你所用的電，有多少來自核電站？——清潔能源的量子智慧

編者按：2025年，距量子力學(xué)的誕生恰好過去100年。在這100年間，量子力學(xué)已成為現(xiàn)代科學(xué)的基石，也改變了我們的日常生活。本系列文章從身邊的常見事物出發(fā)，深入淺出地介紹量子力學(xué)的原理，以紀(jì)念這一偉大成果，并為更多好奇的人打開了解它的一扇窗。

現(xiàn)代生活中，電力已是不可或缺的血液。過去，我們使用的電基本上來源于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，而如今，火力發(fā)電的占比越來越少，各種清潔能源的比例開始不斷增加。其中，核能以其神秘而強(qiáng)大的姿態(tài)，成為備受矚目的“潛力新秀”。

你知道你所使用的電有多少來自核電站嗎？這里有一組小小的統(tǒng)計數(shù)據(jù)：去年，我國核能發(fā)電占全國累計發(fā)電量的4.72%，而對于沿海地區(qū)的核電大省，如遼寧、浙江、福建、廣東、海南等，這一數(shù)字更是超過了20%。如果你住在這些省份，那么，核電的電流或許正在你的指尖跳動。

對于這個有巨大潛力的未來能源，你了解多少呢？核能的利用，與量子力學(xué)又有什么淵源？讓我們潛入微觀世界，一起來探索原子最核心的秘密吧！

超強(qiáng)力“膠水”

事實上，如果沒有量子力學(xué)的基礎(chǔ)，我們就無法描述原子核。

原子與原子核的結(jié)構(gòu)

圖片來源：enjoyphysics.cn

我們已經(jīng)知道，原子核是由帶有正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子組成的。這些粒子被緊緊地束縛在一個直徑僅約飛米（10?15米）的極小空間內(nèi)。在經(jīng)典物理的框架下，這個模型根本不可能穩(wěn)定存在：帶相同電荷的質(zhì)子之間會產(chǎn)生巨大的排斥力，足以讓原子核瞬間解體。

相同電荷之間的排斥力大小與距離的關(guān)系。對于原子核這樣小的尺度，距離非常近，排斥力會是巨大的。

圖片來源：愛問教育

為了解釋原子核的穩(wěn)定存在，我們不得不引進(jìn)一種更強(qiáng)大的短程力——這就是強(qiáng)相互作用力。在原子核的尺度內(nèi)，它的強(qiáng)度是電磁力的一百多倍，這足夠克服強(qiáng)大的電磁斥力，把質(zhì)子和中子們牢牢地“粘”在一起。

描述強(qiáng)相互作用力的理論基礎(chǔ)，正是量子場論——你可以把它理解為量子力學(xué)與狹義相對論結(jié)合之后的一種“升級版本”。在這個理論中，粒子通過交換“信使粒子”來產(chǎn)生力，而在質(zhì)子和中子之間交換的，就是一種叫Π介子的粒子。它就好像我們這個宇宙中的“強(qiáng)力膠水”，將質(zhì)子和中子緊密結(jié)合，造就了穩(wěn)定存在的原子核。

多米諾骨牌式的炬火

束縛原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子，需要如此強(qiáng)大的相互作用力，可見在小小的原子核里，蘊(yùn)藏著多么排山倒海般的巨大能量！

一旦核的結(jié)構(gòu)被破壞，其中的能量就有可能被釋放出來。現(xiàn)在的人們利用核能發(fā)電的方式就是如此——我們把它叫做核裂變。

核電站中所使用的核裂變?nèi)剂鲜?strong>鈾-235——在這里，235代表著這種原子核的總核子數(shù)量。鈾作為第92號元素，它含有92個質(zhì)子，那么它的中子數(shù)量就是235減去92，也就是143個。

銀灰色的鈾金屬，受氧化而覆蓋一層黑色氧化物

圖片來源：維基百科

這并不是鈾的同位素中最常見的一種。事實上，鈾-235只占自然界中鈾總量的不到百分之一，而大部分的鈾，實際上是含有146個中子的鈾-238。為什么人們必須要費(fèi)好大的勁分離出這么少量的鈾-235呢？

原來，這也是來自于原子核中的一種量子效應(yīng)。它導(dǎo)致了原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子傾向于成對出現(xiàn)。

引起核裂變的“導(dǎo)火索”是一個外界中子。在鈾-235中有奇數(shù)個中子，所以它更“歡迎”新中子的到來，與落單的中子配對。因此，鈾-235與一個新中子生成的鈾-236在很高的激發(fā)態(tài)上，很容易裂變成兩半，瞬間釋放出巨大能量。

不僅如此，這個反應(yīng)還會生成三個新的中子，接著去撞擊更多的鈾-235。第一個中子的轟擊，就像推倒了第一塊多米諾骨牌一樣，引發(fā)了后續(xù)的骨牌接連不斷的倒塌。這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使得核裂變可以源源不斷地繼續(xù)下去。

而我們也不用擔(dān)心后續(xù)的“骨牌”“塌得太快”：通過使用吸收中子的材料，把多余的中子吸收掉，就可以精確控制反應(yīng)速率，將其限制在安全的范圍。這對于核電站的安全運(yùn)行來說，是至關(guān)重要的一步。

核裂變的示意圖

圖片來源：Science Ready

相反，自然界中含量豐富的鈾-238卻做不到這些。因為它含有146個中子，已經(jīng)是偶數(shù)，所以并不“歡迎”外界中子的到來。在這種情況下，鈾-238即使被中子轟擊，也達(dá)不到裂變的條件，自然也就無法成為理想的核燃料了。

從核裂變到核電站

江蘇連云港的田灣核電站

圖片來源：環(huán)球網(wǎng)

理解了核裂變的神奇機(jī)制，下一步，就需要將這股強(qiáng)大的力量轉(zhuǎn)化為日常所需的電力。

其實，核電站與傳統(tǒng)火力發(fā)電站的區(qū)別，并沒有我們想象的那么大。

它們的核心任務(wù)，都是把水加熱成高溫高壓的水蒸氣，然后讓水蒸氣推動巨大的汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。這個汽輪機(jī)可以帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生電能，再將電能統(tǒng)一并入國家電網(wǎng)。可以說，對于核電站來說，在汽輪機(jī)之后的步驟，其實并沒有什么創(chuàng)新之處。

關(guān)鍵的區(qū)別在于，這一次用于加熱水的，不再是化石燃料燃燒產(chǎn)生的熱，而是鈾-235裂變釋放出的巨大熱量。不同于燃燒化石燃料，在核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量的過程中，幾乎不排放溫室氣體和大氣污染物，因此，核能是一種重要的清潔能源。

最常見的一種核電站：壓水堆核電站的結(jié)構(gòu)示意圖

圖片來源：維基百科

而且，核燃料的利用效率非常高。一座100萬千瓦的核電站每年只需要補(bǔ)充30噸左右的核燃料，而同樣規(guī)模的火力發(fā)電廠每年要燒煤300萬噸。形象地說，只要一顆花生米大小的鈾燃料芯塊，蘊(yùn)含的能量就相當(dāng)于3噸煤！因此，核電站一旦建成，其后續(xù)的運(yùn)行成本，其實是非常低的。

潛力背后的隱憂

核能雖然是有著巨大潛力的清潔能源，可是，說起“核”的事情，人們卻總是帶有一點擔(dān)憂的態(tài)度，這并不是沒有根據(jù)的。雖然核事故發(fā)生的概率非常微小，可是一旦發(fā)生，卻會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。更何況，在新聞與影視作品中，也更多地聚焦與渲染災(zāi)難性事件，這更加重了人們對核之危險的印象。

然而，正是這種深刻的敬畏之心，成為了核能安全發(fā)展的最強(qiáng)驅(qū)動力。在建設(shè)與運(yùn)行核電站時，安全性必須是第一重要的議題。

現(xiàn)代核電站的設(shè)計，使用了多層物理屏障和安全系統(tǒng)，來防止放射性物質(zhì)的泄露。嚴(yán)格的國際監(jiān)管和合作機(jī)制，持續(xù)提升著全球的核安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，核電廠在設(shè)計上能有效抵御極端自然災(zāi)害和恐怖襲擊，并不斷從事故中學(xué)習(xí)改進(jìn)，發(fā)展更安全的被動式設(shè)計。這些都共同構(gòu)建了核能發(fā)電的可靠安全基礎(chǔ)。

但是，任何一項技術(shù)都不是絕對安全的，人類只要利用能源，就都會有風(fēng)險的存在。不過，根據(jù)職業(yè)事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計，核能發(fā)電比傳統(tǒng)的火力發(fā)電更加安全，與可再生能源技術(shù)相當(dāng)。我們能做的是通過不斷地改進(jìn)，將風(fēng)險降至越來越低。

制造每太瓦時電量（相當(dāng)于全世界大約5個月的用電量）相關(guān)事故造成的人員死亡人數(shù)

圖片來源：世界核協(xié)會

縱觀科技的發(fā)展，任何一種先進(jìn)技術(shù)，在誕生時，都如同一把雙刃劍。如何正確地利用好手中的利劍，讓它提升我們的生活質(zhì)量，而不是錯誤地劃傷自己，是每個科技工作者都需要面對的問題。以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，讓敬畏成為動力，而不是讓恐懼成為束縛，才能帶來更多造福人類的結(jié)果！

作者：張一凡

審核：梁文杰中科院物理研究所研究員

本文在科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”刊發(fā)，經(jīng)授權(quán)發(fā)布