什么是核裂变
铀、钚等重原子核吸收中子后,分裂成两个较轻原子核的反应。原子核分裂时,会释放出两个比原来更轻的原子核,同时伴随释放几个中子和大量能量。
核裂变的链式反应
核裂变时释放出的中子再去撞击其他原子核使其分裂,反应因此自行持续下去,这称为链式反应。用控制棒等方式让这一链式反应缓慢可控地进行,便是核能发电的原理;而让其瞬间剧烈爆炸式发生,则是原子弹的原理。
什么是核聚变
氢等较轻的两个原子核结合成一个较重原子核(如氦)的反应。这是与核裂变方向完全相反的反应,要让两个原子核结合,需要克服原子核之间强大的排斥力,因此需要极高的温度和压强环境。
太阳为什么会发光发热
在太阳核心,四个氢原子核持续不断地聚合成一个氦原子核,这一核聚变反应从未停止。生成的氦原子核质量比原来四个氢原子核相加略轻一点,这部分"消失"的质量转化为巨大的能量,以太阳的光和热向宇宙空间扩散。
E=mc²与质能转换
无论是核裂变还是核聚变,反应前后都会出现极其微小的质量差,而这部分质量会按照爱因斯坦的质能等价公式转化为能量。根据这一公式,能量(E)等于质量(m)乘以光速(c)的平方,正因如此,极其微小的质量变化就能解释巨大的能量。
核裂变发电与核聚变发电的区别
核裂变已经在全世界的核电站中实现商业化应用,而核聚变至今尚未有成功实现商业化发电的案例。要实现核聚变,需要人为地长期维持相当于太阳内部的超高温、超高压状态,而能够经济可行地做到这一点的技术目前仍在开发中。
国际热核聚变实验堆(ITER)等挑战
多个国家正共同参与建设国际热核聚变实验堆(ITER)等大型实验设施,以验证商用核聚变发电的可行性。一旦核聚变发电得以实现,其燃料(氢)容易获取,预计产生的高放射性废料也会比核裂变少得多,因此被称为"梦想能源",许多国家都在积极投入研究。
放射性废料的比较
核裂变发电会留下需要长期管理的高放射性废料,而核聚变反应产生的放射性废料相对要少得多。不过,核聚变反应堆本身的结构材料在长期暴露于中子照射下也会被活化,因此针对核聚变废料的管理方案研究同样在持续进行中。