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文/觀察未來科技

兩百多年來，依靠化石燃料提供的能量，人類社會經(jīng)濟(jì)成就才得以在短時間內(nèi)超過了由太陽直接提供能量的自然選擇的生物作用。

不過，當(dāng)?shù)叵禄剂纤N(yùn)藏的能量無節(jié)制地釋放到地球表面時，也同時導(dǎo)致了大氣變暖。燃燒這些燃料所產(chǎn)生的熵副產(chǎn)品——二氧化碳和甲烷等氣體則進(jìn)一步加劇了大氣變暖的趨勢，并帶來了眾所周知的溫室效應(yīng)。

當(dāng)前，人類社會正在尋求新能源的變革，毫無疑問，太陽能將是下一代能源的主力軍。不過，在太陽能之外，核能帶來的驚人力量也正在為人們所用。

核能的力量

在人類漫長的歷史里，地球上的生命總是在不斷進(jìn)化，通過將太陽能轉(zhuǎn)化為生物代謝能量為生命組織提供能量。實(shí)際上，生命可持續(xù)的一個重要因素就是能量來源，即太陽，是外在的、可依賴的、相對永恒的。

隨著火的發(fā)明，這一持續(xù)進(jìn)行的、不斷進(jìn)化的、準(zhǔn)穩(wěn)定的狀態(tài)開始緩慢地發(fā)生變化。燃燒是釋放木頭中儲存的太陽能的化學(xué)過程。再加上農(nóng)業(yè)的誕生，向人類世的轉(zhuǎn)變開始進(jìn)行，人類從純粹的生物體發(fā)展為目前的城市化社會經(jīng)濟(jì)生物，不再與自然世界保持內(nèi)在均衡。

當(dāng)然，農(nóng)耕文明時代的能源變化依然是一個逐漸演化的過程，直到200年前，人類對煤炭和石油中儲存的太陽能的利用才帶來了能源領(lǐng)域革命性的變化。

從科學(xué)角度而言，工業(yè)革命的真正革命性特點(diǎn)，正是從開放系統(tǒng)到封閉系統(tǒng)的巨大轉(zhuǎn)變，前者主要由太陽在外部提供能量，而后者則是由化石燃料在內(nèi)部提供能量。這是一個根本性的系統(tǒng)改變，人類實(shí)現(xiàn)了從一個外部的、可靠的、可持續(xù)的能量來源向一個內(nèi)部的、不可靠的、變化的能量來源的“升級”。

不過，在氣候危機(jī)和資源枯竭下，化石燃料作為能源的時代正在落幕。隨之而來的，是一個嶄新的能源時代，由清潔的可再生能源來為社會生產(chǎn)和生活做保障，包括太陽能、風(fēng)能等，以及核能——核能對于能源危機(jī)的影響甚至比太陽能、風(fēng)能等可再生能源更深遠(yuǎn)。

核能又稱“原子能”，是由原子核反應(yīng)而釋放的巨大能量，核能分為核裂變能和核聚變能，其中核裂變反應(yīng)是由較重的原子核分裂成為較輕原子核的反應(yīng)，核聚變反應(yīng)則是由較輕原子核聚合成為較重原子核的反應(yīng)。我們熟知的能量釋放形式主要是機(jī)械能、化學(xué)能、電能等，但這些能量的釋放，都只會在能量的形式上加以改變，而無法改變物質(zhì)質(zhì)量，核能則實(shí)現(xiàn)了這一特性。

核能的問世最早可以追溯到19世紀(jì)末，英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，從而開啟了屬于核能發(fā)展的新篇章。1938年，德國科學(xué)家奧托·哈恩發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象。1942年12月2日，美國芝加哥大學(xué)成功啟動了世界上第一座核反應(yīng)堆。核能無論在軍事、航天，還是能源、工業(yè)領(lǐng)域都占有重要地位。

當(dāng)?shù)谝活w原子彈爆炸時，《紐約時報》專欄作者威廉·勞倫斯寫道：“一種被禁錮了千萬年的自然力量從自身的桎梏中解放了出來”。要知道，核能的規(guī)模是燃燒化石燃料所釋放的化學(xué)電磁能的100萬倍，核反應(yīng)過程涉及的能量也是數(shù)百萬電伏級的，而不是像分子化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的普通電伏級的能量。

這使得開發(fā)利用核能變得極具吸引力——同樣數(shù)量的物質(zhì)能夠從原子核產(chǎn)生100萬倍于從分子中產(chǎn)生的能量。因此，與其每年用500加侖汽油來驅(qū)動的汽車，還不如使用區(qū)區(qū)幾克核燃料，其大小相當(dāng)于一片藥片。

能源需求的終極解決方案

核能可以通過核裂變、核聚變以及核衰變這三種形式釋放能量。

其中，核聚變更是被認(rèn)為是能源需求的終極解決方案。要知道，核裂變的效率已經(jīng)很高，1克的鈾235裂變出的能量大概相當(dāng)于1.8噸的汽油。而用1克的氫或者氫的同位素氘和氚進(jìn)行聚變，則可以釋放出的能量相當(dāng)于8噸汽油。

簡單計算一下就能看出核聚變的潛力：當(dāng)兩個氘（重氫）原子發(fā)生聚變形成一個氦原子的時候，其靜止質(zhì)量的0.006 4（接近1%）會轉(zhuǎn)變成能量。假設(shè)這些能量全部轉(zhuǎn)換成氦原子的動能（運(yùn)動的能量），那這個氦原子將能以大約1/10的光速向前運(yùn)動。這意味著，如果人類能把所有氘燃料的聚變能轉(zhuǎn)換成太空船的有序運(yùn)動，那么人類將可能把太空船的速度提高到光速的1/10左右。

并且，核聚變的原料也非常豐富。核聚變用的燃料主要是氘和氚，這兩種元素海水里面多的是，一升海水里面產(chǎn)生的氘和氚，核聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油——假如把整個大海里所有的氫的同位素都拿過來聚變的話，這個能量大概相當(dāng)于世界石油儲量的1000億倍，可以供人類使用幾百億年。

核聚變還有一個好處，就是安全、清潔。由于核聚變的反應(yīng)條件十分苛刻，必須高溫高壓高密度，一旦發(fā)生泄漏，也不必害怕，因?yàn)橹灰煌C(jī)，聚變反應(yīng)就停止了，而且氘和氚雖然也具有放射性，但放射性半衰期只有12年。

發(fā)展地球上受控核聚變發(fā)電站的研發(fā)工作肇始于20世紀(jì)50年代，而其最終完成應(yīng)該也不會早于21世紀(jì)50年代。究其原因，可控核聚變的難點(diǎn)在于，如何在約1億開爾文的溫度下——比太陽中心還熱很多——約束正在聚變的帶電等離子體。研究人員通常利用磁場來約束和懸浮反應(yīng)堆內(nèi)的等離子體。但是由于等離子體非常不穩(wěn)定，使其約束變得極為困難，以至于到目前為止聚變反應(yīng)還無法維持足夠長的時間，無法實(shí)現(xiàn)能量輸出大于輸入。

就在進(jìn)入21世紀(jì)前，甚至只有國家運(yùn)行的項目才能調(diào)集各種資源。核聚變研究的規(guī)模從當(dāng)今世界最大的聚變計劃ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）中可見一斑。ITER是一個在法國南部建造的聚變反應(yīng)堆，由中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本等35個國家出資建造，造價至少達(dá)220億美元。

盡管首次試運(yùn)行定于2025年，但完全的氘氚聚變還要等到2035年，ITER的最終目標(biāo)是以50兆瓦的輸入功率，從反應(yīng)堆持續(xù)獲得500兆瓦的輸出功率——相當(dāng)于一個中型燃煤電廠的規(guī)模。

不過，在選擇發(fā)展核能發(fā)電站還是化石燃料發(fā)電站時，還必須考慮人們對造成災(zāi)難性后果的風(fēng)險和長期以來許多危害較小的風(fēng)險的不同態(tài)度。

1986年，切爾諾貝利事故是人類歷史上核能使用的一場巨大慘劇，也是首例被國際核事件分級表評為第七級事件的特大事故，至今仍伴隨恐懼與悲痛保留在許多人的記憶之中。切爾諾貝利事故，是反應(yīng)堆存在設(shè)計缺陷和操作人員違反程序的雙重原因疊加導(dǎo)致的，導(dǎo)致大量的放射性物質(zhì)經(jīng)由大氣傳播，彌漫擴(kuò)散到整個歐洲，影響了數(shù)以百萬計人群的正常生活。

除了事故本身帶來的災(zāi)難性后果，隨之半個世紀(jì)甚至更久的世界性核恐慌，也嚴(yán)重限制了人類科技事業(yè)的發(fā)展。人類的情感特性導(dǎo)致大多數(shù)人對于恐懼或未知的事物會格外敏感，而社會信息不對稱下的集體恐慌更加劇了人們談“核”色變的程度。

但總的來說，核能是人類歷史上一項偉大的發(fā)現(xiàn)，它指引人類在新能源領(lǐng)域進(jìn)一步的開拓。未來世界的能源結(jié)構(gòu)必將向可再生能源過渡。盡管近年來，核事故對于全球核電發(fā)展產(chǎn)生了一系列影響，但人類的前進(jìn)腳步已經(jīng)無法后退，我們只能寄希望于核能發(fā)展領(lǐng)域的穩(wěn)健、安全、規(guī)模發(fā)展，這也是人類邁向未來的理性選擇。

核裂變電站到核聚變電站，是一個必然的科技發(fā)展方向，被歷史洪流不斷地推進(jìn)，世界各國需要梳理新的能源安全觀，堅持全人類、共命運(yùn)的發(fā)展基調(diào)，合作共贏，科學(xué)地推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的升級優(yōu)化。

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