作者：瀚海狼山人类在上世纪四十年代研发出了第一代核武器——原子弹，当时的纳粹德国进度最快，而美国人在爱因斯坦等科学家的敦促和支持下进度后来居上。纳粹德国最终被游击队炸毁了挪威的重水工厂而功亏一篑，而美国人却最终研发成功，先喂给小日本吃了两颗。其实，我们应该首先知道，人类最早制造出核反应堆，就是为了提炼生产原子弹的原料——钚元素而研发的，至于用核反应堆产生蒸汽和发电，最早只是为了附带的冷却效应。到上世纪五十年代以后，才大规模用于民用供热和发电——换句话说，最早的反应堆，都是军用的！现代比例最多的轻水民用反应堆，其实是非核武国家——加拿大人的专利设计。最早的原子弹的核装药有两种，一种是采用铀，一种采用钚。这两种核装药，都需要高达93.5%的浓度，而且需要高能炸药提前爆炸压缩这两种核装药超过临界体积，才能引发链式反应，引发核爆炸！而铀和钚作为核装药，引爆的难度是不同的，钚元素的引爆难度比铀要低。现代核大国，制造一枚2万吨当量的原子弹，只需要8公斤的钚！或者十几公斤的铀。由于铀和钚都是和黄金比重接近的重金属，因此8公斤钚的体积还不如一个红富士苹果大！钚的临界压缩体积也比铀大，对引爆炸药的布置精度的要求更低，这对想初次迈过核门槛的国家来说，都是明显的优点。早年钱三强、邓稼先、于敏等前辈科学家造出中国最早的原子弹和氢弹，他们往往把当时国内产量稀少的高浓度钚，称为“好料”，加入少量的“好料”，就可以大大提高增强原子弹和氢弹的威力。这说明钚既有优良的核爆性能，又比较珍贵。前文已经讲过，铀在地球天然铀矿中的含量只有0.%，剩下的99%以上都是不能裂变利用的铀。要制造原子弹，必须加工出纯铀的含量高达93.5%！这个难度不是一般的高！作为同位素，铀的化学性质，和铀是一模一样的，用任何化学手段，都不可能把两者区分开来，只能利用两者的比重有轻微的差别，采用离心法，分离提炼出来。要提炼1公斤的纯铀，至少需要吨高品质的天然铀矿石，还需要几万台离心机昼夜不停的旋转，消耗大量的电力和财力。由于高浓缩铀的辐射已经很强，因此离心机一旦开机，就不能维修，中途坏了，里面的原料也就废了。用离心法提炼武器级浓缩铀有多苦逼？看看伊朗就知道。伊朗用二十多年的时间，开动十几万台离心机，到去年和美国达成和解协议前，只生产出了浓度为20%的铀不到10公斤！可以说是费力不讨好！离制造一枚原子弹的标准还差的很远很远！伊朗之所以同意和美国人达成和解协议，也是核项目筋疲力尽的表现，为了追求一枚核弹，而让国家常年受国际制裁，上亿人民生活困苦，属于国家安全上的得不偿失。用铀造原子弹过程如此苦，而用钚造原子弹的门槛却低的多。钚在自然界几乎不存在，因为它的半衰期只有几千年，在天然放射性矿物中几乎检测不到。要取得钚，只有通过在核反应堆中，用快中子轰击贫铀——铀得到。由于钚和铀是完全不同的两种元素，用简单的化学方法，就可以从反应堆乏燃料中提炼并提纯钚！要得到钚，只有建造核反应堆，来人工制造。这又引出了反应堆的不同类型。从用途上讲，核反应堆可以分为试验研究堆、生产堆和能源发电堆。从技术类型上，可以分为石墨堆、轻水堆、重水堆，以及当代更加先进的增殖堆、气冷堆等等。在此只简单介绍几种常见的类型。最早的反应堆，都是军用试验——生产堆，就是以提炼钚为主要目的，甚至都没有考虑发电的用途。核反应堆，就是持续稳定进行核裂变链式反应的装置。现在所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块——用以控制反应速度；和金属铀块——反应燃料，一层一层交替地“堆”起来而构成的。后来，其他不用石墨的核反应装置，仍沿用这种叫法。链式反应的原理，是一个中子打到一个铀的原子核上，引起这个铀原子核的裂变，分裂为两个更小的原子核，然后再释放中子；这些释放出的中子，再去轰击其他铀原子核，引起连锁反应。若这个反应过程引发一团超过临界质量的纯铀或者钚的完全或者部分瞬间完全裂变反应，这就是原子弹爆炸。若这个反应速度相对缓慢可控，就是反应堆中的链式反应。原子弹只所以猛烈爆炸，在于核装药的浓度极高，而且被高能炸药迅速压缩到一个很小的体积，这会造成钚或铀的原子密度很高，相互靠的很近，游离中子轰击到原子核的概率极高，瞬间反应完毕。而核反应堆的体积不能任意压缩，而且铀燃料的含量也很低，中子轰击到其他原子核的概率就变的很低，很难达到核爆炸的临界状态，但是少量的链式反应还是存在的，属于缓慢“燃烧”的状态。反应堆只所有能发出高温，在于游离态的高能中子，轰击到其他物质的原子核，引起堆芯物质的强布朗运动，外在表现就是发热，需要循环冷却来降温，否则反应堆就烧毁融化了。想要控制反应堆内反应的速度和强度，其实是控制燃料棒中的铀释放出来的中子的速度。中子速度太高不行，轰击不到其他原子核就瞬间跑光了；速度太慢也不行，速度太慢的中子就打不碎其他原子核，链式反应就会停止。因此所有的反应堆，都需要减速剂和冷却剂。最早的反应堆减速剂，就是固体石墨和重水，后来才利用轻水，发明了更安全可靠的轻水反应堆。石墨属于固体减速物质，这种堆比较简单原始，但是石墨只能减速中子而不能为整个反应堆降温冷却，属于早期比较危险的反应堆类型，大部分在当代已经被淘汰。切尔诺贝利爆炸的机组，就是石墨堆。现在最常见的，是轻水堆和重水堆。所谓的轻水和重水，都可以看做常见水的组成部分。轻水，可以看做普通水的主要成份，只是核反应堆中的轻水，因为加入了硼，而显得特别蓝。我们日常饮用和洗涤的水，化学成分是一氧化二氢。轻水和重水的区别，就在于这其中的氢的同位素不同。大多数水中的氢，是氢原子的单质子同位素——氕（念撇），而重水的氢，是氢的带中子的同位素——氘（念刀）。这造成重水的分子质量，比普通水高出11%，所以叫重水。重水并不神秘，江河湖海中的水，甚至我们日常饮用的水，都是由轻水和重水混合组成，但重水只占其中比例的万分之二，影响可以忽略不计。普通水的组成中，重水含量越低，轻水含量比例越高的水，越对人体和生物有利，而重水对生物是有毒的。中国古人虽然没有核知识，但似乎很早就知道“水质越轻”的水，对人的健康越有利，古人很早就发现，雪水融化后对植物的生长特别有利，现代科学证明，雪水融水是含重水比例最低的轻水之一！唐代陆羽写《茶经》，就专门论证泡茶水质的重要性，并对天下泉水做了点评和排名。明清两代皇帝都饮用北京玉泉山的泉水，乾隆皇帝下江南，仍千里迢迢携带玉泉山的水作为皇帝旅途中的专用饮水。但当乾隆皇帝品鉴了济南趵突泉的水后，觉得水质更好，于是下令此后沿途改饮趵突泉泉水。乾隆皇帝还曾经专门派人用银斗测量全国各地的水质，发现同样体积下，趵突泉水最轻，杭州虎跑泉其次，因此趵突泉被乾隆题为“天下第一泉”，虎跑泉其次。重水外观上和普通水相似，是无色、无嗅无味的液体．密度比普通水大，熔点、沸点比普通水略高。由于重水分子量大，运动速度慢，所以在高山上的冰雪中，特别是在南极的冰雪中重水含量微乎其微，是地球上最轻的水，也是品质最好的水。重水在自然界中分布较少，在普通水中约含重水0.%。由于含量少，制备难，所以它的售价较高（约16元/毫升）。重水对人和动植物都是有害的．人是不能饮用重水的。微生物、鱼类在纯重水或含重水较多(超过80%)的水中，只要数小时就会死亡。重水凝结成的冰会沉入水中。重水主要用于核反应堆中作减速剂，是优良的减速剂和冷却剂，它可以减小中子的速率，使之符合裂变生产的需要。年，挪威利用廉价的水力发电，建立了世界上第一座重水生产工厂。险些被纳粹德国用来制造出世界上第一枚原子弹，好在被游击队提前炸毁。重水反应堆使用重水来减慢中子的速度，让它们有机会与铀反应。轻水亦可以作减速剂，但因为轻水会大量吸收中子，因此轻水式反应堆必须使用3%的浓缩铀，相当于把铀的衰变时间退回到18亿年以前。轻水堆不能直接使用天然铀矿，否则将不能达到临界状态。重水反应堆不单可以使用低浓度铀，而且会通过中子轰击把铀转化成为可制作核弹的钚。印度、巴基斯坦、以色列都是以这样方法制造核武器材料。能制造出钚的反应堆，大多数情况下，只有石墨堆和重水堆，因此核武国家都曾经发展这两种堆型。石墨堆技术落后也不安全，因此重水堆就成为制造核武材料的重要生产堆型。由于重水堆需要大量的重水，而重水的生产技术复杂，价格昂贵，国际上能大量生产重水的国家非常有限，为了防止核武器扩散，重水的生产和出售受到国际条约的严格限制。重水作为减速剂能生产出钚，而轻水堆不行，关键因素在于两者原子核对中子的拦截面不同，重水具有中子吸收截面小而慢化性能好的特点，所以重水是非常优异的慢化剂，它与石墨并列，也是最常用的慢化剂。重水堆是惟一可以利用天然铀作燃料的商用核电反应堆。除了天然铀以外，重水堆也可以高效利用其他多种核燃料，包括低浓铀、铀钚混合燃料、压水堆乏燃料、铀或钚驱动的钍燃料等。轻水作为慢化剂，就很难生产出钚，这也是当今国际上最主流的轻水核电站都不能直接用于发展核武的根本原因。在朝核问题六方会谈期间，美国曾经承诺给朝先建设两个轻水堆，就是想从核燃料和乏燃料两个方面阻止其的核武项目。轻水堆的燃料棒，本身朝就无力生产，而反应后的乏燃料棒又不能回收生产武器级钚。这样就可以从源头上卡住了核武计划。但美国后来又反悔，没有履行建设轻水堆的承诺。朝在指责美国背信弃义的同时，用他最原始的石墨堆继续拼命提炼钚，因为朝即使想得到大量的重水，也是很困难的，但石墨和天然铀矿，朝境内却都储量丰富。若大家还不理解重水和轻水的区别，可再打一个简单的比喻：假设把要生产的钚，当做“机器压制的面条”，那么重水和石墨就是网眼大小正合适的筛子，面团在压力下通过筛子孔，出来的就是面条。而轻水的网孔太小，比头发丝还细，这样细的孔，就很难压出面条，即使能压出少量非常细的条，也不能当面条来吃。同理，轻水堆的乏燃料中，钚极少，而且还含有大量的钚等杂质，这种乏燃料想提炼出武器级的钚，比用离心法提炼出纯铀还麻烦。目前国际上主流的大功率民用核电站，基本都是轻水反应堆，以水和汽水混合物作为冷却剂和慢化剂，是和平利用核能的一种主要方式。轻水堆就堆内载出核裂变热能的方式，又可分为压水堆和沸水堆两种，是目前国际上多数核电站所采用的两种堆型。日本福岛出现重大事故的核电机组，都是沸水堆，这属于年代比较早的技术，而二代、三代核电、核动力航母和核潜艇上用的反应堆，绝大多数是压水堆。轻水堆是压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）的通称，至今已有40多年的发展历史，成为当今世界核电厂的主要和较成熟的堆型，截止于年12月31日，世界上正在运行的核电机组共个，其中压水堆机组个，沸水堆机组92个。轻水堆机组约占总运行机组数的80%，而压水堆机组占轻水堆运行机组总数的73%以上。轻水也就是一般的纯水，广泛地被用于反应堆的慢化剂和冷却剂。与重水相比，轻水有廉价的长处，此外其减速、降温效率也很高。沸水堆的特点是将水蒸汽不经过热交换器直接送到汽轮机，从而防止了热效率的低下，但是由于只有一个回路，堆芯的放射性物质容易直接外泄到汽轮机管路中，核安全性相对较差，属于当代逐步淘汰的技术。压水堆则用高压抑制沸腾，对轻水一般加至个标准大气压（atm），从而热交换器把一次冷却系（取出堆芯产生的热）和二次冷却系（发生送往涡轮机的蒸汽）完全隔离开来，可以有效的防止核物质的泄露。压水堆和沸水堆都用纯水作为慢化剂和冷却剂，有严格的水质要求，通常加硼，以调节反应性；加锂，以调节PH值。网络上多年以来，都在流传小日本处心积虑的从西方核电国家，主要是美国和法国，收集了大量民用核电站反应后产生的乏燃料，其中含有钚元素，总量甚至高达几千吨，因此得出日本人可以在半年内制造三千枚核弹的耸人听闻的传言。但实际上，看完本篇，大家就知道这种传闻根本就是无稽之谈！日本人确实狼子野心不死，但他们收集的这几千吨民用反应堆反应后剩下的乏燃料，含有大量的放射性杂质，根本不能用来直接提炼武器级钚。其中混杂的钚，几乎是无法剔除的。这些放射性废物，要真正提炼出武器级钚，其难度比伊朗用20年提炼了十公斤20%的铀的难度，还要大不知道多少倍，世界上任何国家，都不会傻到把重水堆生产的钚交给别国。小日本的这几千吨钚杂质，造点“脏弹”绰绰有余，若想让他短时间内造出原子弹？除非请天顶星人来帮忙。

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