从“吃葡萄皮”到“种太阳”,核能藏着多少秘密

□ 闫晓钰

  • 来源:科普时报
  • 作者:
  • 2025-07-04 10:01

7月3日至9日是全国核应急宣传周,旨在提高公众对核安全的认识,增强核应急意识。说到核,不妨先从原子的结构说起——如果将一个原子的大小比作一座足球场,那么原子核就相当于其中一只小蚂蚁,但可千万别小看它。

如果用一个中子去轰击原子核,它会瞬间发生裂变,同时释放出惊人的能量。举个直观的例子:1千克铀-235(U235)完全裂变产生的能量,相当于2700吨标准煤燃烧所释放的能量。这样巨大的能量该如何被人类合理利用?一个微小的原子又能怎样为解决全球能源问题贡献力量?

在福建福清,我亲眼见到了我国具有完全自主知识产权的“华龙一号”核电站。在它那标志性的蓝色堆芯里,正发生着奇妙的能量转化:热中子持续轰击U235原子核,促使其裂变释放能量,这些能量先转化为热能,再转化为动能,最终变成清洁的电能,源源不断地输送到千家万户。这种利用热中子驱动核裂变的反应堆,被称为热堆。

热堆所使用的燃料U235是取之不尽的吗?答案是否定的。实际上,天然铀矿中U235的含量仅占0.7%,就像一串葡萄里的葡萄皮那样稀少,其余绝大部分都是铀-238(U238)。有趣的是,热堆的“胃口”很特别——就好比吃葡萄时只啃葡萄皮,却“吃不下”葡萄肉(U238)。据测算,按照目前的消耗速度,全球已探明的U235资源仅够人类使用80年左右。

有没有一种反应堆,能够做到连葡萄带皮一起“吃”呢?

在北京房山脚下的中国实验快堆,采用快中子引发核裂变反应的技术原理,能够有效利用此前难以发挥作用的U238。这一突破使铀资源的利用率提升至60%以上,按照当前的能源消耗水平测算,其产生的能源可供人类使用上千年。

正如古人所言“朝菌不知晦朔,蟪(huì)蛄不知春秋”,即便以千年为计,看似已足够漫长,却依然无法丈量人类思想的边界——从东方逐日的夸父到西方盗火的普罗米修斯,人类对太阳的探索与想象从未停歇,而太阳源源不断的能量,正源于其核心的核聚变反应。更重要的是,核聚变堪称“完美能源”:它的原料在自然界中几乎取之不尽;反应过程中不产生二氧化碳等温室气体,也不会留下长寿命的放射性废料。正因如此,它被视作人类摆脱能源困境、实现可持续发展的理想方向,承载着人类对清洁能源的终极想象。

人类能否在地球上“种出”太阳?在位于四川成都的中核集团核工业西南物理研究院,我国规模最大、参数最高的托卡马克装置——“中国环流三号”赫然在目。它通过磁场构筑一个“无形的笼子”,将带电的等离子体束缚在磁场内产生聚变。但这个“磁笼子”的建造绝非易事:它需要在极端环境下稳定运行,耐受超高温与巨大压力。

不过,好消息已经传来:今年,“中国环流三号”在国际上首次发现并实现了一种先进磁场结构,标志着我们向可控核聚变又迈出了全新一步。

从“两弹一星一艇”筑牢共和国的安全屏障,到全球热堆中的佼佼者“华能一号”;从可作为千年能源支柱的快堆,到承载着亿年能源梦想的“人造太阳”,我国的核能发展之路,既充满浪漫的理想主义色彩,又贯穿着严谨的理性精神。这条道路虽充满挑战,却始终朝着目标坚定前行,这正是我国“热堆—快堆—聚变堆”的核能三步走战略。

(作者系中核集团中国核动力研究设计院助理工程师)

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