編輯 | 角落

核能又稱(chēng)原子能，是利用原子核發(fā)生變化釋放的能量。核能是人類(lèi)歷史上的一項(xiàng)偉大的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于人類(lèi)的軍事和生活許多領(lǐng)域。從地球上能源使用的清潔角度來(lái)說(shuō)，只要不發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害和核泄露，核能還是目前世界上最清潔的能源之一。

目前，人類(lèi)獲取核能的方式主要有兩種：重核裂變和輕核聚變。簡(jiǎn)單來(lái)講，核裂變就是利用帶有一定能量的中子轟擊較重的原子核，重核會(huì)分裂成兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)還能放出中子和一定的能量。

核聚變就是讓兩個(gè)比較輕且速度超高的原子核相撞然后發(fā)生聚合，變成一個(gè)較重原子核并放出能量的過(guò)程。

核能是少有的不依賴(lài)于太陽(yáng)的能源來(lái)源。就拿最常見(jiàn)的氘氚二核的聚變舉例。

在地球上，海水中氘的含量為十萬(wàn)分之三，即1升海水中含有0.03克氘，所以海水里大約有40萬(wàn)億噸的氘。但是與氫、氘相比，氚在自然界中少得可憐，但可以采用中子轟擊鋰制備氚；當(dāng)然，也貴的要死。（此次日本擬向太平洋排放的核廢水中就含有大量的氚）。

目前所用的氘核聚變，主要應(yīng)用氘氚二核的聚變反應(yīng)，如以下公式所示：

則一個(gè)氚核和一個(gè)氘核聚變，會(huì)生成一個(gè)氦核和一個(gè)中子，同時(shí)放出約17.58MeV的能量。

一個(gè)氘核的質(zhì)量約為2.014u，一個(gè)氚核的質(zhì)量約為3.018u，1u約為1.66*e^-24g。那么1g氘核：氚核反應(yīng)物中大約各有1.2*e^23個(gè)氘核及氚核。則對(duì)1g氚和氘，則能夠釋放出17.58*1.2*e^23MeV約為2.1*e^24MeV的能量。

關(guān)于能量的單位，'MeV'和'焦耳'之間滿(mǎn)足以下?lián)Q算關(guān)系：

所以，最后可以得到，1g氘和氚完全聚變大約能釋放出3.36*e^11焦耳能量。

再看看核裂變，以鈾235舉例。假設(shè)鈾235裂變產(chǎn)物為鍶和氙，反應(yīng)方程如下：

同時(shí)，鈾235裂變還會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)中子，以及差不多200MeV的能量。一個(gè)鈾235的質(zhì)量約為235u，那么1g鈾235中大約有2.56*e^21個(gè)核子。則對(duì)于1g鈾235，則能夠釋放出200*2.56*e^21MeV約為5.12*e^23MeV的能量，大約為8.19*e^10焦耳。

我們可以查到，1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所釋放的熱量為2.93*e^7焦耳，也就是說(shuō)2.8噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所釋放的熱量量才等于一克鈾235完全裂變所釋放的能量。如果把對(duì)比物換成木柴就更令人咋舌了，需要將近7噸的木柴完全燃燒才能夠等同于一克鈾235完全裂變所釋放的能量。

可以看到核裂變釋放的能量是巨大的，一座普通的核電廠(chǎng)，一年只需幾噸鈾-235材料，就能滿(mǎn)足全年的發(fā)電需求。比如我國(guó)秦山核電站，年發(fā)電量約500億千瓦時(shí)，每年消耗的鈾-235在5噸左右，對(duì)應(yīng)的高濃縮鈾體積大約是1/4立方米，但是核電廠(chǎng)采用的是低濃縮鈾。但是從質(zhì)能轉(zhuǎn)化上看，核裂變的質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率是很低的，一克鈾-235釋放能量8.2*10^10焦耳，虧損質(zhì)量可以根據(jù)質(zhì)能方程得出：

虧損率為：

而氫元素的核聚變反應(yīng)中，質(zhì)量虧損率為0.7%，效率比核裂變高了十多倍；鈾-235在地殼中的含量非常有限，但是氫的同位素在海水中大量存在，這也是各國(guó)著重研究可控核聚變的原因。

地球上的鈾是不可再生的，用一點(diǎn)就少一點(diǎn)。目前全世界已探明的鈾大概是700多萬(wàn)噸，其中鈾235的占比約為0.7%，如果按照目前人類(lèi)的平均使用量來(lái)計(jì)算，那么這些鈾礦中的鈾235只夠支持人類(lèi)使用80年左右。人類(lèi)又對(duì)鈾238打起了主意（鈾238的占比約為99.3%），提出了“快中子增殖反應(yīng)堆”技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)講，這種技術(shù)就是將一個(gè)中子打進(jìn)鈾238的原子核，然后鈾238就會(huì)變成容易發(fā)生核裂變的钚239，這樣就可以用于后續(xù)的核能發(fā)電了。

根據(jù)科學(xué)家的估算，在“快中子增殖反應(yīng)堆”技術(shù)成熟之后，人類(lèi)對(duì)鈾的使用率可以提高50倍，據(jù)此我們可以樂(lè)觀(guān)地估計(jì)，地球上已探明的鈾足夠人類(lèi)使用4000年左右，當(dāng)然了，如果加上未探明的鈾，這個(gè)時(shí)間還應(yīng)該再長(zhǎng)一些。以上所述只是地球陸地上的情況，實(shí)際上，在地球海洋中的鈾儲(chǔ)量更加可觀(guān)，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，平均每升海水中就含有3.3微克的鈾（主要以三碳酸鈾酰絡(luò)離子的形式存在于海水中），其總量高達(dá)42.9億噸。

可以想象的是，假如人類(lèi)在未來(lái)能夠掌握從海水中大量提取鈾的方法，地球上的鈾就足夠人類(lèi)使用好幾萬(wàn)年，甚至好幾十萬(wàn)年。但是，從人類(lèi)文明發(fā)展的角度來(lái)看，地球上的鈾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，正因?yàn)槿绱?，我們才期待著更高階的核能——可控核聚變。與核裂變相比，核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換率提高了大約518.5%，并且核聚變所需要的燃料是氫，而氫是宇宙中豐度第一的元素，占據(jù)了宇宙質(zhì)量的73.9%（這里的質(zhì)量單指普通物質(zhì)，不含暗能量和暗物質(zhì)），對(duì)于人類(lèi)而言，氫元素幾乎可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。

參考來(lái)源：中科院物理所公眾號(hào) 搜狐網(wǎng)