大国核梦：原子核里的“乾坤”
今年是中国核工业创建70周年，中国邮政发行《中国核工业创建七十周年》纪念邮票1套3枚，邮票图案名称分别为“核铸利器”“核能先锋”“核惠民生”。其中，“核能先锋”以秦山核电基地为背景，展示了“华龙一号”、中国实验快堆、新一代人造太阳“中国环流三号”等元素。中国核能从实现“零的突破”到跻身世界第一方阵，走过了极其不平凡的历程。核能的魔力到底有多大？让我们一同揭秘原子核里的“乾坤”。
秦山核电站：中国核工业的骄傲
作为我国大陆第一座核能发电站，位于浙江省海盐县的秦山核电站不仅奏响了我国核电事业的“报春曲”，而且开创了我国核电事业从无到有、由弱到强的发展历史。
核能也被称为原子能，指的是蕴含在原子核内的能量。在原子中，原子核的体积微乎其微，然而其蕴含的能量却大得惊人。1905年，爱因斯坦创建了著名的质能方程式，从而揭开了宇宙的一个巨大奥秘，为原子能的利用奠定了理论基础。利用质SCqT6P2rDkVK7fdBfhHGZjtGFb3f2EjEmFlE2U7/kjk=能方程式可以计算出，1克铀-235全部发生裂变反应释放出来的能量约合2.8吨标准煤完全燃烧所放出的能量。那么，如何才能把蕴含在铀-235中的巨大能量开发出来呢？中子的发现为人类开发利用核能拓展了思路，并敲开了人类进入核能时代的大门。由原子能之父恩利克·费米领导建立的“芝加哥一号堆”被认为是人类历史上第一台可控核反应堆。1942年12月2日，该反应堆成功启动了以铀核裂变为基础的可控链式反应，标志着人类从此进入了原子能时代。在核反应堆中，中子是打开原子核并释放巨大核能的“钥匙”。在热中子反应堆中，主要是以铀-235作为核燃料进行裂变发电的。所谓热中子反应堆，指的是用慢化剂让快中子减速为热中子（或称慢中子）而进行链式反应的一种装置，简称热堆。为何要让快中子减速？在热堆中，铀-235吸收一个热中子后迅速裂变而产生氪-92和钡-141，同时释放出2～3个快中子来。而铀-235对快中子的裂变截面较小，裂变概率较低，因此必须利用慢化剂将快中子减速成热中子来维持铀-235的链式反应。
秦山一期工程：1970年2月，周恩来总理指示：“从长远来看，解决上海和华东用电问题，要靠核电。”1985年3月，秦山核电站浇灌第一罐混凝土。1991年12月15日，我国第一座30万千瓦压水堆核电厂并网发电，实现了我国大陆核电“零”的突破，这是我国核工业继“两弹一艇”研制成功后的又一历史性重大突破，被誉为“国之光荣”。
秦山二期工程：1986年，国务院决定在秦山一期的基础上再建设两台65万千瓦压水堆机组。秦山二期工程是我国第一座国产化大型商用核电站，将助力我国走出一条核电国产化的道路。到2004年５月，秦山二期工程两台机组建成投产，实现了核电国产化的重大跨越。秦山二期工程的成功建造和安全运行，更加坚定了我国立足自主创新、发展民族核电的信心。
秦山三期工程：秦山三期工程采用加拿大坎杜6重水堆核电技术，装机容量为2台728兆瓦，这是我国首座重水堆核电站。1998年6月8日，秦山三期核电站开工建设。2002年12月31日，秦山三期核电站1号机组投入商业运行。2003年7月24日，秦山三期核电站2号机组投入商业运行。那么，重水堆核电站具有哪些优势呢？与传统的压水堆核电站相比，重水堆核电站具有经济利用回收铀、实现钍资源核能利用和规模化同位素生产等独特的技术优势。秦山三期工程充分发挥重水堆优势，开展钴-60、碳-14、钇-90、锶-89、镥-177等同位素的研发生产，加快推进同位素生产基地建设。
方家山核电工程：方家山核电工程为秦山一期核电工程的扩建项目，容量为2台百万千瓦级压水堆核电机组，采用二代改进型压水堆技术，国产化率达到80%以上。2008年12月，方家山核电工程开工建设。2014年11月４日1号机组成功并网发电，标志着我国核电实现了从30万千瓦到100万千瓦的历史跨越，同时也为国产第三代核电机组“华龙一号”的研制奠定了基础。
秦山核电站是我国自行设计、自行建造、自行运行、自行管理的第一座原型压水堆核电站。经过40年不懈努力，秦山核电站已经成为我国核电机组数量最多、堆型最丰富、装机容量最大的核电基地，截止到2023年底累计输出清洁电力8000亿千瓦时。
秦山核电基地正在以崭新的面貌全力推进零碳未来城的建设，在核能发电的基础上，搭建包括同位素生产基地、核能供暖示范、核能制氢以及大规模储能等平台，从而为核能的民生应用拓展更为广阔的舞台。
“华龙一号”：腾飞的“巨龙”
被誉为“国家名片”的“华龙一号”，是中国具有完全自主知识产权的第三代核电技术。“华龙一号”系中广核和中核联合开发的核电技术，取名“华龙”的寓意为“中华复兴，巨龙腾飞”。
早在20世纪末，我国科学家就提出了自主百万千瓦核电技术的概念，并于1997年提出177堆芯的方案。实际上，“华龙一号”的创新之一，就是堆芯采用了177组核燃料组件，比传统的157组核燃料组件多了20组，不仅提高了整体功率，还降低了堆芯功率密度，提高了设计安全水平。
1999年，中核集团全面启动国产化百万千瓦级核电站概念设计。2009年底，国产化百万千瓦级核电站示范工程福清核电5、6号机组初步完成设计。2011年2月28日，是福清核电示范工程项目落地前的最后一次例行审查会，意味着该项目可以开工建设了。2011年3月11日，日本福岛第一核电站因地震造成停堆事故，一号机组和三号机组相继发生爆炸……福清核电示范工程项目被紧急按下了暂停键。
人们要走出福岛核事故的阴霾，就必须对核电技术提出更高的标准和要求，即在安全性方面必须满足国际最高安全标准。为此，“华龙一号”设计团队重整旗鼓，对标国际上最先进的三代核电技术，提出了“双层安全壳”以及“能动与非能动相结合”等一系列创新设计理念。
所谓“双层安全壳”，是通过设置内外两层安全壳来阻止放射性裂变产物的泄露、抵抗自然和人为的威胁。其中，内壳为带密封钢衬里的预应力钢筋混凝土结构，壁厚1.3米，内径46.8米；外壳为钢筋混凝土结构，上部壁厚1.8米，下部壁厚1.5米，内径53米。内外壳中间保持负压环境，形成对放射性物质的双重包容。
至于“能动与非能动相结合”的创新理念，则是“华龙一号”安全设计的一大特色。这里的“能动”指的是需要借助电力进行驱动，而“非能动”则是不需要借助电力进行驱动。安装在堆腔旁边的冷却水箱就是“非能动”安全系统的一部分，当全部电源或能动部分不可用时，这个水箱可以利用高度差直接向反应堆内注水。
2014年8月22日，“华龙一号”总体技术方案通过了国家能源局组织的评审。同年，“华龙一号”通过了国际原子能机构的安全评审。
2015年5月7日，“华龙一号”全球首堆示范工程—中核集团福清核电站5号机组开工。2021年1月30日，“华龙一号”正式投入商业运行，标志着中国成为继美国、法国、俄罗斯等国之后真正掌握自主三代核电技术的国家。
“华龙一号”全球首堆中核福清核电5号机组装备国产化率可达85%，关键技术全部自主可控。每台“华龙一号”机组装机容量116.1万千瓦，年发电能力近100亿度，设计寿命为60年。
按照中国核能发展的长期规划，核能“三步走”战略包括三个阶段—热堆（热中子反应堆）、快堆（快中子增殖堆）和聚变堆（受控核聚变堆）。目前绝大多数核电站都属于热堆，即利用热中子启动的铀-235核裂变反应。
“华龙一号”就是热堆的代表堆型。目前，“华龙一号”已经形成了国内首个完整的核电自主知识产权体系，全球在建、在运机组达到33台，是全球三代核电在建、在运机组最多的机型。2025年1月1日，中核集团第五台“华龙一号”核电机组―漳州核电1号机组正式投入商业运行，标志着“华龙一号”批量化建设取得重大进展。
实验快堆：中国快堆技术的基石
快堆不仅是世界上第四代先进核能系统的主推堆型，还是我国核能“三步走”发展战略的关键一步。
为什么快堆如此重要？从理论上来讲，快堆可将天然铀资源的利用率从目前压水堆的大约1%提升到60%以上，并实现放射性废物的最少化。因此，借助快堆的商业化推广，可以有效解决铀矿资源枯竭、核材料利用率低以及核废料处理难度大等问题。
何为快堆？快堆的全称为快中子增殖反应堆，也可简称为快中子堆。快堆指的是由快中子引起链式裂变反应释放热能并转换为电能的反应堆。
那么，快堆是如何实现铀利用率从1%到60%的跃升呢？快堆可以把丰度在99.2%以上的铀-238有效转化为易裂变的钚-239等，从而实现裂变材料的不断增殖。因此，快堆可把铀资源的利用率提高到60%以上。
作为首个快中子增殖反应堆，中国实验快堆是我国快堆技术发展的基石。作为国家“863”计划重大项目，中国实验快堆于1992年3月获国务院批准立项，2000年5月开工建设，2011年7月并网发电。2014年12月18日，中国实验快堆首次实现满功率稳定运行72小时，标志着我国全面掌握快堆核心技术。其核热功率65兆瓦，实验发电功率20兆瓦，是目前世界上为数不多的具备发电功能的实验快堆。
在热堆中不能被利用的铀-238，在快堆中却扮演着极其重要的角色。这就是快堆的一大优势。当快中子与铀-238发生碰撞时，铀-238会俘获一个中子而变成不稳定的铀-239。随后，铀-239经过两次β衰变，分别转变为镎-239和钚-239。钚-239是一种非常有效的核燃料，可以用于核能发电。因此，铀-238被称为可转换核素，钚-239被称为易裂变核素。
快堆是国际公认的第四代先进核能系统中的优选堆型。基于快堆采用的“铀钚燃料循环”模式，中国实验快堆在堆芯燃料钚-239的外围再生区里放置了铀-238。钚-239产生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的铀-238吸收后，进一步变成钚-239。这样一来，钚-239不断地裂变，产生的快中子又不断地把铀-238变成钚-239。由于再生速度高于消耗速度，所以核燃料钚-239会越用越多，这就是“增殖反应堆”的含义。在这个过程中，名义上是钚-239在裂变释能，但实际上消耗的却是铀-238。
根据换热介质的不同，目前主流的快堆设计包括钠冷快堆、气冷快堆和铅冷快堆3种。作为第四代快堆中发展最快、也更接近商业化的堆型，钠冷快堆在铀资源有效利用和核废料处置方面具有独特的优势。中国实验快堆为钠冷快中子反应堆，采用堆本体池式结构和钠-钠-水三回路传热系统。堆芯入口温度360℃，出口温度530℃，蒸汽温度480℃，压力14MPa。
为什么要用钠作为冷却剂？钠的主要优点为高导热系数和低中子吸收率。高导热系数有利于高速率传热，低中子吸收率有利于核反应进行。如钠的导热能力是水的130倍，用其作为冷却剂在很大程度上能防止堆芯的熔化。同时，钠是地球上比较丰富的元素之一，在价格方面具有一定的优势。但钠的熔点为97.8℃，在室温下为固态，需要用外加热的方法使其熔化。钠的化学性质非常活泼，容易与氧和水发生化学反应，因此，需要采取一些特殊的预防措施。
我国快堆工程技术坚持“实验堆、示范堆、商用堆”三步走的发展战略。2014年10月，中国示范快堆工程项目总体规划方案获得国家批准。福建霞浦60万千瓦示范快堆工程1号机组于2017年开工建设，2023年建成投产；2号机组于2020年开工建设，将于2026年建成投产。中核集团还将积极推动将一体化快堆纳入国家科技重大专项，并计划于2035年左右建成一体化快堆首个示范工程，实现商业化示范。
人造太阳：用聚变之光点亮未来
人类对于太阳的崇拜由来已久，并且贯穿于人类文明演进的每一个过程。我们一般把太阳光的辐射能量叫作太阳能，它是地球生命赖以生存的根本保证。能源始终是人类文明进步的基石，是国民经济可持续发展的强有力的保障。在化石能源几近枯竭的背景下，和平利用原子能成为人类的不懈追求。
说到原子能，就目前来讲主要有重元素原子核的裂变反应和轻元素原子核的聚变反应两大类。对于前者，人类已经付诸于工程实践，并形成了完备的核工业体系。而对于后者，人类还处于探索阶段，但已经看到了核聚变的曙光。
我国实施的“人造太阳计划”，就是模仿太阳聚变产能过程为人类造福的伟大实践活动。所谓“人造太阳”，实际上就是一个受控核聚变堆，即模拟太阳内部核聚变反应原理的能源装置。这里有两个关键词—“聚变”和“可控”。
“聚变”指的是较轻的原子核（氘、氚）发生聚合反应生成较重的原子核，并释放出巨大的能量。“可控”指的是人为控制“聚变”的速度、规模和范围，以实现持续、平稳的能量输出。事实上，人类已经实现了不受控制的核聚变，比如氢弹的爆炸就是由核聚变产生的。科学家认为，实现可控核聚变才是人类“能源自由”的终极解决方案。
国际“人造太阳计划”启动于1988年，作为该计划的成员国家，中国为人类实现核聚变发电做出了重要贡献。作为探索“人造太阳”的前沿利器，托卡马克装置在全球能源研究领域占据着举足轻重的地位。中国对托卡马克装置的研究起步于20世纪60年代，如今中国的“人造太阳”不断刷新运行纪录并取得了多项重要突破。
那么，什么是托卡马克装置呢？其实，托卡马克装置就是为核聚变反应定制的一个由封闭磁场组成的“容器”。要知道，核聚变反应的发生需要极其苛刻的条件，甚至需要在上亿摄氏度的高温等离子体环境下才能实现自发的持续核聚变反应。在地球上，什么样的材料能约束核聚变反应呢？
显然，这简直就是对人类一切文明成果的挑战。20世纪50年代初，苏联科学家提出了“磁约束”的概念，即利用封闭的磁场来约束高温粒子的行为，并把它们束缚在一个特定的区域中。1954年，苏联科学家建成了第一个磁约束装置，并将其命名为“托卡马克”。
“托卡马克”是“磁线圈环形真空室”的俄文缩写，又被称为环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈一样。这个特殊的“容器”尽管看不见、摸不着，但应用起来却非常方便，因为它不惧怕任何高温。其实，“托卡马克”最初只是一个概念设计，要走向实用还需要解决许多技术上的问题。
被称为“新一代人造太阳”的“中国环流三号”（HL-3）托卡马克装置，已经实现在150万安培等离子体电流下的高约束模式运行，这是我国核聚变能开发进程中的一个重要里程碑。被称为“人造太阳”的东方超环（EAST），是中国自主研发的世界上首个全超导托卡马克核聚变实验装置。今年1月，EAST首次完成1亿摄氏度1000秒的“高质量燃烧”，标志着我国聚变能源研究实现了从基础科学向工程实践的重大跨越。
核聚变能具有资源丰富、固有安全和环境友好等方面的优势，因此是核能发展的最终目标，有序推进核聚变能的研究和开发，需要按照实验堆、示范堆和商用堆分步骤实施。我们期盼中国的“人造太阳”能够早日用聚变之光点亮万家灯火。
能源乃人类文明之基。作为当今世界三大支柱能源之一，核能不仅是实现“双碳”战略目标的重要支撑能源，还是能源现代化的重要产业体系。我国在核能发展“三步走战略（热堆—快堆—聚变堆）”的指引下，正在逐步成为全球核能技术发展的引领者。