假如要说未来世界中人们最常使用的能源,核能很有可能会排在第一位。因为它似乎是大多数人能想到的、能量密度最大的能源形式了。核电站,没什么高深的就是用铀238放入水里,用X射线等射线激活点火,这个跟点燃柴火一样。加热水产生能量,而后带动发电机发电。其实跟老百姓烧柴火烧水一样。只不过用的是铀238。核电站也不是无限能源的。当铀238能量耗尽时,必须更换铀238。
似乎只有核能才可以使一个相对较小的能源核心产生巨大的能量,从而同时满足便携和长久续航两大需求。
科幻作品中的机器和人物经常使用核动力,比如,《普罗米修斯》中的飞船,《环太平洋》中的巨型战斗机器人,还有《钢铁侠》的战甲,似乎只要加上核动力几个字,能源问题就迎刃而解了。 (《环太平洋》中的机甲“危险流浪者”号是核动力驱动的) 显然核能和“高科技”密不可分,但是核电站到底是怎么发电的,可能大家还不太清楚。说起来也很简单:通过核反应堆发热,“烧开水”驱动电机发电。 但要讲清楚核电站的这壶“开水”到底是怎么烧的,还是要理解核电站的基本原理。 首先,需要明确的是,核电站是靠核裂变发电的,而“核裂变”是指由质量较大的原子核(主要是指铀核或钚核)分裂成两个或多个质量较小原子的一种核反应形式。 (铀矿石在紫外线照射下会发出黄绿色光芒) 人类发现,比较合适的核裂变材料是铀,当铀-235的原子核受到外来中子轰击时,一个原子核会吸收一个中子并分裂成两个质量较小的原子核,同时放出2-3个中子,这些中子又去轰击另外的铀-235原子核,引起新的裂变,如此引发雪崩一般的反应,这就是裂变的链式反应。 当铀发生裂变反应时,质量会产生亏损,根据质能方程的公式E=MC²,(能量=质量X光速的平方),即便是很小的质量损耗,也会释放出巨大的能量。一克铀完全裂变所释放的能量大约相当于2.8吨标准煤燃烧所释放的热量。尽管在现实条件中,核裂变产生的能量达不到理论值,但还是远远超过同时期的其他化石能源了。 (质能方程式是人类利用核能的理论基础) 接下来要解决的问题是,让核能可控。假如不对核裂变进行控制,任由雪崩式的裂变反应不断进行下去,显然是极其危险的,想想原子弹就知道效果了。好在人们通过慢化剂、控制棒、冷却剂、防护装置等一系列装置实现了可控的核裂变反应。
(核反应堆内部示意图) 只有当核反应被控制在安全范围内后,才真正进入“烧开水”的环节。堆芯产生大量的热,就像是一个巨大的“热得快”加热器,循环冷却水经过堆芯加热,通过管道把热能带出,再由蒸汽发生器产生高温高压蒸汽,推动汽轮机旋转,从而产生电能。 (市民们参观核电站反应堆模型) 而且,核能“烧开水”的余热还可能发挥其他的作用。在我国山东省海阳市,就建成了一个面积达450万平方米的核能供热项目。 所谓的核能供热,是指从核电机组抽取蒸汽作为热源,再通过换热站,在物理隔绝的情况下,先后进行五次热量交换,最终通过市政供热管网,将热量送到用户家中。与天然气或煤炭供热相比,核能供热避免了二氧化碳的排放,实现了真正的“零碳供暖”,当地一个供暖季大约能减少原煤消耗10万吨。 由此可见,虽然和其他采用化石燃料的发电厂一样,都是“烧开水”发电,核电站的技术内核是大不一样的,它的发电效率更高,消耗资源更少,碳排放量更低,更加清洁,是值得期待的能源方案。 |
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