核裂变与核聚变
原子核内蕴藏着巨大的能量，可以通过两种截然相反的方式加以利用：裂变，即将一个沉重且不稳定的原子分裂成更小的粒子；以及聚变，即迫使微小的原子融合为一个更大的原子。裂变为我们当前的电网提供动力，而聚变则是恒星赖以生存的能量来源，代表着清洁能源的未来。
亮点
- 核裂变如今为成千上万个家庭提供电力，而核聚变则为整个太阳系提供动力。
- 地球上发生核聚变需要1亿摄氏度的高温。
- 利用硼棒或镉棒吸收中子来控制裂变链式反应。
- 这两个过程产生的能量都来自爱因斯坦著名的方程式 $E=mc^2$。
核裂变是什么？
将一个较重的原子核分裂成两个或多个较小的原子核，并释放出大量能量的过程。
- 主要利用铀-235或钚-239等重元素作为燃料。
- 由中子撞击大原子核引发，导致原子核不稳定并分裂。
- 产生链式反应，释放出的中子会进一步分裂相邻的原子。
- 由此产生的放射性废物会在数千年内保持危险性。
- 目前，核能是全球唯一被商业化用于发电的核能形式。
核聚变是什么？
两个较轻的原子核结合形成一个较重的原子核，并在过程中释放出巨大能量的反应。
- 通常使用氢同位素（氘和氚）等轻元素作为燃料。
- 需要极端温度和压力，例如太阳核心的温度和压力。
- 产生副产品氦气，氦气无毒无放射性。
- 与裂变相比，每克燃料产生的能量几乎是裂变的四倍。
- 由于难以控制等离子体，商业可行性仍处于实验阶段。
比较表
| 功能 | 核裂变 | 核聚变 |
|---|---|---|
| 基本定义 | 重原子核分裂 | 轻核合并 |
| 燃料需求 | 重同位素（铀、钚） | 轻同位素（氢、氦） |
| 能量产率 | 高的 | 极高（3-4倍裂变） |
| 产生的废物 | 长寿命放射性同位素 | 氦（惰性/非放射性） |
| 运行条件 | 临界质量和中子控制 | 极高温度（数百万度） |
| 安全风险 | 如果不加以控制，可能会发生崩溃。 | 崩溃不可能发生；反应会直接停止。 |
详细对比
能量释放机制
核裂变的原理是破坏大原子的稳定性；当原子核分裂时，产生的碎片质量略小于原原子。这“缺失的质量”会转化为能量。核聚变也基于类似的质量亏损原理，但它发生在较轻的原子核被紧密挤压在一起，克服了它们之间的天然电斥力，从而融合为一个更稳定的单一实体时。
环境影响和废物
裂变电站会产生乏燃料棒，由于其放射性极强，必须安全储存数千年。相比之下，聚变被视为绿色能源的“圣杯”，因为其主要副产品是氦。虽然聚变反应堆结构本身会随着时间的推移产生轻微放射性，但其产生的废物寿命要短得多，危险性也远低于裂变副产品。
燃料短缺和可及性
用于核裂变的铀是一种有限资源，必须开采并经过精细提纯，这是一个成本高昂且能源密集的过程。而聚变燃料，特别是氘，可以从普通海水中提取，氚则可以从锂中“增殖”出来。这使得聚变燃料的潜在供应几乎取之不尽用之不竭，如果这项技术成熟，其供应可持续数百万年。
控制和安全标准
裂变反应堆需要达到“临界质量”并对中子进行精确减速，以防止失控反应。如果冷却系统失效，燃料温度可能过高，最终熔穿安全壳。聚变反应堆则恰恰相反；它们极难维持运行。如果系统的任何部分发生故障或等离子体受到扰动，温度会瞬间下降，反应也会迅速停止，从而从物理上讲，大规模熔毁是不可能的。
优点与缺点
核裂变
优点
- +成熟的技术
- +全天候可靠供电
- +低碳排放
- +已建立的基础设施
继续
- −放射性废物
- −采矿的影响
- −事故风险
- −核扩散担忧
核聚变
优点
- +无限的燃料供应
- +不产生长期废物
- +固有安全性
- +最高能量密度
继续
- −尚未具备商业可行性
- −极端高温要求
- −极高的研究成本
- −复杂工程
常见误解
聚变反应堆可能会像氢弹一样爆炸。
这种担忧很常见，但聚变反应堆在任何时刻所含的燃料都非常少。如果发生故障，等离子体会膨胀并冷却，立即停止反应。它根本不可能发生失控爆炸。
核能是最危险的能源形式。
从统计数据来看，即使考虑到重大事故，核能（裂变）每生产1太瓦时能源造成的死亡人数也是最少的。就与劳动力和污染相关的死亡人数而言，它实际上比煤炭、石油，甚至一些可再生能源设施都更安全。
核废料的危险性将永远存在。
虽然“永远”有些夸张，但裂变废料确实会保持放射性约1万至25万年。然而，目前正在研发的新型反应堆设计可以将这些陈年废料作为燃料“燃烧”，从而缩短其放射性寿命并降低其毒性。
核聚变总是被说成“还需要30年”，永远不会实现。
虽然这个玩笑已经流传了几十年，但我们最近终于实现了“点火”——即聚变反应产生的能量超过了用于启动反应的激光能量。随着私人投资和超级计算加速研究，实现这一目标的时间表正在不断缩短。
常见问题解答
原子弹的制造过程是怎样的？
为什么聚变需要如此高的温度？
裂变中的“链式反应”是什么？
聚变反应堆产生的氦气会对大气层构成威胁吗？
我们如何保存温度高达1亿度的物体？
核裂变会导致全球变暖吗？
核聚变能用来为汽车或飞机提供动力吗？
什么是“冷聚变”？
裁决
利用核裂变技术可以获得即时、可靠的低碳基础电力，因为它是一项成熟且我们熟知的技术。同时，如果我们能够克服在地球上维持类似恒星温度的巨大工程难题，那么核聚变将是清洁能源的最终长期解决方案。
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