能源利用

如果有人告诉你，一个直径为4.66厘米、只比乒乓球稍大的某种金属球体，可释放的能量等同于45节火车车皮满载标准煤燃烧后释放的能量，你可能很难相信。但确实存在这种金属，它就是铀-235。

核裂变过程示意图

铀分三种：铀-238、铀-235和铀-234。其中，只有铀-235的原子核会发生裂变，同时释放出200兆电子伏特能量。1克铀-235中包含的铀原子数量很多。1克铀-235中所有原子核都裂变时，释放的能量可达820亿焦耳。

而煤是以燃烧的形式提供能量。1千克标准煤燃烧后释放的热量折合29310千焦。二者相比较，同等质量时，铀的能量密度是煤的270多万倍。这就是一个1千克铀-235球体和45节火车皮煤炭能量相当的理论依据。

铀-235受到某种外力时，会发生裂变，而铀-238和铀-234则不会。这种外力就是中子。

当一个中子轰击铀-235的原子核时，原子核会破碎，分裂成两个质量较小的原子核，同时释放出约200兆电子伏特的能量。这个过程称为铀核裂变，简称裂变；产生的能量被称为原子能或核裂变能，简称核能。更奇妙的是，如果新产生的中子，恰好又轰击到另一个铀-235原子核，便会引发另一个新的裂变；以此类推，如果裂变反应不断地持续下去，核能就会连续不断地被释放出来。这就是铀核裂变链式反应。在链式反应中，当大量的铀原子不受控制地发生裂变时，就会产生核爆炸。同样，当链式反应得到控制，温和而稳定地进行时，铀-235就可以产生民用核能。

不过，这样的链式反应不会随便发生，需要很多条件，最基本的是纯度和质量。其一，核电站燃料所需铀-235的纯度要在3%至5%之间；其二，所含铀-235总量要足够多，即质量要足够大，起码在25千克以上，这是铀核裂变链式反应的临界质量。

1942年12月，科学家利用裂变原理，在美国建成了芝加哥一号反应堆，实现了人类历史上第一次可控核链式反应试验。此后，苏联科学家发明了第一个民用核电站，于1954年6月正式投入运行，净功率为5000千瓦，开辟了全球和平利用核能之路。

目前，全世界运行的核电机组共计438台。中国2020年核发电量跃居全球第二位。据世界核能协会的数据，2021年，全球核电机组发电量总量为26530亿千瓦时，占全球发电总量的10.3%。

铀-235在天然铀中只占0.7%。在用于核电站反应堆使用前，铀-235必须通过浓缩，将其纯度增加到3%至5%之间，再送到燃料制造厂，被转化为二氧化铀粉末，然后将其压缩成小的燃料颗粒，并加热制成坚硬的陶瓷材料。这些颗粒一般为直径10毫米、高10毫米的小圆柱体。随后，这些颗粒被插入到名为燃料棒的细管中，燃料棒再组合成燃料组件。每个组件中有90个以上的燃料棒。一旦装载，燃料会在其中停留数年。

1000兆瓦电力压水反应堆每年需要约27吨铀——约1800万个燃料颗粒装在5万多个燃料棒中。相比之下，同等规模的燃煤发电站需要超过250万吨的煤炭来产生同样多的电力。

从含碳角度看，核能是无碳能源，而煤是高碳能源；从技术全生命周期内的碳排放角度看，核电为9至70克/千瓦时，为低碳排放，而煤电为230至800克/千瓦时，是碳排放大户；从占地面积看，每1000兆瓦电力，核电占地面积为3.4平方千米，太阳能占地面积和风电占地面积分别约是核电占地面积的75倍和360倍。这也是大多数国家在利弊权衡后，对核电投下赞同票的重要原因。我国要实现“双碳”目标，大力发展核电是一个重要途径。

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