核聚變與裂變：物理學(xué)家解釋差異

在全球范圍內(nèi)，核電占約占發(fā)電量的 10%.在一些國家，如法國，這個(gè)數(shù)字接近 70%。

谷歌等大型科技公司是也轉(zhuǎn)向核電滿足巨大的電力需求的數(shù)據(jù)中心。

所有核能的來源都是原子的結(jié)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(gè)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(shù)發(fā)電廠的燃料）的一次核裂變衰變，每次化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(fā)電過程。

什么是裂變？

裂變是當(dāng)今每座運(yùn)行中的核電站背后的過程。當(dāng)一個(gè)稱為中子的微小亞原子粒子撞擊鈾原子并將其分裂時(shí)，就會發(fā)生這種情況。

這會釋放出更多的中子，這些中子繼續(xù)與其他原子碰撞，引發(fā)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這反過來又釋放了大量的能量。

為了將這種能量轉(zhuǎn)化為電能，安裝了熱交換器，將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。

裂變反應(yīng)可以通過抑制中子的供應(yīng)來控制。這是通過插入吸收中子的“控制棒”來實(shí)現(xiàn)的。

從歷史上看，核事故如切爾諾貝利當(dāng)控制棒無法接合并淬滅中子供應(yīng)，和/或冷卻劑循環(huán)失敗時(shí)，就會發(fā)生。

所謂的“第三代”設(shè)計(jì)通過結(jié)合被動(dòng)或固有安全功能來改進(jìn)早期設(shè)計(jì)，這些功能不需要主動(dòng)控制或人工干預(yù)，以避免在發(fā)生故障時(shí)發(fā)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(yīng)。

第一代第三代反應(yīng)堆是日本柏崎 6 號和 7 號先進(jìn)沸水反應(yīng)堆.

裂變的一個(gè)未解決的挑戰(zhàn)是，反應(yīng)的副產(chǎn)物在很長一段時(shí)間內(nèi)都具有放射性，大約數(shù)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(dòng)力是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)。它還可以從大規(guī)模（最大的是日本 7.97 吉瓦的柏崎刈羽核電站）擴(kuò)展到產(chǎn)生約 150 兆瓦電力的中小型反應(yīng)堆，如在船舶或核潛艇上使用。

這些反應(yīng)堆將為澳大利亞承諾的八艘核潛艇提供動(dòng)力作為三邊安全伙伴關(guān)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(dòng)力的過程。這是與裂變相反的過程。當(dāng)原子融合在一起時(shí)，就會發(fā)生這種情況。

在實(shí)驗(yàn)室中最容易引發(fā)的反應(yīng)是氫、氘和氚同位素的聚變。每單位質(zhì)量，反應(yīng)產(chǎn)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(fā)現(xiàn)的唯一輕原子核（氫、氦和鋰）同位素是在這些時(shí)間尺度上穩(wěn)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(gè)堅(jiān)固的鋰壁，其中聚變中子減慢并最終反應(yīng)形成氚。

然而，目前科學(xué)家很難在實(shí)驗(yàn)室之外創(chuàng)建聚變反應(yīng)。這是因?yàn)樗枰獦O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(tài)存在，其中電子和（核）離子解離。這個(gè)過程的副產(chǎn)品不是放射性的;相反，它是氦氣，一種惰性氣體。

證明持續(xù)聚變的領(lǐng)先技術(shù)路徑稱為“環(huán)形磁約束”。此時(shí)，等離子體被限制在一個(gè)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(shù)路徑需要持續(xù)的外部加熱才能達(dá)到聚變條件和強(qiáng)圍限場。終止任一反應(yīng)，反應(yīng)停止。

挑戰(zhàn)不是不受控制的崩潰，而是讓反應(yīng)發(fā)生。

環(huán)形磁約束聚變的一個(gè)未解決的主要挑戰(zhàn)吸引了大多數(shù)研究興趣，是燃燒自熱等離子體的證明。這是當(dāng)反應(yīng)本身產(chǎn)生的熱能是主要的時(shí)。這就是公共資助的跨國公司的目標(biāo)ITER 項(xiàng)目，世界上最大的聚變實(shí)驗(yàn)，以及私人資助的麻省理工學(xué)院的 SPARC 實(shí)驗(yàn).

然而，許多科學(xué)界的共識是，聚變在商業(yè)上是不可行的至少到 2050 年.