核电站专家：如何在自己家里建造一座核反应堆？

学术 2024-10-21 10:01 北京

当我们面对全球气候变暖带来的挑战而需要获得更多清洁能源的时候，核能发挥了重要的作用。截至2023年年底，中国大陆在运核电机组55台，全年核电发电量占全国累计发电量的近5%。与此同时，福岛核电站泄漏事故又让很多人谈核色变，仿佛核电站是“洪水猛兽”。

作为一名有着30年工作经验的核电站专家，科林·塔克创作了《如何驱动一座核反应堆》。不要被书名吓到，这不是一本操作手册，而且一本有趣的科普读物。塔克在书中从基础的核反应知识讲起，介绍了核能的发展历史、不同类型的核反应堆以及它们的工作原理。这些内容帮助我们揭开核电站身上的神秘面纱，真正了解核能与我们的生活和未来的关系。

也许你从中感受到驱动一座核反应堆的乐趣，又喜欢动手，于是大开脑洞，对自己建造一座核反应堆跃跃欲试。那么这该怎么实现呢？塔克在书中给出了答案：不要！这既不被允许，也不可能。

不要!

是的，真的不要，甚至想都别想。如果要这么干，你将拿自己和邻居的健康冒险。

你确定吗？真的确定吗？好吧，但是如果你真的想这样做的话，你该如何建造一个小型核反应堆呢？

首先是燃料

只有找到一些容易发生裂变的物质，你才能够建造一座可运行的反应堆。实际地讲，要么是铀，要么是钚。还有一些更罕见的可裂变物质，但它们通常只存在于实验室中，且数量往往太少而无法作为反应堆的燃料。你可能会考虑钍，但是正如你在前文中已看到的那样，除非你已经有一个正在运行的反应堆并把钍放进去，否则它毫无用处。

▲ 核反应堆

钚

你可能在哪里找到钚呢？

钚在地球上的存量惊人地多。这是因为数十年以来我们运行了许多铀燃料反应堆，而如你在前文中了解的，铀-238会在反应堆中变为钚-239。

除了少量的钚用于研究之外，大多数钚以下列三种形式存在：

仍然存在于反应堆内或反应堆外的辐照燃料内部的钚，其周围有裂变产物，意味着它具有致命的放射性。

重新处理核燃料后被储存的钚。例如，塞拉菲尔德拥有历次重新处理后得到的约140吨钚。或者存在于各个国家（而非个人）运营的核燃料再处理厂中，我猜这些设施都受到严格的保护。

由军方以核武器或核潜艇、核舰船燃料的形式持有的钚。这里的关键词是“军事”：再次强调，它们受到严格的保护。

老实说，要拥有足够的钚（几吨）来建造一座反应堆，并不是你作为一个个体可能做到的事情。

浓缩铀

在理想情况下，你会寻找浓缩铀的来源，以浓缩铀作为燃料，这可以使反应堆的体积更小，因为你需要的燃料更少。铀的浓缩度越高，其在尺寸上的优势就越显著。但是高浓缩铀，也就是含量为80%~90%的铀-235是高效的核武器级材料，因此它如同钚一样被严格保护，所以你不可能得到。中等浓度的铀也非常罕见，仅在专业反应堆中使用，因此也只能排除在外。

另一方面，低浓度铀，也就是至多含有5%的铀-235很常见，因为许多反应堆，包括压水堆、沸水堆和改进气冷堆都使用低浓度铀作为燃料。这也意味着低浓度铀燃料的制造商在世界范围内相对普遍。尽管如此，你能随便买到低浓度铀吗？

可能也买不到。

《不扩散核武器条约》

是时候多讲一点历史了。如你所知，第一座核反应堆是为生产核武器级的钚而设计的。在一开始，这些建造反应堆、武器以及铀浓缩设施的技术由美国所控制。由于间谍活动和苏联科学家的开拓性工作，苏联在1949年引爆了其第一枚核武器，之后这一情况显然已改变了。在接下来的几十年中，人们越来越担心全面的核战争可能在美国和苏联之间爆发。几乎同时，英国于1952年引爆了其第一枚核武器，法国于1960年，中国则于1964年。

跳过许多政治因素和谈判妥协不谈，总之，在1968年，一份国际性的《不扩散核武器条约》开放供相关国家签署。该条约旨在达到三个目标：

1.不扩散：拥有核武器的国家保证不向未拥有核武器的国家分享核武器技术。未拥有核武器的国家保证不试图开发或获取核武器，并承诺接受国际原子能机构的“保障措施”检查，以核实它们是否遵守该条约。拥有核武器的签署国也自愿接受国际原子能机构的检查，或制定获得国际原子能机构认可的保障措施制度。

2. 核裁军：拥有核武器的国家进行谈判以减少或消除其核武库。（我承认，尽管已做了一些削减，但看起来并不是很成功。）

3. 和平利用核技术：在履行《不扩散核武器条约》规定义务的前提下,所有国家都有权发展核能计划,并有权与该条约的其他签署国进行合作。

有四个国家从未签署过《不扩散核武器条约》：印度、以色列、巴基斯坦和南苏丹。朝鲜签署过，然后又退出了。不过，大多数国家已经签署并严格遵守了《不扩散核武器条约》的要求。任何国家被发现违反条约，都可能在核技术和燃料供应方面受到冷落。

在实践中这意味着，大多数生产低浓缩铀的国家、公司和国营机构只能将其合法售予遵守《不扩散核武器条约》而设有检查措施的公司或组织。

当然，如果你是一家开发或建造核反应堆的大公司，那么你已经花费了数以百万计英镑来满足你所在国家的核监管机构的安全设计要求，贯彻一套可接受的安全保障检查制度对你而言可能非常简单。但是，对于一个想要建造自己的核反应堆的个人来说，你不可能做到这一点。任何铀浓缩公司都不会拿自己的检查情况冒险而将浓缩铀出售给《不扩散核武器条约》之外的人。

天然铀

最后的选择是：找到某个天然铀存在的地方，并将天然铀挖掘出来。

铀在自然界惊人地丰富——地壳中的铀含量约为银的40倍。但是在通常情况下，铀的浓度非常低，仅仅百万分之几，这使得萃取无法实现。当然，与许多其他矿物一样，在某些地方铀的浓度更高，而且可以开采诸如沥青闪石之类的矿物，其中含有百分之几的氧化铀。

不难理解，拥有大量铀储量的国家也是开采并出口铀的国家。世界上最大的几个铀出口国是哈萨克斯坦、加拿大和澳大利亚，全世界每年有超过50000吨的铀被这三个国家以及其他十几个国家开采出来。

同样，这些国家和矿业公司（理论上）仅将铀卖给《不扩散核武器条约》的签署国。然而，假设你是一个幸运的土地所有者，并且你的土地内就有铀矿，你还有能力将矿石熔炼为相当纯度的金属，那么你需要多少铀矿来提炼呢？回想一下第 4 章中对芝加哥1号堆的描述……该反应堆使用了约50吨铀金属。如果你有一个铀含量为 1% 的富矿，这就意味着你要挖出并加工5000吨岩石。你家的独轮车有多大呢？

进一步讲，假设你设法积累了这么多的天然铀，那么你要用什么物质作为慢化剂呢？你无法将普通的轻水用作天然铀燃料的慢化剂，因为轻水会俘获过多的中子——用轻水慢化的反应堆只能使用浓缩铀或钚作为燃料。从理论上讲，你可以使用重水作为天然铀燃料的替代慢化剂，但重水价格非常昂贵——大约是顶级单一麦芽威士忌价格的10倍，而且你需要的是好几吨。哦，对了，重水与铀和钚一样受到《不扩散核武器条约》检查制度的约束，因此你将很难找到一名供应商。

我想这意味着你只能使用石墨作为慢化剂。以天然铀为燃料，用石墨慢化的反应堆的关键问题是它们的体量必须很大。如果你建造的是一个小型的反应堆，从反应堆侧面泄漏的中子将过多，从而永远不会达到临界状态。举例而言，芝加哥1号堆由360吨石墨块制成。你从哪里能搞到如此高纯度的石墨呢？

那是不可能的

此时你可能已经明白，作为一个个体，你是没有建造你自己的反应堆的现实途经的。即使你拥有大量金钱和人力，你也会撞上燃料、慢化剂或其他技术的供应限制。你根本无法购买到你想要的东西。

值得指出的是，在大多数国家，修建你自己的反应堆在任何情况下都是非法的。例如，在英国，法律要求任何固定核设施（显然不包括核潜艇！）都要有“核站点许可证”，而核站点许可证（依法）是不能向个人颁发的——仅向已经被证明为符合“站点许可证条件”的公司颁发，但你不在那个行列中。

有没有人尝试过？

令人惊讶的是，有人尝试过。

美国童子军教练戴维·哈恩设法说服了一家烟雾探测器公司，向他出售100 个探测器用于学校的项目。他以折扣价购买了这些传感器并拆开它们，以提取每一个之中的放射源。大多数烟雾探测器都包含极少量（少于1微克）的镅-241。这是一种半衰期较长的放射性物质，通过发射α粒子和γ射线而衰变。在烟雾探测器内部，α粒子在到达接收器之前会在空气中传播一小段距离。如果空气中含有烟雾，则被接收器接收到的α粒子会变少，这一信号的下降将导致烟雾探测器响起。在烟雾探测器中，镅只是充当α粒子的来源。

▲ 戴维·哈恩

通过从古董店里购买的老式发光表盘和钟盘上刮掉镭，戴维·哈恩增加了产生α粒子的材料的库存。只靠α粒子不足以驱动一个核反应堆，但是如果你在设计中加入一些铍（一个朋友从当地社区学院的化学实验室偷了一些铍给他），就可以产生中子——铍-会俘获入射的α粒子（由镅和镭发出）变成碳-12，并在此过程中释放中子。顺便说一句，铍是有剧毒的！

最后一步是将他的中子源包裹在由铀制成的覆层中（他假冒大学教授从捷克斯洛伐克订购了少量的铀）。他还从数百个野营灯的煤气灯罩中提取了钍。他的目标是利用中子将这些钍-232转化为裂变的同位素铀-233，然后……嗯，谁知道呢？如果这是一个实验室的科学实验，那么它听起来会很有趣。但他这是在现实世界中的一个花园棚子里，建造了一个可怕的放射性装置，用放射性物质污染了他的房子和周围区域。清理这些放射性物质花费了他数万美元。

他的行为还被世界上其他一些人所仿效，但都没有好结果。因此，请勿尝试。是的，真的不要，甚至想都别想。（在我国，除了严格遵守核领域的国际公约，相关的法律法规、规章条款等也十分完善。因此，任何个人都不要尝试自建反应堆）——中文版编者注）

（本文摘自《如何驱动一座核反应堆》第23章“如何建造你自己的反应堆”，标题为编者所加。）

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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