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2023-01-31
核能之能，會是能源需求的終極解決方案嗎？
更新時間：2022-08-27 15:20:14作者：未知
圖片來源@視覺中國
文 | 觀察未來科技
兩百多年來，依靠化石燃料提供的能量，人類社會經濟成就才得以在短時間內超過了由太陽直接提供能量的自然選擇的生物作用。
不過，當地下化石燃料所蘊藏的能量無節(jié)制地釋放到地球表面時，也同時導致了大氣變暖。燃燒這些燃料所產生的熵副產品——二氧化碳和甲烷等氣體則進一步加劇了大氣變暖的趨勢，并帶來了眾所周知的溫室效應。
當前，人類社會正在尋求新能源的變革，毫無疑問，太陽能將是下一代能源的主力軍。不過，在太陽能之外，核能帶來的驚人力量也正在為人們所用。
核能的力量
在人類漫長的歷史里，地球上的生命總是在不斷進化，通過將太陽能轉化為生物代謝能量為生命組織提供能量。實際上，生命可持續(xù)的一個重要因素就是能量來源，即太陽，是外在的、可依賴的、相對永恒的。
隨著火的發(fā)明，這一持續(xù)進行的、不斷進化的、準穩(wěn)定的狀態(tài)開始緩慢地發(fā)生變化。燃燒是釋放木頭中儲存的太陽能的化學過程。再加上農業(yè)的誕生，向人類世的轉變開始進行，人類從純粹的生物體發(fā)展為目前的城市化社會經濟生物，不再與自然世界保持內在均衡。
當然，農耕文明時代的能源變化依然是一個逐漸演化的過程，直到200年前，人類對煤炭和石油中儲存的太陽能的利用才帶來了能源領域革命性的變化。
從科學角度而言，工業(yè)革命的真正革命性特點，正是從開放系統(tǒng)到封閉系統(tǒng)的巨大轉變，前者主要由太陽在外部提供能量，而后者則是由化石燃料在內部提供能量。這是一個根本性的系統(tǒng)改變，人類實現了從一個外部的、可靠的、可持續(xù)的能量來源向一個內部的、不可靠的、變化的能量來源的“升級”。
不過，在氣候危機和資源枯竭下，化石燃料作為能源的時代正在落幕。隨之而來的，是一個嶄新的能源時代，由清潔的可再生能源來為社會生產和生活做保障，包括太陽能、風能等，以及核能——核能對于能源危機的影響甚至比太陽能、風能等可再生能源更深遠。
核能又稱“原子能”，是由原子核反應而釋放的巨大能量，核能分為核裂變能和核聚變能，其中核裂變反應是由較重的原子核分裂成為較輕原子核的反應，核聚變反應則是由較輕原子核聚合成為較重原子核的反應。我們熟知的能量釋放形式主要是機械能、化學能、電能等，但這些能量的釋放，都只會在能量的形式上加以改變，而無法改變物質質量，核能則實現了這一特性。
核能的問世最早可以追溯到19世紀末，英國物理學家湯姆遜發(fā)現了電子，從而開啟了屬于核能發(fā)展的新篇章。1938年，德國科學家奧托·哈恩發(fā)現了核裂變現象。1942年12月2日，美國芝加哥大學成功啟動了世界上第一座核反應堆。核能無論在軍事、航天，還是能源、工業(yè)領域都占有重要地位。
當第一顆原子彈爆炸時，《紐約時報》專欄作者威廉·勞倫斯寫道：“一種被禁錮了千萬年的自然力量從自身的桎梏中解放了出來”。要知道，核能的規(guī)模是燃燒化石燃料所釋放的化學電磁能的100萬倍，核反應過程涉及的能量也是數百萬電伏級的，而不是像分子化學反應所產生的普通電伏級的能量。
這使得開發(fā)利用核能變得極具吸引力——同樣數量的物質能夠從原子核產生100萬倍于從分子中產生的能量。因此，與其每年用500加侖汽油來驅動的汽車，還不如使用區(qū)區(qū)幾克核燃料，其大小相當于一片藥片。
能源需求的終極解決方案
核能可以通過核裂變、核聚變以及核衰變這三種形式釋放能量。
其中，核聚變更是被認為是能源需求的終極解決方案。要知道，核裂變的效率已經很高，1克的鈾235裂變出的能量大概相當于1.8噸的汽油。而用1克的氫或者氫的同位素氘和氚進行聚變，則可以釋放出的能量相當于8噸汽油。
簡單計算一下就能看出核聚變的潛力：當兩個氘（重氫）原子發(fā)生聚變形成一個氦原子的時候，其靜止質量的0.006 4（接近1%）會轉變成能量。假設這些能量全部轉換成氦原子的動能（運動的能量），那這個氦原子將能以大約1/10的光速向前運動。這意味著，如果人類能把所有氘燃料的聚變能轉換成太空船的有序運動，那么人類將可能把太空船的速度提高到光速的1/10左右。
并且，核聚變的原料也非常豐富。核聚變用的燃料主要是氘和氚，這兩種元素海水里面多的是，一升海水里面產生的氘和氚，核聚變產生的能量相當于300升汽油——假如把整個大海里所有的氫的同位素都拿過來聚變的話，這個能量大概相當于世界石油儲量的1000億倍，可以供人類使用幾百億年。
核聚變還有一個好處，就是安全、清潔。由于核聚變的反應條件十分苛刻，必須高溫高壓高密度，一旦發(fā)生泄漏，也不必害怕，因為只要一停機，聚變反應就停止了，而且氘和氚雖然也具有放射性，但放射性半衰期只有12年。
發(fā)展地球上受控核聚變發(fā)電站的研發(fā)工作肇始于20世紀50年代，而其最終完成應該也不會早于21世紀50年代。究其原因，可控核聚變的難點在于，如何在約1億開爾文的溫度下——比太陽中心還熱很多——約束正在聚變的帶電等離子體。研究人員通常利用磁場來約束和懸浮反應堆內的等離子體。但是由于等離子體非常不穩(wěn)定，使其約束變得極為困難，以至于到目前為止聚變反應還無法維持足夠長的時間，無法實現能量輸出大于輸入。
就在進入21世紀前，甚至只有國家運行的項目才能調集各種資源。核聚變研究的規(guī)模從當今世界最大的聚變計劃ITER（國際熱核聚變實驗堆）中可見一斑。ITER是一個在法國南部建造的聚變反應堆，由中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本等35個國家出資建造，造價至少達220億美元。
盡管首次試運行定于2025年，但完全的氘氚聚變還要等到2035年，ITER的最終目標是以50兆瓦的輸入功率，從反應堆持續(xù)獲得500兆瓦的輸出功率——相當于一個中型燃煤電廠的規(guī)模。
不過，在選擇發(fā)展核能發(fā)電站還是化石燃料發(fā)電站時，還必須考慮人們對造成災難性后果的風險和長期以來許多危害較小的風險的不同態(tài)度。
1986年，切爾諾貝利事故是人類歷史上核能使用的一場巨大慘劇，也是首例被國際核事件分級表評為第七級事件的特大事故，至今仍伴隨恐懼與悲痛保留在許多人的記憶之中。切爾諾貝利事故，是反應堆存在設計缺陷和操作人員違反程序的雙重原因疊加導致的，導致大量的放射性物質經由大氣傳播，彌漫擴散到整個歐洲，影響了數以百萬計人群的正常生活。
除了事故本身帶來的災難性后果，隨之半個世紀甚至更久的世界性核恐慌，也嚴重限制了人類科技事業(yè)的發(fā)展。人類的情感特性導致大多數人對于恐懼或未知的事物會格外敏感，而社會信息不對稱下的集體恐慌更加劇了人們談“核”色變的程度。
但總的來說，核能是人類歷史上一項偉大的發(fā)現，它指引人類在新能源領域進一步的開拓。未來世界的能源結構必將向可再生能源過渡。盡管近年來，核事故對于全球核電發(fā)展產生了一系列影響，但人類的前進腳步已經無法后退，我們只能寄希望于核能發(fā)展領域的穩(wěn)健、安全、規(guī)模發(fā)展，這也是人類邁向未來的理性選擇。
核裂變電站到核聚變電站，是一個必然的科技發(fā)展方向，被歷史洪流不斷地推進，世界各國需要梳理新的能源安全觀，堅持全人類、共命運的發(fā)展基調，合作共贏，科學地推進能源結構的升級優(yōu)化。