英国布里奇沃特的欣克利点B核电站的航拍照片视图。
对某些人而言，核能提供了一种清洁能源替代方案，使我们摆脱化石燃料依赖的束缚。对其他人来说，它传达了灾难的图像：地震破裂的日本发电厂喷射放射性蒸汽，切尔诺贝利混凝土石棺周围的死区。
但核电厂内部会发生什么样的奇迹和苦难呢？想象一下，通过墙壁插座回到一伏电流，一直通过数英里的电力线到达产生它的核反应堆。你会遇到产生火花的发电机和转动它的涡轮机。接下来，你会发现蒸汽喷射器转动涡轮机，最后是放射性铀束，将水加热成蒸汽。欢迎来到核反应堆堆芯。
反应器中的水还用作放射性物质的冷却剂，防止其过热和熔化。2011年3月，世界各地的电视观众了解到当制冷系统遭遇灾难性故障时会发生什么。在有史以来最强烈的地震和随后发生的海啸之后，日本公民从福岛第一核电站周围地区逃离了数万人，对工厂及其几个反应堆单元造成了严重破坏。在其他事件中，水从反应堆堆芯中排出，这反过来又无法控制核心温度。这导致了过热和部分核熔毁
据世界核协会称，截至2018年4月，全球约有450座核动力反应堆投入运行，它们提供全球约11％的电力。仅在美国，在美国30个州的61个商业运营的核电站中就有99个反应堆，其中包括田纳西州的Watts Bar Unit 2，一个1,150兆瓦容量的反应堆，于2016年10月开始商业运营。
核能供应美国20％的电力需求，低于天然气31.7％和煤炭30.1％，仅略高于水电，风能和太阳能等可再生能源提供的17.1％。但是一些国家更依赖原子反应堆。例如，根据2018年4月的一份报告，法国72％的电力来自核电站，而瑞典则从中获得约40％的电力。
在本文中，我们将了解核反应堆如何在发电厂内发挥作用，以及释放所有关键热量的原子反应。
尽管“核”这个词所引发的所有宇宙能量，依赖于原子能的发电厂的运行方式与典型的燃煤发电厂不同。两者都将水加热成加压蒸汽，从而驱动涡轮发电机。两种植物之间的关键区别是加热水的方法。
虽然燃煤发电厂燃烧化石燃料，但核动力装置依赖于核裂变期间发生的热量，当一个原子分裂成两个并释放能量时。核裂变每天都会自然发生。例如，铀经常以非常缓慢的速度发生自发裂变。这就是为什么该元素发射辐射，以及为什么它是核电厂所需的诱导裂变的自然选择。
铀是地球上的常见元素，自地球形成以来就已存在。虽然有几种铀，但铀-235（U-235）是核电和核弹生产中最重要的一种。
U-235通过α辐射自然衰变：它抛出一个α粒子，或两个中子和两个质子结合在一起。它也是可以进行诱导裂变的少数元素之一。将自由中子射入U-235核，核将吸收中子，变得不稳定并立即分裂。
上面的动画显示了一个铀-235核，中子接近顶部。一旦原子核捕获到中子，它就会分裂成两个较轻的原子并抛出两三个新的中子（喷射的中子数量取决于U-235原子如何分裂）。捕获中子和分裂的过程发生得非常快。
单个U-235原子的衰变释放大约200 MeV（百万电子伏特）。这可能看起来不多，但是一磅（0.45千克）的铀中有大量的铀原子
原子的分裂释放热和伽马辐射，或由高能光子产生的辐射。由裂变产生的两个原子也会释放自身的β辐射（超快电子）和伽马辐射。
但是为了使所有这一切发挥作用，科学家必须首先丰富铀样品，使其含有2至3％的铀-235。核电厂的浓缩百分之三就足够了，但武器级铀由至少90％的U-235组成。富集铀的过程是通过离心机完成的在从铀中产生气体之后。离心机的力将U-235原子与U-238原子分开。起初，U-235原子的浓度仅略微增加，因此该过程必须在离心机中重复几次以增加富集。制造武器级铀非常困难和昂贵，这是少数国家拥有核武器的一个原因。但这些障碍并非不可克服。
钚怎么样？
铀-235不是发电厂唯一可能的燃料。另一种可裂变材料，Plutonium-239是用中子轰击U-238而创建的。
在核电站内
该图显示了核反应堆的所有部件。
为了将核裂变转化为电能，核电厂运营商必须控制浓缩铀释放的能量，并允许其将水加热成蒸汽。那蒸汽然后驱动涡轮机发电。
富集的铀通常形成1英寸长（2.5厘米长）的颗粒，每颗颗粒的直径与硬币大致相同。接下来，将颗粒布置成长杆，并将杆收集在一起成束。束被浸没在压力容器内的水中。水充当冷却剂。留给自己的设备，铀最终会过热并融化。
为了防止过热，使用可以升高或降低铀束的机制将由吸收中子的材料制成的控制棒插入铀束中。升高和降低控制棒使操作员能够控制核反应的速率。当操作员希望铀核产生更多热量时，控制棒从铀束中提升出来（从而吸收更少的中子）。为了减少热量，它们被降低到铀束中。杆也可以完全降低到铀束中，以便在发生事故时关闭反应堆或改变燃料。
铀束充当极高能量的热源。它加热水并将其转化为蒸汽。蒸汽驱动涡轮机，涡轮机旋转发电机以产生动力。几百年来，人类一直在利用水膨胀成蒸汽。
在一些核电站中，来自反应堆的蒸汽经过二级中间热交换器以将另一个水循环转换为蒸汽，从而驱动涡轮机。该设计的优点是放射性水/蒸汽从不接触涡轮机。而且，在一些反应器中，与反应堆堆芯接触的冷却剂流体是气体（二氧化碳）或液态金属（钠，钾）; 这些类型的反应堆允许核心在更高的温度下运行
考虑到核电厂内部的所有放射性元素，对于工厂的外部而言，与在燃煤电厂中发现的相比，不应该感到意外。
在核电站之外
通过查看德国Brokdorf核电站的这张照片可以看出，混凝土在含有放射性物质方面起着重要作用。
一旦你越过反应堆本身，除了用于产生蒸汽的热源之外，核电厂和燃煤或燃油发电厂之间的差别很小。但由于该光源会发出有害的辐射水平，因此需要采取额外的预防措施。
混凝土衬里通常容纳反应堆的压力容器并用作辐射屏蔽。反过来，该衬管被容纳在更大的钢制安全壳内。该容器包含反应堆堆芯，以及工厂工人用于加油和维护反应堆的设备。钢制安全壳用作防止任何放射性气体或液体从工厂泄漏的屏障。
外部混凝土建筑物作为最后一层，保护钢制安全壳。这种混凝土结构设计得足够坚固，可以承受地震或坠毁喷气式客机造成的巨大破坏。
这些二级安全壳结构对于在发生事故时防止辐射/放射性蒸汽逸出是必要的。俄罗斯核电厂没有二级安全壳结构，允许放射性物质在切尔诺贝利中逃逸。
核电厂控制室的工作人员可以监控核反应堆，并在出现问题时采取措施。核设施通常还具有安全范围和增加的人员，以帮助保护敏感材料。
核电的利弊
切尔诺贝利核电站附近的这个储存设施目前有核废料。
什么是核电的最大优势？它不依赖于化石燃料，也不受石油和天然气价格波动的影响。煤和天然气发电厂向大气排放二氧化碳，这有助于气候变化。对于核电厂来说，二氧化碳排放量很小，尽管铀矿开采，反应堆建设，燃料运输和核能的其他部分会产生温室气体。
据核能研究所称，如果依靠化石燃料，世界核电站产生的电力通常每年产生22亿吨（20亿公吨）的二氧化碳。实际上，运行良好的核电厂实际上释放的放射性比燃煤电厂低。那是因为当煤被燃烧用于电力时，飞灰（含有非常浓缩的铀和钍）被释放出来。这种飞灰的放射性比核电站释放的产生相同能量的放射性高100倍。此外，核能带来了更轻的燃料需求。核裂变每单位重量产生的能量比化石燃料大约多一百万倍。
但也有许多负面因素。从历史上看，采矿和净化铀的过程并不是一个非常简洁的过程。甚至将核燃料运输到工厂和从工厂运输也会造成污染风险。一旦燃料耗尽，你就不能把它扔进城市垃圾场。它仍然是放射性的，接触这些废物会导致放射病，癌症甚至死亡，这取决于你吸收的辐射量。据美国政府问责办公室称，由于联邦政府正在努力寻求更好的解决方案，美国已累计生产88,185吨（80,000公吨）发电厂产生的核废料，其中大部分仍储存在公司场所。
而且好像这还不够糟糕，核电站以鞋套，擦拭布，设备和其他材料的形式产生大量低放射性废物。
核灾难和反应堆停工
历史上最大的地震和随之而来的海啸造成的灾难，这场海啸使日本分崩离析并导致其发生核灾难。
请记住，每个核反应堆的核心都是受控放射性和诱导裂变的环境。当这种环境失控时，结果可能是灾难性的。
多年来，切尔诺贝利灾难是核故障的最坏情况。1986年，乌克兰核反应堆爆炸，向周围地区喷射50吨（45公吨）放射性物质，污染了数百万英亩的森林。这场灾难迫使15万人搬迁，最终造成数千人死于癌症和其他疾病。
切尔诺贝利设计糟糕，操作不当。该工厂需要不断的人为关注以防止反应堆发生故障。然而，即使是设计良好的核电站也容易受到自然灾害的影响。
2011年3月11日星期五，日本经历了现代史上最大的地震。该国福岛第一核电站的一个程序响应立即降落在所有反应堆的控制棒上，在10分钟内关闭所有裂变反应。然而不幸的是，你不能通过翻转开关来关闭所有放射性。
正如我们在上一页所探讨的那样，核废料在电厂首次运行后持续产生热量数年。同样，在核反应堆关闭后的最初几个小时内，它继续从衰变过程中产生热量。
2011年3月的地震发生了致命的海啸，摧毁了备用柴油发电机组，该发电机为该设施在无法从日本电网获取电力后转向的水冷却泵提供动力。这些泵使水循环通过反应器以除去衰变热。未循环，反应器内的水温和水压都继续上升。此外，反应器辐射开始将水分解成氧气和挥发性氢气。由此产生的氢气爆炸冲破了反应堆建筑的钢制围护板。
简而言之，福岛第一核电站有很多对策，可以在发生严重地震活动时关闭作业。他们只是没有指望他们的冷却液泵失去动力。
日本的福岛第一核电站，俄罗斯的切尔诺贝利和美国的三里岛等工厂仍然是核电行业的黑眼圈，常常掩盖了该技术所带来的一些环境优势。
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