥有超能力的漫威英雄之一，是因为其胸前装了一块拳头大小的“核能电池”，正是这块电池，为他提供了源源不断的能量。喜爱漫威英雄的你，是否也曾梦想过拥有一块和钢铁侠一样的“核能电池”呢?

然而，在目前的技术条件下，“核能电池”还只是漫画迷们心中一个美丽的梦想。

为什么现在科学家们还造不出“核能电池”?

这是因为现有的核电装置对核燃料的导热性能有很高的要求。如果没有安全高效的导热手段作为后盾和保障，只是为了拥有惊人能量就硬把“核能电池”穿在身上，估计钢铁侠一眨眼的功夫就会被核能发电时释放的大量热量“烤焦”了。

可喜的是，近日我国科学家在“铅基堆冷却剂技术”方面的研发工作取得了重大突破，新技术有效解决了核电装置高效导热的问题，而且大幅度提高了安全性。

基于这项技术，未来我国有望率先推出集装箱大小的世界首台迷你核电站——“核电宝”。

尽管集装箱大小的“核电宝”和钢铁侠的“核能电池”比起来，还是大了不少，但在我们的现实生活中，核电站要是能够缩小成集装箱那么大，那用途可就大多了：

未来如果集装箱“核电宝”能够研发和推出，将凭借其体型小、安全性高等诸多优点，被广泛应用在南海岛屿发电，远离大陆的海洋平台开发，以及核潜艇的升级等方方面面。

既然这项技术这么了不起，那么问题来了，这个铅基堆冷却剂到底是什么神奇的物质?为什么它的出现能让庞大的核电站有望变成集装箱那么大呢?它的出现又为什么能让核电装置更安全更高效呢?

要回答这些问题，我们首先得了解下核能发电的原理是什么。

核能发电的原理

简单来说，核能发电就是高级版烧锅炉，与用煤“烧锅炉”发电的过程类似，是把热能变成电能的过程：“燃烧”核燃料，释放出大量热量，随后循环水流经核燃料，水受热升温成为热水，进而成为水蒸气，水蒸气通过汽轮机转化为机械能，再经过发电机最终将机械能转化为电能。就这样，水作为“中间人”把核燃料产生的热量带走并用于发电。

原理看上去是不是很简单，不过要提一下的是，由于是“燃烧”核能，技术要求上可比烧锅炉复杂多了。

冷却剂就是用来带走核燃料产生热量的物质。如果选择用水带走热量，就是使用了水冷却剂。水冷却剂虽然成本低，但安全加热的上限温度只能到三四百度，对于后继发电部分来说，这样的温度还比较低，会降低发电效率。所以，近几十年间，人们又相继发明了钠冷却剂、氦气冷却剂等。

可以看出，以往的冷却剂都是可以流动的液体、气体或液体金属，而铅是一种固体金属，缺少流动性，不能像液体或气体一样流动带走热量。

科学家们怎么会选择铅作为冷却剂呢?

原来，铅虽然是一种固体金属，但它的熔点比较低，只有327℃。如果把铅与其它金属做成合金(铅基材料)，例如铅铋合金或铅锂合金，则熔点更低，仅有一二百摄氏度。

当铅或铅合金熔化变成液态后，粘度很低，具有非常好的流动性。如果大家想象不出高温时铅流动的情景，不妨看一下水银流动的样子。

当铅基冷却剂吸收了核反应释放出的热量后，固体的铅基金属变成液体，然后不断循环流动把热量带走发电。整个过程就像是用核燃料，持续不断地烧一壶“铅基液体”。

铅及其合金在高温下是一种温和的液态金属。与传统的水冷却剂相比，铅基冷却剂的沸点高达两千多度。因此，不用担心高温时反应堆变成一口潜在危险的“高压锅”。铅基冷却剂的热导率也更大，约为水的三十倍，也就是说铅基液体可以带走比水更多的热量，因此发电效率也更高。

冷却介质是决定核反应堆大小的重要因素之一，正是由于铅基冷却剂出色的发电效率，使得核能装置小型化变得更有可能!

如此优异的导热性和热稳定性，使核反应堆可以在常压下运行，降低了不可控化学反应发生的可能性，安全系数也大大提高。

同时，铅基材料化学性质不活泼，几乎不与水和空气发生化学反应。

所以，大家不用担心“核电宝”会像日本福岛核电站那样发生氢气爆炸的恶性事故。