能源需求之下，核能会是终极解决方案吗？

文/观察未来科技

两百多年来，依靠化石燃料提供的能量，人类社会经济成就才得以在短时间内超过了由太阳直接提供能量的自然选择的生物作用。

不过，当地下化石燃料所蕴藏的能量无节制地释放到地球表面时，也同时导致了大气变暖。燃烧这些燃料所产生的熵副产品——二氧化碳和甲烷等气体则进一步加剧了大气变暖的趋势，并带来了众所周知的温室效应。

当前，人类社会正在寻求新能源的变革，毫无疑问，太阳能将是下一代能源的主力军。不过，在太阳能之外，核能带来的惊人力量也正在为人们所用。

核能的力量

在人类漫长的历史里，地球上的生命总是在不断进化，通过将太阳能转化为生物代谢能量为生命组织提供能量。实际上，生命可持续的一个重要因素就是能量来源，即太阳，是外在的、可依赖的、相对永恒的。

随着火的发明，这一持续进行的、不断进化的、准稳定的状态开始缓慢地发生变化。燃烧是释放木头中储存的太阳能的化学过程。再加上农业的诞生，向人类世的转变开始进行，人类从纯粹的生物体发展为目前的城市化社会经济生物，不再与自然世界保持内在均衡。

当然，农耕文明时代的能源变化依然是一个逐渐演化的过程，直到200年前，人类对煤炭和石油中储存的太阳能的利用才带来了能源领域革命性的变化。

从科学角度而言，工业革命的真正革命性特点，正是从开放系统到封闭系统的巨大转变，前者主要由太阳在外部提供能量，而后者则是由化石燃料在内部提供能量。这是一个根本性的系统改变，人类实现了从一个外部的、可靠的、可持续的能量来源向一个内部的、不可靠的、变化的能量来源的“升级”。

不过，在气候危机和资源枯竭下，化石燃料作为能源的时代正在落幕。随之而来的，是一个崭新的能源时代，由清洁的可再生能源来为社会生产和生活做保障，包括太阳能、风能等，以及核能——核能对于能源危机的影响甚至比太阳能、风能等可再生能源更深远。

核能又称“原子能”，是由原子核反应而释放的巨大能量，核能分为核裂变能和核聚变能，其中核裂变反应是由较重的原子核分裂成为较轻原子核的反应，核聚变反应则是由较轻原子核聚合成为较重原子核的反应。我们熟知的能量释放形式主要是机械能、化学能、电能等，但这些能量的释放，都只会在能量的形式上加以改变，而无法改变物质质量，核能则实现了这一特性。

核能的问世最早可以追溯到19世纪末，英国物理学家汤姆逊发现了电子，从而开启了属于核能发展的新篇章。1938年，德国科学家奥托·哈恩发现了核裂变现象。1942年12月2日，美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。核能无论在军事、航天，还是能源、工业领域都占有重要地位。

当第一颗原子弹爆炸时，《纽约时报》专栏作者威廉·劳伦斯写道：“一种被禁锢了千万年的自然力量从自身的桎梏中解放了出来”。要知道，核能的规模是燃烧化石燃料所释放的化学电磁能的100万倍，核反应过程涉及的能量也是数百万电伏级的，而不是像分子化学反应所产生的普通电伏级的能量。

这使得开发利用核能变得极具吸引力——同样数量的物质能够从原子核产生100万倍于从分子中产生的能量。因此，与其每年用500加仑汽油来驱动的汽车，还不如使用区区几克核燃料，其大小相当于一片药片。

能源需求的终极解决方案

核能可以通过核裂变、核聚变以及核衰变这三种形式释放能量。

其中，核聚变更是被认为是能源需求的终极解决方案。要知道，核裂变的效率已经很高，1克的铀235裂变出的能量大概相当于1.8吨的汽油。而用1克的氢或者氢的同位素氘和氚进行聚变，则可以释放出的能量相当于8吨汽油。

简单计算一下就能看出核聚变的潜力：当两个氘（重氢）原子发生聚变形成一个氦原子的时候，其静止质量的0.006 4（接近1%）会转变成能量。假设这些能量全部转换成氦原子的动能（运动的能量），那这个氦原子将能以大约1/10的光速向前运动。这意味着，如果人类能把所有氘燃料的聚变能转换成太空船的有序运动，那么人类将可能把太空船的速度提高到光速的1/10左右。

并且，核聚变的原料也非常丰富。核聚变用的燃料主要是氘和氚，这两种元素海水里面多的是，一升海水里面产生的氘和氚，核聚变产生的能量相当于300升汽油——假如把整个大海里所有的氢的同位素都拿过来聚变的话，这个能量大概相当于世界石油储量的1000亿倍，可以供人类使用几百亿年。

核聚变还有一个好处，就是安全、清洁。由于核聚变的反应条件十分苛刻，必须高温高压高密度，一旦发生泄漏，也不必害怕，因为只要一停机，聚变反应就停止了，而且氘和氚虽然也具有放射性，但放射性半衰期只有12年。

发展地球上受控核聚变发电站的研发工作肇始于20世纪50年代，而其最终完成应该也不会早于21世纪50年代。究其原因，可控核聚变的难点在于，如何在约1亿开尔文的温度下——比太阳中心还热很多——约束正在聚变的带电等离子体。研究人员通常利用磁场来约束和悬浮反应堆内的等离子体。但是由于等离子体非常不稳定，使其约束变得极为困难，以至于到目前为止聚变反应还无法维持足够长的时间，无法实现能量输出大于输入。

就在进入21世纪前，甚至只有国家运行的项目才能调集各种资源。核聚变研究的规模从当今世界最大的聚变计划ITER（国际热核聚变实验堆）中可见一斑。ITER是一个在法国南部建造的聚变反应堆，由中国、欧盟成员国、美国、俄罗斯、韩国和日本等35个国家出资建造，造价至少达220亿美元。

尽管首次试运行定于2025年，但完全的氘氚聚变还要等到2035年，ITER的最终目标是以50兆瓦的输入功率，从反应堆持续获得500兆瓦的输出功率——相当于一个中型燃煤电厂的规模。

不过，在选择发展核能发电站还是化石燃料发电站时，还必须考虑人们对造成灾难性后果的风险和长期以来许多危害较小的风险的不同态度。

1986年，切尔诺贝利事故是人类历史上核能使用的一场巨大惨剧，也是首例被国际核事件分级表评为第七级事件的特大事故，至今仍伴随恐惧与悲痛保留在许多人的记忆之中。切尔诺贝利事故，是反应堆存在设计缺陷和操作人员违反程序的双重原因叠加导致的，导致大量的放射性物质经由大气传播，弥漫扩散到整个欧洲，影响了数以百万计人群的正常生活。

除了事故本身带来的灾难性后果，随之半个世纪甚至更久的世界性核恐慌，也严重限制了人类科技事业的发展。人类的情感特性导致大多数人对于恐惧或未知的事物会格外敏感，而社会信息不对称下的集体恐慌更加剧了人们谈“核”色变的程度。

但总的来说，核能是人类历史上一项伟大的发现，它指引人类在新能源领域进一步的开拓。未来世界的能源结构必将向可再生能源过渡。尽管近年来，核事故对于全球核电发展产生了一系列影响，但人类的前进脚步已经无法后退，我们只能寄希望于核能发展领域的稳健、安全、规模发展，这也是人类迈向未来的理性选择。

核裂变电站到核聚变电站，是一个必然的科技发展方向，被历史洪流不断地推进，世界各国需要梳理新的能源安全观，坚持全人类、共命运的发展基调，合作共赢，科学地推进能源结构的升级优化。