行波式核反应堆的潜力很大。使用同等数量的核燃料,行波式核反应堆可比普通核反应堆多产生百倍的能量

行波式核反应堆的潜力很大。使用同等数量的核燃料,行波式核反应堆可比普通核反应堆多产生百倍的能量。

1932年,英国物理学家James Chadwic发现了中子——即原子核中不带电的粒子。这一发现再结合其它质量-能量联系的实验,为核动力奠定了理论基础。后者简单地来说就是用中子轰击重的原子产生裂变(通常是铀)。当一个铀原子核分裂成两个新原子核,分裂过程会放出两到三个中子,这些中子会再去撞击、穿透和分裂其它铀原子,从而形成链式反应。

铀原子为什么能成为优质的核燃料?首先,铀是重原子,这点很关键。原子核中有两股相反的作用力,其中一种是电磁作用,即质子(原子核中带正电荷的粒子)之间相互排斥。这种作用力与同极相斥的原理相似。那是什么样的能量,让原子中的粒子紧紧聚在一起,而不会因排斥而飞散呢?下面我们就来介绍一下“强核力”。

核能的发展过程

强核力要比地心引力强1038倍,它使质子结合在一起。当粒子之间距离变大,这种强大的相互作用力会迅速减弱。当一个铀-235(铀的同位素,主要用作核燃料的)原子被中子击中,它的体积将迅速变大,原子内的粒子之间的距离随即增大,粒子之间的强核力也跟着迅速减弱。80%的情况下,这种变化足以使电磁作用力克服强核力,让质子相互排斥,最终导致原子发生分裂。

那么,分裂的原子如何为我们供电呢?铀原子分裂所产生的粒子的总质量,要轻于分裂前的铀原子和撞击中子的质量总和。正如爱因斯坦证明的那样,那些质量转化成了能量。这些能量可用于加热水、产生蒸汽、驱动涡轮机发电。

不管是1942年的第一个核反应堆,还是人们正在研究的第四代核反应堆,都是以此为基本原理。虽然现在的核反应堆的物理原理与过去相同,但并不意味着这方面的发展停滞了。人类正在三大领域进行着大量的研究——能量效率、安全和废物处理。关于第四代核反应堆的研究也正在紧锣密鼓的开展。第四代核反应堆相比前三代主要有以下三点优势:

  • 核废料的半衰期只有几十年,而非上千年;
  • 使用同等数量的核燃料,可多产生百倍的能量;
  • 今天的核废料有可能成为第四代核反应堆的燃料。

具体地说,人们的研究重点主要集中在两种核反应堆——热中子反应堆和快中子反应堆。这两类核反应堆分别包括三种具体的核反应堆设计研究课题。热中子反应堆和快中子反应堆的区别在于——中子撞击铀的速度。在热中子反应堆中,中子的速度被减慢,但中子击中铀原子的几率也随之提高。

快中子反应堆的燃料使用效率更高,产生的废料更少。快中子反应堆的燃料甚至可以是旧核反应堆模型的废料。但是,快中子反应堆的控制难度更大、设计要求更高。

行波式核反应堆

最近,有一种十分特别的核反应堆备受人们关注——行波式核反应堆”。Bill Gates参与了这种核反应堆的研发,它以铀-238(全球总存量要远远大于现在最常见的核反应堆燃料铀-235)作为燃料。事实上,进行一次核反应只需很少的新型核燃料,反应结束后的核废料可以回收利用。这种核反应堆的一大优势在于:使用寿命相当长,但这也是它的缺点——建造一座能够处理这种核反应的工厂绝非易事。

我们难以预测新技术商用后会出现什么结果。许多国家参与了第四代核反应堆的研究,现在预测未来核电厂将采用哪种或哪几种核反应堆还为时过早,但人类对核技术研究的热忱,将很大程度推动核技术和核能发电向前迈进。

核电一直是人类争论的话题,将来或许仍然如此。但有一点我们不能忽略:目前,在核电的整个生命周期中,它的温室气体排放甚至比风力发电还少。原子核中潜藏的巨大能量实在让我们无法忽视。我们相信,未来的核反应堆将能够更好地利用原子核中潜藏的能量。

本文发布于2011年2月