海洋科普 | 什么是核能？核能科学

核能是从原子核释放的一种能量形式，原子核由质子和中子组成。这种能量来源可以通过两种方式产生：裂变——当原子核分裂成几个部分时——或聚变——当原子核融合在一起时。

当今世界用于发电的核能是通过核裂变产生的，而聚变发电技术正处于研发阶段。本文将探讨核裂变。

什么是核裂变？

核裂变是一个原子核分裂成两个或多个更小的原子核，同时释放能量的反应。

例如，当被中子撞击时，铀 235 的原子核会分裂成两个较小的原子核，例如钡原子核和氪原子核以及两个或三个中子。这些额外的中子会撞击周围的其他铀 235 原子，这些原子也会分裂并产生额外的中子，产生倍增效应，从而在几分之一秒内产生连锁反应。

每次发生反应时，都会以热和辐射的形式释放能量。热量可以在核电站中转化为电能，类似于使用煤、天然气和石油等化石燃料产生的热量来发电。

核裂变(图片来源：A. Vargas/IAEA)

核电站是如何工作的？

在核电站内部，核反应堆及其设备包含并控制链式反应，最常见的燃料是铀 235，通过裂变产生热量。热量使反应堆的冷却剂(通常是水)变暖以产生蒸汽。然后将蒸汽引导至旋转涡轮机，激活发电机以产生低碳电力。

压水反应堆是世界上使用最多的反应堆。(图片：A. Vargas/国际原子能机构)

核电站是怎样发电的？（视频：海峡新干线）

铀的开采、浓缩和处置

铀是一种可以在世界各地的岩石中找到的金属。铀有几种天然存在的同位素，它们是质量和物理性质不同但化学性质相同的元素形式。铀有两种原始同位素：铀 238 和铀 235。铀 238 占世界铀的大部分，但不能产生链式裂变反应，而铀 235 可用于通过裂变产生能量，但占世界铀的不到 1%。

为了使天然铀更容易发生裂变，有必要通过称为铀浓缩的过程增加给定样品中铀 235 的含量。一旦铀被浓缩，它可以在发电厂中有效地用作核燃料三到五年，之后它仍然具有放射性，必须按照严格的指导方针进行处理，以保护人类和环境。用过的燃料，也称为乏燃料，也可以回收成其他类型的燃料，用作特殊核电站的新燃料。

其中，核燃料循环是什么？核燃料循环是一种工业过程，涉及在核动力反应堆中利用铀发电的多个步骤。这个循环从铀矿的开采开始，到核废料的处理结束。而核废料，指的是核电站的运行会产生具有不同放射性水平的废物。根据它们的放射性水平和目的，对它们进行不同的管理。放射性废物只占所有废物的一小部分。它是每年数百万次医疗程序、使用辐射的工业和农业应用以及产生全球约 11% 电力的核反应堆的副产品。下一代核电站，也称为创新型先进反应堆，产生的核废料将比今天的反应堆少得多。预计它们可能会在 2030 年之前投入建设。

核电与气候变化

核能是一种低碳能源，因为与煤、油或气发电厂不同，核电厂在运行期间实际上不产生CO2。核反应堆产生了世界上近三分之一的无碳电力，对于实现气候变化目标至关重要。

文章来源：原刊于“中国核技术网”，转载请注明原出处及由中国海洋发展研究中心编排