核聚变与裂变：物理学家解释差异

在全球范围内，核电占约占发电量的 10%.在一些国家，如法国，这个数字接近 70%。

谷歌等大型科技公司是也转向核电满足巨大的电力需求的数据中心。

所有核能的来源都是原子的结合能。原子中储存的能量可以通过两种主要方式释放：裂变或融合。裂变涉及将大的重原子分裂成更小、更轻的原子。聚变涉及将小原子组合成更大的原子。

这两个过程都会释放大量能量。例如，铀235（一种铀的同位素，通常用作大多数发电厂的燃料）的一次核裂变衰变，每次化学反应产生的能量是最纯净的煤的 600 多万倍。

这意味着它们是很好的发电过程。

什么是裂变？

裂变是当今每座运行中的核电站背后的过程。当一个称为中子的微小亚原子粒子撞击铀原子并将其分裂时，就会发生这种情况。

这会释放出更多的中子，这些中子继续与其他原子碰撞，引发核链式反应。这反过来又释放了大量的能量。

为了将这种能量转化为电能，安装了热交换器，将水转化为蒸汽，驱动涡轮机发电。

裂变反应可以通过抑制中子的供应来控制。这是通过插入吸收中子的“控制棒”来实现的。

从历史上看，核事故如切尔诺贝利当控制棒无法接合并淬灭中子供应，和/或冷却剂循环失败时，就会发生。

所谓的“第三代”设计通过结合被动或固有安全功能来改进早期设计，这些功能不需要主动控制或人工干预，以避免在发生故障时发生事故。这些特征可能依赖于压差、重力、自然对流或材料对高温的自然响应。

第一代第三代反应堆是日本柏崎 6 号和 7 号先进沸水反应堆.

裂变的一个未解决的挑战是，反应的副产物在很长一段时间内都具有放射性，大约数千年。如果再加工，燃料源和废料也可以用于制造核武器。

裂变动力是一项经过验证的技术。它还可以从大规模（最大的是日本 7.97 吉瓦的柏崎刈羽核电站）扩展到产生约 150 兆瓦电力的中小型反应堆，如在船舶或核潜艇上使用。

这些反应堆将为澳大利亚承诺的八艘核潜艇提供动力作为三边安全伙伴关系的一部分与英国和美国。

什么是融合？

聚变是为太阳和恒星提供动力的过程。这是与裂变相反的过程。当原子融合在一起时，就会发生这种情况。

在实验室中最容易引发的反应是氢、氘和氚同位素的聚变。每单位质量，反应产生的能量是 U235 裂变的 4 倍。

燃料离子氘在地球和宇宙中都非常丰富。氚具有放射性，半衰期为 12 年，因此在地球上非常罕见。

宇宙有 138 亿年的历史;在自然界中发现的唯一轻原子核（氢、氦和锂）同位素是在这些时间尺度上稳定的同位素。

在聚变功率工厂中，氚将使用“锂毯”制造。这是一个坚固的锂壁，其中聚变中子减慢并最终反应形成氚。

然而，目前科学家很难在实验室之外创建聚变反应。这是因为它需要极热的条件才能聚变：最佳条件是 1.5 亿摄氏度。

在这些温度下，燃料离子以等离子体状态存在，其中电子和（核）离子解离。这个过程的副产品不是放射性的;相反，它是氦气，一种惰性气体。

证明持续聚变的领先技术路径称为“环形磁约束”。此时，等离子体被限制在一个非常大的甜甜圈形磁性瓶中，处于极端温度下。

与裂变不同，该技术路径需要持续的外部加热才能达到聚变条件和强围限场。终止任一反应，反应停止。

挑战不是不受控制的崩溃，而是让反应发生。

环形磁约束聚变的一个未解决的主要挑战吸引了大多数研究兴趣，是燃烧自热等离子体的证明。这是当反应本身产生的热能是主要的时。这就是公共资助的跨国公司的目标ITER 项目，世界上最大的聚变实验，以及私人资助的麻省理工学院的 SPARC 实验.

然而，许多科学界的共识是，聚变在商业上是不可行的至少到 2050 年.

气候解决方案？

经常有人问我，核能是否可以拯救地球气候变化.我在气候科学方面有很多同事，事实上，我已故的妻子也是一位备受瞩目的气候科学家。

科学很明确：阻止气候变化为时已晚。世界需要尽一切努力减少二氧化碳排放并最大限度地减少灾难性损害，而且几十年前就需要这样做。

对于地球来说，裂变是全球解决方案的一部分，此外，风能和太阳能等可再生能源的广泛推广和采用也是如此。

在更长的时间尺度上，人们希望聚变可以取代裂变。燃料供应规模更大且分布无处不在，废物问题在数量和时间尺度上都要小几个数量级，而且该技术不能被武器化。

马修·霍尔，数学科学研究所和计算机学院教授，澳大利亚国立大学

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