核聚变和核裂变有何区别?核物理学家解释
在全球范围内,核能发电量约占总发电量的10%。在法国等一些国家,这一数字接近70%。谷歌等大型科技公司也正在转向核能来满足其数据中心巨大的电力需求。
所有核能的来源都是原子的结合能。储存在原子中的能量可以通过两种主要方式释放:裂变或聚变。裂变涉及将大而重的原子分裂成更小、更轻的原子。聚变涉及将小原子结合在一起形成更大的原子。
这两种过程都会释放大量能量。例如,铀同位素 U235(通常用作大多数发电厂的燃料)的一次核裂变衰变产生的能量是最纯煤每次化学反应产生的能量的 600 多万倍。这意味着它们是发电的绝佳过程。
什么是裂变?
核裂变是当今所有核电站的核反应过程。当一种名为中子的微小亚原子粒子撞击铀原子时,铀原子就会分裂,从而释放出更多中子,这些中子继续与其他原子碰撞,引发核链式反应。这反过来又释放出巨大的能量。
为了将这种能量转化为电能,需要安装热交换器,将水转化为蒸汽,驱动涡轮机发电。
可以通过抑制中子供应来控制裂变反应。这是通过插入吸收中子的“控制棒”来实现的。从历史上看,切尔诺贝利等核事故就是在控制棒无法接合并抑制中子供应,和/或冷却剂循环失败时发生的。
所谓的“第三代”设计改进了早期的设计,加入了被动或固有安全功能,无需主动控制或人工干预即可避免发生故障时发生事故。这些功能可能依赖于压差、重力、自然对流或材料对高温的自然反应。
第一座第三代反应堆是日本的柏崎6号和7号先进沸水反应堆。
核裂变尚未解决的一个难题是,反应副产物在很长一段时间内(大约数千年)都具有放射性。如果经过再加工,燃料源和废料也可用于制造核武器。
裂变发电是一种经过验证的技术。它还可以从大型反应堆(最大的是日本 7.97 千兆瓦的柏崎刈羽核电站)扩展到小型到中型反应堆,这些反应堆可产生约 150 兆瓦的电力,用于船舶或核潜艇。这些反应堆将为澳大利亚与英国和美国达成的三边安全伙伴关系承诺的八艘核潜艇提供动力。
什么是融合?
聚变是太阳和恒星产生能量的过程。它是裂变的反过程。聚变发生在原子融合在一起时。
实验室中最容易引发的反应是氢、氘和氚同位素的聚变。每单位质量,该反应产生的能量是 U235 裂变的 4 倍。
燃料离子氘在地球和宇宙中极为丰富。氚具有放射性,半衰期为 12 年,因此在地球上非常稀有。宇宙已有 138 亿年历史;自然界中发现的轻核(氢、氦和锂)的唯一同位素就是那些在这些时间尺度上稳定的同位素。
在核聚变发电厂中,氚的制造需要使用“锂毯”。锂毯是一层固体锂壁,核聚变中子在其中减速,最终发生反应形成氚。
然而,目前科学家很难在实验室外制造聚变反应。这是因为聚变需要极高的温度条件:最佳条件是 1.5 亿摄氏度。
在这些温度下,燃料离子处于等离子状态,电子和(核)离子分离。这个过程的副产品不是放射性的,而是惰性气体氦。
展示持续聚变的领先技术路径被称为“环形磁约束”。这是将等离子体在极端温度下约束在一个非常大的环形磁瓶中。
与核裂变不同,这种技术路线需要持续的外部加热才能达到聚变条件,并且需要强大的约束场。终止其中之一,反应就会停止。挑战不在于不受控制的熔化,而是让反应完全发生。
环形磁约束聚变的一个主要未解决的挑战是演示燃烧自热等离子体,这吸引了大部分研究兴趣。此时反应本身产生的加热功率是主要的。这是由公共资助的跨国ITER 项目(世界上最大的聚变实验)和由私人资助的麻省理工学院 SPARC 实验的目标。
然而,大部分科学界的共识是,核聚变至少要到 2050 年才能实现商业化。
气候解决方案?
人们经常问我核能能否拯救地球免受气候变化的影响。我有很多气候科学领域的同事,我已故的妻子也是一位知名的气候科学家。
科学证据明确:阻止气候变化已经太迟了。世界需要尽一切努力减少二氧化碳排放,将灾难性损失降到最低,而且早在几十年前就应该这么做了。
对于地球而言,裂变是全球解决方案的一部分,同时广泛推广和采用风能、太阳能等可再生能源。
从更长远的角度来看,人们希望核聚变能取代核裂变。核聚变燃料供应量更大,而且分布广泛,废物问题在数量和时间尺度上要小几个数量级,而且该技术无法武器化。
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