首先了解什么是核燃料：核燃料棒因為核反應(yīng)而變熱，而這種熱是發(fā)電的關(guān)鍵。但這些燃料棒到底是什么？核燃料是從遍布世界各地的鈾礦石里提煉出來的。每個小球大約有一個玻璃球那么大。這些顆粒堆積在12英尺長的金屬管內(nèi)，稱為燃料外殼。管子兩端密封以形成燃料棒，100至300根燃料棒呈方形排列以形成燃料組件。用于制造燃料組件的燃料棒數(shù)量取決于組件將用于的反應(yīng)堆類型以及制造燃料的公司。雖然這些組件很長（約12英尺），但它們的寬度不到1英尺。組件在頂部和底部以及之間的間隔處有特殊的固定硬件，以保持燃料棒牢牢固定且間距均勻。燃料組件在被放入反應(yīng)堆堆芯之前只有輕微的放射性。通常，一個反應(yīng)堆堆芯將有150到250個燃料組。我們之前討論過鈾的形態(tài)，它在商業(yè)核反應(yīng)堆發(fā)電中很重要。它是一種“同位素”，或一種中子數(shù)非常特定的原子，稱為U-235。鈾礦轉(zhuǎn)化為核燃料的過程是鈾濃縮，它增加了鈾235相對于鈾中其他天然同位素的含量。在反應(yīng)堆條件合適的時候，中子會導(dǎo)致U-235原子裂變。這就留下了兩個新的、不同的原子和幾個中子，這些新的中子將導(dǎo)致其他U-235原子裂變，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)U-235原子裂變時，能量以熱的形式釋放，這種熱量產(chǎn)生蒸汽，使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。幾年后，燃料中的鈾235含量大大降低，如果鈾235的含量降得太低，就不足以維持連鎖反應(yīng)。因此，每18-24個月，反應(yīng)堆堆芯中大約三分之一的燃料就會被移除，并用新的新燃料替換。用過的燃料通常被稱為“乏燃料”乏燃料溫度很高，放射性很強。裂變過程中產(chǎn)生的原子起初是不穩(wěn)定的，會發(fā)射產(chǎn)生熱量的粒子。因此，必須在受控條件下小心處理和儲存乏燃料。
核反應(yīng)堆是如何發(fā)電的？先看一下核電站的大致構(gòu)成。我們先看一個電動機(jī)。電機(jī)主要由兩個主要部件組成：靜止的定子和在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。當(dāng)電機(jī)通電時，定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)的電磁鐵相互推拉，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。定子中的磁鐵將轉(zhuǎn)子中的磁鐵拉向它們，然后，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鐵經(jīng)過時，將其自身反轉(zhuǎn)并將轉(zhuǎn)子磁鐵推開。這些部件的排列方式使得拉和推都在同一個方向，因此轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)。施加在電機(jī)上的電能在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生機(jī)械能。但同樣的機(jī)器也可以反過來使用：如果某些外力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁鐵的相互作用就會產(chǎn)生電：“電機(jī)”現(xiàn)在是一個“發(fā)電機(jī)”，通過施加到轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能產(chǎn)生電能。這是制造大量電力最常見的方法。那么如何使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)呢？這就是核反應(yīng)堆的作用。由于核反應(yīng)有高熱量產(chǎn)生，這些熱量讓水沸騰，沸水中的蒸汽推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。正如我們了解的發(fā)電機(jī)原理，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)感應(yīng)出電流從定子中流出。由于當(dāng)水沸騰時，產(chǎn)生的蒸汽比產(chǎn)生蒸汽的水占據(jù)更多的物理空間，因此如果你通過某種熱源（如核反應(yīng)堆或燃煤鍋爐）抽水，這種熱源的溫度足以使水沸騰，那么排出的蒸汽將比進(jìn)入的水速度快得多。蒸汽流經(jīng)一臺叫做渦輪機(jī)的機(jī)器，它的作用類似于一臺高度復(fù)雜的風(fēng)車。它的物理結(jié)構(gòu)與風(fēng)車大不相同，大型渦輪機(jī)的功率遠(yuǎn)比以往任何一種風(fēng)車都大，但其效果是相同的：蒸汽或風(fēng)使機(jī)器的一部分旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的部分可以連接到發(fā)電機(jī)上發(fā)電。離開渦輪機(jī)的蒸汽被收集在一個稱為冷凝器的裝置中——本質(zhì)上是一個房子大小的金屬盒，有數(shù)千根管道穿過。冷水流經(jīng)管道，來自渦輪機(jī)的蒸汽被冷卻并冷凝回水中。然后通過水泵被送到加熱器，繼續(xù)循環(huán)加熱?，F(xiàn)我們已經(jīng)了解了反應(yīng)堆是如何產(chǎn)生熱量的，以及熱量是如何被用來產(chǎn)生蒸汽的，蒸汽是如何驅(qū)動渦輪機(jī)的，渦輪機(jī)使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。謎題的最后一個部分是核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量如何產(chǎn)生水蒸汽。燃料棒懸掛在水池中，水池裝在一個大金屬容器中，有點像一個巨大的壓力鍋。一個典型的“反應(yīng)堆容器”的直徑可能是15英尺，高度可能是20英尺，有些甚至要大得多。在某些類型的反應(yīng)堆中，水被保持在非常高的壓力下——大約為每平方英寸2000磅。在這種情況下，水不能膨脹，也不能沸騰。這種反應(yīng)器中的水帶走熱量，同時保留液體，然后熱量被轉(zhuǎn)移到另一個水系統(tǒng)，在那里發(fā)生沸騰。這種轉(zhuǎn)移發(fā)生在一個被命名為“蒸汽發(fā)生器”的裝置中，這種反應(yīng)堆被稱為“壓水反應(yīng)堆”（或“PWR”）。一個小型壓水堆可能有兩個蒸汽發(fā)生器，一個大的可能有四個，有些有三個。來自所有蒸汽發(fā)生器的蒸汽通常組合成一條“主蒸汽管線”，將蒸汽輸送至汽輪機(jī)，因此反應(yīng)堆和所有蒸汽發(fā)生器共同作為一個蒸汽源。冷凝器中的水直接泵入沸水堆的反應(yīng)堆容器，或壓水堆的蒸汽發(fā)生器。這就是：核反應(yīng)加熱燃料，燃料加熱水產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)電。