核聚變與裂變：物理學家解釋差異

在全球范圍內，核電占約占發電量的 10%.在一些國家，如法國，這個數字接近 70%。

谷歌等大型科技公司是也轉向核電滿足巨大的電力需求的數據中心。

所有核能的來源都是原子的結合能。原子中儲存的能量可以通過兩種主要方式釋放：裂變或融合。裂變涉及將大的重原子分裂成更小、更輕的原子。聚變涉及將小原子組合成更大的原子。

這兩個過程都會釋放大量能量。例如，鈾235（一種鈾的同位素，通常用作大多數發電廠的燃料）的一次核裂變衰變，每次化學反應產生的能量是最純凈的煤的 600 多萬倍。

這意味著它們是很好的發電過程。

什么是裂變？

裂變是當今每座運行中的核電站背后的過程。當一個稱為中子的微小亞原子粒子撞擊鈾原子并將其分裂時，就會發生這種情況。

這會釋放出更多的中子，這些中子繼續與其他原子碰撞，引發核鏈式反應。這反過來又釋放了大量的能量。

為了將這種能量轉化為電能，安裝了熱交換器，將水轉化為蒸汽，驅動渦輪機發電。

裂變反應可以通過抑制中子的供應來控制。這是通過插入吸收中子的“控制棒”來實現的。

從歷史上看，核事故如切爾諾貝利當控制棒無法接合并淬滅中子供應，和/或冷卻劑循環失敗時，就會發生。

所謂的“第三代”設計通過結合被動或固有安全功能來改進早期設計，這些功能不需要主動控制或人工干預，以避免在發生故障時發生事故。這些特征可能依賴于壓差、重力、自然對流或材料對高溫的自然響應。

第一代第三代反應堆是日本柏崎 6 號和 7 號先進沸水反應堆.

裂變的一個未解決的挑戰是，反應的副產物在很長一段時間內都具有放射性，大約數千年。如果再加工，燃料源和廢料也可以用于制造核武器。

裂變動力是一項經過驗證的技術。它還可以從大規模（最大的是日本 7.97 吉瓦的柏崎刈羽核電站）擴展到產生約 150 兆瓦電力的中小型反應堆，如在船舶或核潛艇上使用。

這些反應堆將為澳大利亞承諾的八艘核潛艇提供動力作為三邊安全伙伴關系的一部分與英國和美國。

什么是融合？

聚變是為太陽和恒星提供動力的過程。這是與裂變相反的過程。當原子融合在一起時，就會發生這種情況。

在實驗室中最容易引發的反應是氫、氘和氚同位素的聚變。每單位質量，反應產生的能量是 U235 裂變的 4 倍。

燃料離子氘在地球和宇宙中都非常豐富。氚具有放射性，半衰期為 12 年，因此在地球上非常罕見。

宇宙有 138 億年的歷史;在自然界中發現的唯一輕原子核（氫、氦和鋰）同位素是在這些時間尺度上穩定的同位素。

在聚變功率工廠中，氚將使用“鋰毯”制造。這是一個堅固的鋰壁，其中聚變中子減慢并最終反應形成氚。

然而，目前科學家很難在實驗室之外創建聚變反應。這是因為它需要極熱的條件才能聚變：最佳條件是 1.5 億攝氏度。

在這些溫度下，燃料離子以等離子體狀態存在，其中電子和（核）離子解離。這個過程的副產品不是放射性的;相反，它是氦氣，一種惰性氣體。

證明持續聚變的領先技術路徑稱為“環形磁約束”。此時，等離子體被限制在一個非常大的甜甜圈形磁性瓶中，處于極端溫度下。

與裂變不同，該技術路徑需要持續的外部加熱才能達到聚變條件和強圍限場。終止任一反應，反應停止。

挑戰不是不受控制的崩潰，而是讓反應發生。

環形磁約束聚變的一個未解決的主要挑戰吸引了大多數研究興趣，是燃燒自熱等離子體的證明。這是當反應本身產生的熱能是主要的時。這就是公共資助的跨國公司的目標ITER 項目，世界上最大的聚變實驗，以及私人資助的麻省理工學院的 SPARC 實驗.

然而，許多科學界的共識是，聚變在商業上是不可行的至少到 2050 年.

氣候解決方案？

經常有人問我，核能是否可以拯救地球氣候變化.我在氣候科學方面有很多同事，事實上，我已故的妻子也是一位備受矚目的氣候科學家。

科學很明確：阻止氣候變化為時已晚。世界需要盡一切努力減少二氧化碳排放并最大限度地減少災難性損害，而且幾十年前就需要這樣做。

對于地球來說，裂變是全球解決方案的一部分，此外，風能和太陽能等可再生能源的廣泛推廣和采用也是如此。

在更長的時間尺度上，人們希望聚變可以取代裂變。燃料供應規模更大且分布無處不在，廢物問題在數量和時間尺度上都要小幾個數量級，而且該技術不能被武器化。

馬修·霍爾，數學科學研究所和計算機學院教授，澳大利亞國立大學

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