核能:我們應該用它嗎?

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向Thu Jul 15 2021 提供最新信息

為什麼要使用核能?

與煤炭和天然氣等化石燃料相比,核能幾乎沒有二氧化碳排放

如果我們只用了核能(而不是以我們今天獲取能源的方式),能源行業排放的二氧化碳將會減少多少呢?


100%核能的二氧化碳當量排放与今天的能源組合比较

再者,核能可以在需要時提供穩定的電能

由於罕見但高度引人注目的事件[福島,切爾諾貝利],核電遭到一些反對。面對像氣候變化般嚴峻的挑戰,這值得我們謹慎地權衡我們的選項。我们不希望非理性地下定决心,而錯過了偉大的存在!為了做到這點,我們首先必須了解核電是如何運作的。

我們如何從分裂原子中獲得能量?

你有沒有聽說過爱因斯坦的 “E = mc²”?這個方程式本質上說質量和能量是同一枚硬幣的正反面:我們可以質量轉化成能量(然後返回)! 這就是核電的運作。

原子由質子、中子和電子構成。質子和中子位於原子(稱為「原子核」)的中心。質子帶正電,電子帶負電,而中子完全不帶電荷

如果妳看過元素周期表,妳就會知道,那裏的每個元素都是由它的質子數來定義的。 然而,具有相同質子數的同一元素的原子可能有不同數量的中子,這些原子稱為該元素的 同位素

今天,核能基於核裂變: 當你向某些元素發射中子時,它們的的一些同位素 會分裂

在核反應爐中,我們現在使用鈾-235 (U-235), 一種具有92個質子和143個中子的鈾同位素。 這個同位素之所以被稱為鈾-235,因為其質子和中子數的總和為235。

當妳燃燒鈾-235裏的某個中子,然後鈾-235核分裂時,妳會得到

  • 兩個較小的原子
  • 少量中子(最多5個,但平均2.5個;每次分裂都是隨機的)
  • 一些能量 以熱能形式儲存。這是我們獲取能量的來源!
分裂鈾

核彈與核電廠之間有什麽區別?

你註意到什麼了嗎?一個中子會導致鈾-235原子分裂,釋放能量和更多中子。這些新的中子可能導致更多的鈾-235分裂,而且這一過程不斷重復。 所以,如果妳把大量的鈾-235原子擠進壹個地方裏,妳就會得到...

核鏈反應

為什麼這有問題?


如果每次分裂會造成兩次或兩次以上的分裂,所有能量都將很快被釋放,這基本上就是核彈爆炸時的情況。 在核反應堆中,我們希望每次分裂都能平均地再產生一次分裂。這將時它保持穩定且不變

穩定核鏈反應

我們如何才能實現這一點? (提示:鈾-235分裂產生的中子很快出來,但鈾-235只有在被慢性中子撞到時才會分裂)


一個具有大量能量的快速移動的中子比一個移動較慢的中子更有可能從鈾-235核中反彈而不會分裂。但是,如果中子的速度太慢,反應就會以指數形式產生。因此,我們必須謹慎對待中子的減速程度。

避免爆炸

為了實現所有這種減速,我們添加了一個名為 調節劑 的材料。 當今大部分核反應爐使用水作為其緩和劑,但其他選項也正在被考量中 (下一章有更多關於這個主題的內容)。

我们如何從中獲得電力呢?

還記得每次鈾-235原子被分裂時都會釋放熱能嗎?還記得當今的核反應堆使用水作為緩和劑嗎?

壓水反應堆(PWR) 含有兩個水循環。 第一種叫做一回路,吸收來自鈾-235裂變產生的熱量。

壓水反應堆 — 第一步

然後,這些熱水會通過一個管道,穿過一個獨立的水循環裏

壓水反應堆 — 第二步

通過煮沸次級水循環的水產生的蒸汽,便被用來轉動一個渦輪機。 這個過程的最後一部分就像在燃煤發電廠一樣。

壓力反應堆 — 第三步

核能安全嗎?

你認為上述過程的安全隱憂是什麼


以上所有都是問題。我們盡可能多地來看看這些數字。

核能比煤(每單位發電) 造成的死亡人數更多還是更少呢


煤炭與核安全

2011年的福島 和1986年的切爾諾貝利 發生了可怕的事故。 然而,與大眾所相信的相反, 核事故極不可能發生,並且造成的總死亡人數遠遠少於化石燃料(主要是因為燃燒化石燃料會釋放致命的空氣污染)

不同能量来源的死亡率

然而,平心而論,建設核反應爐的專長也會幫助各國更懂得制造炸彈

核裂變的另一弊端是放射性廢棄物,廢棄物大多以兩種形式出現:

  • 廢鈾: 天然鈾是由大約99.3%的鈾-238和0.7%的鈾-235所組成。但我們需要反應堆中的鈾棒含有4-5%的鈾-235,用於反應堆。當制造這種 肥沃的燃料 時,我們留下了大量的鈾-238。幸運的是,這種廢棄物並不存在風險
  • 用掉的燃料和其他放射性廢料:當濃縮燃料中 最初的4-5%的鈾-235被用掉一定量後,剩下的材料放射性不足以讓它被有效地利用。然而,這放射性仍會在被使用後的數千至數百萬年內對人類及自然有害
来自核能最重要的废物类型

截至目前,美國有90,000噸用過的燃料(一個20米深的足球場)。 雖然我們確實知道如何暫時儲存這種廢棄物,但我們還沒有一個長期的解決辦法[SpentNucleFuel1,StoreWaste]。 在下一章中,我們將討論解決這個問題的潛在方法,並從中獲得更多的能量!

核很昂贵

核很昂贵

除了公眾對核能安全方面的認識之外,一個不可否認的問題是,建造新的核電廠費用昂貴。 事實上,今天在西方國家建造新的反應堆被認為是無利可圖的

結論

核能幾乎是一種接近零碳排且可靠的能源。 雖然在西方國家建造新工廠的成本太高,但像中國和印度這樣的國家正在建造 - 這對於氣候來說是件好事

今天的核能有廢料的問題。然而,爆炸非常罕見,並且其造成的死亡相對較少,事實上,核能是目前最安全的能量形式之一! 雖然在西方世界建造新的核電站已經變得不划算了,關閉我們已經建造的反應堆只是移除了一個安全和接近無碳的煤炭替代方案

在下一章中,我們將研究核能的新想法,這些想法能夠幫助解決當今核問題。

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