一枚核燃料芯块的能量当量

一枚铀燃料芯块是一个小小的黑色陶瓷圆柱体，高约一厘米，重几克。把它放在手心里，看起来就像一小截折断的石墨铅笔芯。然而，这枚小小的芯块释放出的可用能量大约相当于一吨煤——约149加仑石油或1.7万立方英尺天然气，具体数字取决于计算方式。

一个典型的大型反应堆堆芯大约容纳一千万枚这样的芯块。

每枚芯块都是烧结二氧化铀——一种陶瓷，而非金属——经过压制和高温烧制，直到其密度达到花岗岩的程度，颜色如同石墨。成品的圆柱体大约有指尖大小。掉一枚在地上，会发出像小瓷砖一样的叮当声。

里面的铀并非从地下挖出的天然铀。在孟加拉国Pabna省Ishwardi的Rooppur核电站今年早些时候装料的那种轻水反应堆中，芯块经过富集，使得易裂变同位素铀-235占材料的百分之几。其余的是铀-238，大部分只是随波逐流。

这微小的百分比正是能量的来源。当一个中子分裂一个铀-235原子核时，它释放的能量比燃烧煤中的一个碳原子高出几个数量级。原子对原子，这个比例大约是五千万比一——这就是为什么一枚指尖大小的芯块可以替代一吨煤。

这些芯块并非松散放置。它们首尾相接地堆叠在细长的锆合金管内——选择这种金属是因为它坚固、耐热水腐蚀，并且对中子几乎是透明的。每根管子两端密封，并充有惰性气体。在VVER-1200反应堆中，一根成品燃料棒有几米长，而在主导美国核电舰队的压水堆中，大约有十二英尺长。

然后，这些燃料棒被组合成方形或六边形的束，称为燃料组件。在Rooppur，工程师们在2026年春季将163个组件装入1号机组的反应堆堆芯，每个组件长数米，重数百公斤，包含数百公斤的铀燃料。这相当于每个组件超过10万枚芯块，整个堆芯大约有1700万枚芯块。

CANDU反应堆的做法不同。这种加拿大设计使用约半米长的较短燃料棒束，使用未经富集的天然铀。罗马尼亚的Nuclearelectrica公司运营着Cernavoda核电站，目前正在招标进行可行性研究，以将CANDU-6棒束的产量翻倍，该公司公布了这些棒束自身的能量当量数字。

“一吨煤”这个数字来自一个直接的计算。一公斤低富集度铀燃料，在现代轻水反应堆中燃烧，能产生数万千瓦时的电力。一公斤优质烟煤，在现代电站中燃烧，能产生几千瓦时的电力。这是数千比一的比例。考虑到提取的有用能量，一枚五克的芯块蕴含的能量相当于一吨煤。

石油和天然气的当量遵循相同的物理原理。一吨煤所含的化学能大致相当于149加仑原油的热值，或按美国典型管道能量密度计算约1.7万立方英尺的天然气。具体数字会因煤的等级和电站效率而有几个百分点的波动，但数量级是稳定的。

Xcel Energy在谈论Prairie Island核电站时，正是依据这个比例。该公用事业公司的无碳计划将该电站的两座反应堆视为其电网其余部分脱碳的支柱，因为一次换料大修就能换入足够的铀，以替代数年的燃煤发电量，而无需动用一节火车车厢。

整个反应堆堆芯的算术值得停下来思考一下。一座大型压水堆容纳许多燃料组件。每个组件容纳许多燃料棒。每根燃料棒容纳数百枚芯块。相乘起来，堆芯大约包含一千万枚芯块——确切数字因设计而异，但对于一座1000兆瓦电功率的电站来说，这个数字很接近。

一千万枚芯块大约是100吨二氧化铀。若在燃煤电站中燃烧，要匹配这一产出，每年需要数百万吨煤——一列足够环绕一个小国的漏斗车。当Rooppur核电站的两台1200兆瓦机组都运行时，预计将从一个装在大约一辆货车大小的钢制容器内的堆芯中产生可观的电力。

这种能量密度正是核工业不断将芯块作为一种修辞对象的原因。它小到可以握持，密度大到感觉比看上去更重，外观平凡到足以让背后的数字更具冲击力。

管材的选择几乎与燃料的选择同等重要。锆合金属于一个狭窄的材料范围，这些材料能够承受多年的中子轰击、高温高压水以及芯块受热膨胀带来的机械应力，同时不会吸收过多中子而导致链式反应停滞。

十二英尺的长度也并非随意设定。这大致是活性区的高度，由水慢化栅格中的中子迁移物理特性决定。如果堆芯太短，中子会在引发新的裂变之前从两端泄漏出去。如果堆芯太高，每根燃料棒的顶部和底部会看到截然不同的中子通量，扭曲功率分布。

更新的设计正试图突破极限。先进燃料技术使用改进的包壳材料和燃料配方，能更长时间抗氧化，并允许运营商在燃料必须卸出前更充分地燃耗。更高的燃耗意味着每枚芯块产生更多能量——进一步推高那个“一吨煤”的数字。

一旦装入，一枚芯块会在堆芯中停留数年，跨越多个换料周期。每次换料会重新布置一部分组件，将部分燃耗的燃料向外移动，并将新组件装向中子通量最高的中心区域。在这段时间里，一枚芯块的铀-235含量显著下降，而一小部分但不断增长的铀-238被转化为钚-239，钚-239本身也会裂变并贡献能量。

当一枚芯块离开反应堆时，它具有极强的放射性，隔着几厘米厚的钢摸上去是温热的，并且所含的铀比进去时更轻。先进的成像技术已被用于详细检查辐照后的芯块，绘制出随着裂变从内部侵蚀陶瓷体而产生的微裂纹、气泡和边缘结构。

乏燃料芯块仍含有其原有的大部分铀和少量钚。在采用后处理的燃料循环中——如法国、俄罗斯、日本——这些材料被分离并回收。在美国，它则留在燃料棒内，先在乏燃料水池中冷却至少五年，然后转移到干式贮存容器中。