核能:我们应该使用它吗?

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更新于: 2020年12月14日13:25:15 格林尼治标准时

为什么要使用核能?

与煤炭和天然气等化石燃料相比,核能几乎没有二氧化碳排放

Image of 100%核能的二氧化碳当量排放与今天的能量混合比较

100%核能的二氧化碳当量排放与今天的能量混合比较

除此之外,核能可以在需要时提供稳定的电能

核能因为少见而关注度高的意外事件而遭致一些反对。面对如气候变化般严峻的挑战,这值得我们谨慎地评估我们的选项。我们不想因为不理性而错失了一些好事!而要如次,我们首先必须了解核能是如何运作的。

我们如何从分裂原子中获得能量?

您是否听过爱因斯坦的 “E = mc²”?这个方程基本上是说质量和能量是同一枚硬币的正反面:我们可以把质量转化成能量 (并返回) ! 这就是核电的运作。

原子由质子、中子和电子构成。质子和中子位于原子的中心位置 (称为“核”)。 质子带正电,电子带负电,中子不带电

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如果你看过元素周期表,你会知道那里的每个元素都是由它的质子数来定义的。 然而,具有相同质子数的同一元素的原子可能有不同数量的中子,这些原子称为该元素的 同位素

今天,核能基于核裂变: 某些元素的部分同位素 在燃烧中子时分裂

在核反应炉中,我们现在使用铀-235 (U-235), 拥有92个质子和143个中子的铀同位素。 这个同位素之所以被称为铀-235,因为其质子和中子数的总和为235。

当你燃烧铀-235里的某个中子,然后铀-235核分裂时,你会得到

  • 两个较小的原子
  • 少量中子(最多5个,但平均2.5个;这在每次分裂中都稍微随机)
  • 有些能量 存于热量的形式中。这是我们获得能量的来源!
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分裂铀

核弹与核电厂之间有什么区别?

你注意到了吗?一个中子会导致铀-235原子分裂,释放能量和更多中子。这些新的中子可能导致更多的铀-235分裂,而且这一过程不断重复。 所以,如果你把大量的铀-235原子挤进一个地方里,你就会得到

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核链反应

如果每次分裂会造成两次或两次以上的分裂,所有能量都将很快被释放,这基本上就是核弹的状况。 在核能反应堆中,我们希望每次分裂平均造成一个分裂,这使它保持稳定且不变

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稳定的核链反应

快速移动的中子比移动较慢的中子更有可能从铀-235核中反弹而不会分裂。但是,如果中子太慢,反应就会成倍产生。因此,我们必须谨慎让中子速度放慢多少。

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避免爆炸

为了实现所有这种减速,我们添加了一个名为 缓和剂 的材料。 当今大部分核反应炉使用水作为其缓和剂,但其他备选办法也正在审议中 (下一章有更多关于这个主题的内容)。

我们如何从这之中获得电力?

还记得每次铀-235原子被分裂时都会释放热能吗?还记得当今的核反应炉把水用作缓和剂吗?

压水反应堆(PWR) 含有两个水回圈。 第一种叫做初级回圈,吸收铀-235裂变所产生的热量。

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压水反应堆 — 第一步

然后这些热水会穿过一条管道通达一个独立的水回圈里

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压水反应堆 — 第二步

通过煮沸次级回圈的水产生的蒸汽,便被用来转动一个涡轮机。 这个过程的最后一部分就像在煤厂一样。

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压水反应堆 — 第三步

核能安全吗?

以上所有都是问题。我们尽可能地来看看这些数字。

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核与煤的安全

2011年的福岛 和1986年的切尔诺贝利发生了可怕的事故。 然而,与大众所相信的相反, 核事故极不可能发生,并且造成的总死亡人数远远少于化石燃料(主要是因为燃烧化石燃料会释放致命的空气污染)

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不同能量来源的死亡率

然而,平心而论,建设核反应炉的专门知识也会帮助各国更好地制造炸弹

核裂变的另一弊端是放射性废弃物,废弃物大多以两种形式出现:

  1. 耗尽的铀-238: 天然铀是由大约99.3%的铀-238和0.7%的铀-235所组成。但我们需要反应堆中的铀棒含有4-5%的铀-235。当制造这种 浓缩燃料 时,我们留下了大量的铀-238。幸运的是,这种废弃物并不危险
  2. 乏燃料和其他放射性废弃物:当浓缩燃料中最初的4-5%的铀-235被用掉一定量后,剩下的材料放射性不足以使它被有效地利用。然而,这放射性仍会在被使用后的持续数十亿年对人类及自然有害
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来自核能最重要的废物类型

到目前为止,美国有90,000吨用过的燃料(一个20米深的足球场)。 虽然我们确实知道如何暂时储存这种废弃物,但我们还没有一个长期的解决办法。 在下一章中,我们将讨论如何处理这个问题并从中获得更多的能量!

核很昂贵

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核很昂贵

除了公众对核能安全方面的认识之外,一个不可否认的问题是建造新的核电厂费用昂贵。 事实上,今天在西方国家建造新反应堆并不被认为是有利可图的

结论

核几乎是零碳排且可靠的能源。 虽然在西方国家建造新的工厂太昂贵了,在中国和印度这样的国家正在建造 - 这对于气候来说是件好事

今天的核能有废料的问题。然而,爆炸非常罕见,并且其造成的死亡相对较少,以至于核能事实上是现有最安全的能量形式之一! 尽管在西方世界建造新的核电站已经变得不经济了,关闭我们已经建造的反应堆,只是移除了一个安全和接近无碳的煤炭替代方案

在下一章中,我们将看一下能够帮助解决当今核问题的新想法。

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