時(shí)事問答：核能的研究與開發(fā)

向微小的氫同位素微粒發(fā)射一組高功率激光器，你就可以啟動(dòng)核聚變，即類似于太陽產(chǎn)生動(dòng)力的過程。

美國國家點(diǎn)火設(shè)施（National Ignition Facility，世界上最大和最高能量的激光器）

我們能在可控的環(huán)境下創(chuàng)造多少能量？- 路易斯，9歲，馬薩諸塞州布魯克林市

在我們的頭頂上，有一個(gè)由大自然創(chuàng)造的強(qiáng)大能量源，即太陽。因?yàn)樘栯x我們有9300萬英里，所以只有太陽總能量輸出的十億分之一到達(dá)地球，創(chuàng)造了一個(gè)生命盛開的世界。太陽每秒鐘輻射到地球表面的能量，比2018年全年世界上所有電廠的總發(fā)電量還要多。

在地球上，人類主要通過采集搜集能量為機(jī)器提供動(dòng)力：例如，采集流水的能量，并在水力發(fā)電站將其轉(zhuǎn)換為電力。而為了創(chuàng)造能量，你必須將物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量（參考愛因斯坦質(zhì)能方程）。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

做到這一點(diǎn)的一個(gè)方法是分裂原子，原子是宇宙中所有物質(zhì)的基本構(gòu)成單位。這樣做在可控情況下，你可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的能量流。但如果失去控制，就會(huì)在核爆炸中一下子釋放大量的能量。

每個(gè)原子的核心，即原子核，是由更小的粒子，質(zhì)子和中子組成的。將原子核固定在一起的力量?jī)?chǔ)存了大量的能量。為了從原子核中獲得能量，科學(xué)家想出了一個(gè)將重原子分裂成輕原子的過程。因?yàn)檩^輕的原子不需要像重原子那樣多的能量將原子核固定在一起，能量以熱或光的形式釋放出來。這個(gè)過程被稱為核裂變。

當(dāng)一個(gè)原子被分裂時(shí)，一個(gè)連鎖反應(yīng)開始了。裂變的原子將引發(fā)另一個(gè)原子的裂變，以此類推。為了使連鎖反應(yīng)可控，科學(xué)家們開發(fā)了減緩分裂的方法，例如吸收一些分裂的粒子。

核能

核電站通過可控的分裂原子來獲取釋放的能量。世界上最大的核電站是日本的柏崎刈羽（Kashiwazaki-Kariwa）核電站。它由七個(gè)核反應(yīng)堆組成，最大容量約為8,000兆瓦。世界上最大的單一核反應(yīng)堆是中國泰山核電站的兩個(gè)反應(yīng)堆并列第一。泰山核電站每個(gè)反應(yīng)堆的容量為1,750兆瓦。

核電站利用核反應(yīng)加熱水，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

核管理委員會(huì)（Nuclear Regulatory Commission, CC BY）

這種電量比不受控制的核反應(yīng)比原子彈要小得多。如今，引爆一顆原子彈所輸出的能量相當(dāng)于柏崎刈羽核電站半年所產(chǎn)生的電力。

裂變的一個(gè)弊端是會(huì)產(chǎn)生核廢料。裂變的原子通常是不穩(wěn)定的，并釋放出危險(xiǎn)的輻射。核廢料需要妥善儲(chǔ)存多年。

核聚變展望

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了另一種類型的核反應(yīng)，一種產(chǎn)生能量而不產(chǎn)生核廢料的反應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)較輕的原子結(jié)合成一個(gè)重原子時(shí)，失去的質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)化為能量。這個(gè)過程被稱為核聚變。核聚變是太陽的核心中正在發(fā)生的反應(yīng)。每一秒鐘，太陽將大約6億噸氫燃燒成大約5.96億噸氦，產(chǎn)生的能量相當(dāng)于數(shù)萬億顆原子彈。

這幅剖面圖顯示了核聚變反應(yīng)堆核心的樣子。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）

然而，要在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變是非常困難的。核聚變只在極端條件下發(fā)生，如太陽的極高溫度和壓力?？茖W(xué)家們還沒有有效地證明產(chǎn)生的能量超過消耗的能量的可控核聚變，但他們正在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。一種方法是將高功率激光器從不同方向射向氫同位素的微點(diǎn)。

核聚變能源在未來將是一個(gè)有前途的能源解決方案。但是別忘了，我們的頭頂上有一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)堆，就是太陽。隨著太陽能效率的提高，我們甚至不需要?jiǎng)?chuàng)造能源，只需每天捕捉更多太陽給予我們的東西。

由于好奇心沒有年齡限制，所以哪怕你是成年人，也讓我們知道你的疑問。我們可能無法回答每一個(gè)問題，但我們會(huì)盡力而為。

相關(guān)知識(shí)

國家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）是一個(gè)基于激光的慣性約束核聚變（ICF）研究裝置，位于美國加利福尼亞州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室。NIF的任務(wù)是以高能量增益實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。它實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)科學(xué)上的收支平衡受控核聚變實(shí)驗(yàn)，能量增益為1.5。它通過研究物質(zhì)在核爆炸條件下的行為來支持核武器的維護(hù)和設(shè)計(jì)。

BY:Xuejian Wu

FY: Hans Wang

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