说起核能装置小型化，大家可能第一时间想到的就是电影《钢铁侠》中力大无穷的男主角。钢铁侠之所以能够成为拥有超能力的漫威英雄之一，是因为其胸前装了一块拳头大小的“核能电池”，正是这块电池，为他提供了源源不断的能量。由此可见“核能电池”的威力之大。喜爱漫威英雄的你，是否也曾梦想过拥有一块和钢铁侠一样的“核能电池”呢？然而，在目前的技术条件下，“核能电池”还只是漫画迷们心中一个美丽的梦想。为什么我们无法成为钢铁侠？因为我们都不是妮妮（大雾）。咳咳，因为现在还造不出“核能电池”。为什么现在科学家们还造不出“核能电池”？这是因为现有的核电装置对核燃料的导热性能有很高的要求。如果没有安全高效的导热手段作为后盾和保障，只是为了拥有惊人能量就硬把“核能电池”穿在身上，估计钢铁侠一眨眼的功夫就会被核能发电时释放的大量热量“烤焦”了。可喜的是，近日我国科学家在“铅基堆冷却剂技术”方面的研发工作取得了重大突破，新技术有效解决了核电装置高效导热的问题，而且大幅度提高了安全性。基于这项技术，未来我国有望率先推出集装箱大小的世界首台迷你核电站——“核电宝”。尽管集装箱大小的“核电宝”和钢铁侠的“核能电池”比起来，还是大了不少，但在我们的现实生活中，核电站要是能够缩小成集装箱那么大，那用途可就大多了：未来如果集装箱“核电宝”能够研发和推出，将凭借其体型小、安全性高等诸多优点，被广泛应用在南海岛屿发电，远离大陆的海洋平台开发，以及核潜艇的升级等方方面面。既然这项技术这么了不起，那么问题来了，这个铅基堆冷却剂到底是什么神奇的物质？为什么它的出现能让庞大的核电站有望变成集装箱那么大呢？它的出现又为什么能让核电装置更安全更高效呢？要回答这些问题，我们首先得了解下核能发电的原理是什么。简单来说，核能发电就是高级版烧锅炉，与用煤“烧锅炉”发电的过程类似，是把热能变成电能的过程：“燃烧”核燃料，释放出大量热量，随后循环水流经核燃料，水受热升温成为热水，进而成为水蒸气，水蒸气通过汽轮机转化为机械能，再经过发电机最终将机械能转化为电能。就这样，水作为“中间人”把核燃料产生的热量带走并用于发电。原理看上去是不是很简单，不过要提一下的是，由于是“燃烧”核能，技术要求上可比烧锅炉复杂多了。下图中左边的装置就是“燃烧”核能的反应堆：冷却剂就是用来带走核燃料产生热量的物质。如果选择用水带走热量，就是使用了水冷却剂。水冷却剂虽然成本低，但安全加热的上限温度只能到三四百度，对于后继发电部分来说，这样的温度还比较低，会降低发电效率。所以，近几十年间，人们又相继发明了钠冷却剂、氦气冷却剂等。可以看出，以往的冷却剂都是可以流动的液体、气体或液体金属，而铅是一种固体金属，缺少流动性，不能像液体或气体一样流动带走热量，科学家们怎么会选择它作为冷却剂呢？原来，铅虽然是一种固体金属，但它的熔点比较低，只有327℃。如果把铅与其它金属做成合金（铅基材料），例如铅铋合金或铅锂合金，则熔点更低，仅有一二百摄氏度。当铅或铅合金熔化变成液态后，粘度很低，具有非常好的流动性。如果大家想象不出高温时铅流动的情景，不妨看一下水银流动的样子。当铅基冷却剂吸收了核反应释放出的热量后，固体的铅基金属变成液体，然后不断循环流动把热量带走发电。整个过程就像是用核燃料，持续不断地烧一壶“铅基液体”。铅及其合金在高温下是一种温和的液态金属。与传统的水冷却剂相比，铅基冷却剂的沸点高达两千多度。因此，不用担心高温时反应堆变成一口潜在危险的“高压锅”。铅基冷却剂的热导率也更大，约为水的三十倍，也就是说铅基液体可以带走比水更多的热量，因此发电效率也更高。冷却介质是决定核反应堆大小的重要因素之一，正是由于铅基冷却剂出色的发电效率，使得核能装置小型化变得更有可能！如此优异的导热性和热稳定性，使核反应堆可以在常压下运行，降低了不可控化学反应发生的可能性，安全系数也大大提高。同时，铅基材料化学性质不活泼，几乎不与水和空气发生化学反应。所以，大家不用担心“核电宝”会像日本福岛核电站那样发生氢气爆炸的恶性事故。咱们中国的“核电宝”，安全质量有保证！未来，人们还将更加安全高效地利用核能。随着技术的不断进步，以后的核能装置体积将会越来越小，能量利用率会越来越高。也许某一天，电影中的钢铁侠真的会成为现实！出品：科普中国制作：科普中国 小漫科普工作室监制：中国科学院计算机网络信息中心“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
