深入浅出说能源（十一）
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（全文字数：1873字，阅读完大约需要6分钟）
哥哥姐姐弟弟妹妹们，大家好，我是王同学。
接上篇
01 | 关于核裂变
目前国际上还没有商用的核聚变反应发电站，运行的都是核裂变电站。
核裂变的原料主要是铀-235，它产生的热量比燃烧化石燃料所释放出的能量高出百万倍。这种资源分布相对集中，澳大利亚，哈萨克斯坦，俄罗斯分布最多，中国排世界第十，排名前十的国家垄断了全球88%的铀资源。哈萨克斯坦是世界上最大的铀生产国。全球的核燃料资源相当于全部化石能源的十倍。
核能发电的原理是，利用铀燃料进行核分裂链式反应，产生热量，热量将水加热升温，产生水蒸气，推动汽轮发电机发电。
核电站一般分为两大部分——核岛和常规岛。前者是利用原子核裂变的热产生蒸汽，包括核反应堆装置和回路系统。后者利用蒸汽发电，包括汽轮发电机系统，这个部分和普通火力发电没有太大区别，所以，核电发展主要取决于核反应堆。
1942年，美国大物理学家费米在芝加哥大学建造了第一个反应堆——由石墨和铀堆积而成，所以被称为反应堆。后来，虽然把石墨换成了水，但是名字依然没有改变，目前核反应堆主要包括压水堆和沸水堆两种。
所谓压水堆，就是采用高压水来冷却核燃料的一种反应堆。第一步，燃料用的是二氧化铀陶瓷块，这个陶瓷块儿本身可以防止放射性物质外逸，形成了第一道安全屏障。第二步，把这些铀块儿重叠在锆合金管内封闭，形成铀棒，锆合金管形成第二道安全屏障。第三步，若干根铀棒排列后形成燃料元件，若干燃料元件构成整个堆芯，放在反应堆压力容器内，压力容器也可以防止放射性物质外泄，形成第三道屏障。第四步，安全壳厂房是压水堆的第四道安全屏障，也是最后一道。
利用慢中子撞击铀-235，使原子核分裂产生快中子，分裂产物以及能量，分裂后产生的快中子经混合剂称为慢中子，再去撞击另一个原子核，造成核分裂链式反应[1]。反应堆中的铀-235含量只有2%~4%是低浓缩铀，原子弹用的是90%以上的高浓缩铀，所以不用担心核电站像原子弹一样爆炸。
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沸水堆，就使用沸腾的水来冷却核燃料的反应堆。它最终会形成蒸汽和水的混合物，需要将两者分离。
其中，压水堆的各个零部件耐高压要求要更高，技术性能和造价都要高，当然，安全性也要更高。中国目前基本都采用压水堆，除了极少数。之前出问题的日本福岛核电站用的是沸水堆。
当前核电发展的主要障碍有两点，第一，安全，第二，核废料处理。
2011年日本福岛核泄漏事故之后，核电站世界总装机容量比重持续下降。瑞士，德国，意大利等国先后宣布放弃发展核电，还有一些国家虽然没有放弃，但是都宣布会在更高安全标准下继续发展核电。
后来，全世界每年都对能源有进一步的需求，同时环境保护压力不断增加。越来越多的国家最近又逐渐开工建设新的核电机组。世界核电逐步回升，预计未来将会持续增长。其中，中国是增长最快的国家。
至于核废料处理，核电站会将废弃物分等级，低等级的收集起来让它缓慢衰变，放射性强一点的就需要沥青化或水泥化，之后埋入浅层地表。放射性最强的需要玻璃化或陶瓷化，埋入深层地下。
02 | 关于核聚变
核聚变是核裂变相反的核反应形式。一般在超高温和高压下发生原子核相互聚合作用，并释放巨大能量。
核裂变需要的反应条件比较弱，常温自然条件下，天然铀矿就会发生衰变，但是核聚变的条件就非常苛刻，需要瞬间上亿度的高温才能引起核聚变反应，传统的加热方式完全无法达到。目前人类已经掌握了不受控制的核聚变，比如说，氢弹爆炸，在其内部有一个小型核弹，利用核弹爆炸得到超高温度。
通常有三种方式可以实现核聚变。
第一，重力场约束; 第二，激光约束（惯性约束）; 第三，磁约束。
其中，后两者比较有希望，尤其是第三种方式中的托卡马克。
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前一段时间美国的实验室利用的就是第二种方式，192台激光器照射氢燃料球，加热到一亿度以上，同时施加1000亿倍大气压，使氢原子核克服库伦力聚合，产生质量亏损，继而释放能量。美国的牛就牛在，输出的能量大于输入的能量。整体而言，美国核聚变的技术更精准，中国的规模更大，基建狂魔再加上砸了不少钱，但整体上比美国略逊一筹。
当然目前美国也仅限于实验阶段，根本无法进行商用，很多人在那里喊沙特破产了，海湾国家破产了，这就有点瞎带节奏。我们需要的是长期持续关注，一旦可控核聚变可以投入商用，人类就会实现无限能源。长远来看，核能是化石能源之后的主要能源，人类终将从石油文明走向核能文明。
未完。
自知，重基础，专心致志
王同学
2023.4.1
[1] 通常会在反应堆的漫画集中添加硼，并使用控制棒吸收堆芯中的中子，以控制和分裂速度。
