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上期我們一起了解了核聚變以及它的未來，我提到了核能的工作原理，那麼這期我們就來詳細瞭解一下核能到底是怎麼運作的？

廢話不多說，咱們首先系統的看一下：如何把核能轉換成可用的能源？

在發電站，渦輪機透過電磁感應轉動轉子發電。

在核電站，核裂變反應釋放的能量被用來驅動這些渦輪機。

核電站部件：

反應堆和發電機不同部分的功能總結如下：

鈾燃料棒：原子核在受控的連鎖反應中被中子分裂，釋放出大量能量。釋放的能量加熱了流經反應堆堆芯的冷氣體。

硼控制棒：硼控制棒吸收中子。當燃料棒降低到反應堆堆芯以吸收一些中子時，裂變反應的速率就會降低。

石墨核：作為慢化劑來減緩裂變產生的快中子。較慢的中子更容易被鈾核俘獲。

混凝土遮蔽：防止反應堆堆芯輻射洩漏。

線圈和磁鐵：磁鐵由渦輪機旋轉。電是由電磁感應產生的。

核反應堆：可裂變燃料的受控核裂變，如核反應堆。

熱交換器：非常熱的氣體產生的熱能被用來把水燒成蒸汽。反應器與熱交換器相連。在這裡，反應堆中產生的熱量透過一根螺旋管使冷卻劑迴圈而轉移到水裡。水被轉化成蒸汽。冷卻劑被泵送回反應堆。

汽輪機：汽輪機在高壓下靠蒸汽流轉動。熱交換器中產生的蒸汽用於執行汽輪機。乏蒸汽作為熱水送回熱交換器。

發電機：汽輪機的軸與發電機相連。這樣產生的電被送去傳輸。

好了，概括就到這，我們接下來把重要的部分深入研究下：

什麼是原子能？

我們可以想象一棟高層建築儲存能量勢能。你必須努力把磚塊和其他建築材料從地面抬到正確的位置，只要它們正確的留在你放的地方，它們就可以無限期地儲存能量。但是一座不穩定的建築遲早會倒塌，當它倒塌時，建造它的材料會墜落回地面，釋放出儲存的熱能、聲音和動能。

原子（物質的組成部分）就是這樣的。一些大原子是非常穩定的，並且非常樂意留下來，因為它們幾乎是永遠存在的。但其他原子以不穩定的形式存在，稱為放射性同位素。它們是搖搖晃晃的不穩定建築的原子等價物：遲早，它們肯定會倒塌，分裂成碎片，並在途中釋放能量。當大原子分裂成一個或多個小原子，在這個過程中釋放出其他粒子和能量，我們稱之為核裂變。這是因為原子的中心部分（原子核）是分裂的部分，而裂變是分裂的另一個詞。核裂變可以自發發生，在這種情況下我們稱之為放射性衰變（不穩定的放射性同位素轉化為不具放射性的穩定原子）。它也可以按需求進行，這就是我們如何從核電站的原子中獲取能量。這種裂變被稱為核反應。

那麼一個原子能產生多少能量？是驚人的數量！

咱們先看下這個方程E=mc²

E是能量，m是質量，c是光速，愛因斯坦的方程說明你可以把一個微小的質量變成一個巨大的能量。為什麼這麼說？從數學上看，c是一個非常巨大的數字（300000000），所以c²更大：900000000000000000。這就是你從一公斤質量中得到的焦耳數（能量的標準量度）。理論上，如果你能把大約70億個氫原子完全轉化為能量，你會得到大約1焦耳（相當於10瓦燈泡在十分之一秒內消耗的能量）。然而，這些只是粗略估計的數字。我們真正需要注意的一點是：由於在一個很小的物質中有幾十億個原子，所以應該可以從一點都不多的物質中產生大量的能量。這就是核能背後的基本理念。

實際上，核電站並不是透過完全消除原子來工作的；相反，它們將非常大的原子分裂成更小、結合更緊密、更穩定的原子。在我們可以利用的過程中釋放能量。根據能量守恆定律的物理學基本規則，核裂變反應中釋放的能量等於原始原子的總質量（和所有把它結合在一起的能量）減去它分裂成的原子的總質量（和所有把它們結合在一起的能量）。

什麼是連鎖反應？

如果我們讓許多原子一個接一個地分裂呢，理論上，可以讓它們釋放出大量的能量。如果分解幾十億個原子聽起來像是一個好大的工程（就像分解幾十億個雞蛋來做一個煎蛋餅），那麼有一件更方便的事情可以幫助我們：一些放射性同位素會繼續在所謂的連鎖反應中自動分裂，產生我們想用多久就用多久的能量。

假設我們拿一個非常重的原子，一種穩定的鈾，叫做鈾235。它的每個原子都有一個原子核，原子核中有92個質子和143箇中子。向鈾235發射一箇中子，你就把它變成鈾236：同一個原子（鈾的放射性同位素）的一個不穩定版本，有92個質子和144箇中子（記住，現在我們在一個反應堆裡多發射了一個）。鈾-236太不穩定，不能長時間逗留，所以它分裂成兩個更小的原子，鋇和氪，釋放出相當多的能量，同時發射出三個備用中子。

現在最關鍵的是，多餘的中子可以撞擊其他鈾235原子，使它們也分裂開來。當這些原子分裂時，也會產生多餘的中子。因此，單個鈾235原子的一次裂變就迅速變成了連鎖反應——一次失控的“核雪崩”，以熱的形式釋放出大量能量。

接下來許多人最關心的問題：核電站和核彈有什麼區別？

在核彈中，連鎖反應是不受控制的，這就是為什麼核武器具有如此可怕的破壞性。整個連鎖反應在幾分之一秒內發生，一個分裂的原子產生兩個、四個、八個、十六個等等，眨眼間釋放出大量的能量。在核電站中，連鎖反應被非常小心地控制，因此它們以相對緩慢的速度進行，只足以維持自身，在許多年或幾十年的時間裡非常穩定地釋放能量。核電站中不存在失控的連鎖反應。

核電站是如何工作的？

我們已經知道如何從原子中獲得能量，但是我們得到的能量並沒有那麼有用：它只是一個巨大的熱量！我們如何把它變成更有用的東西，即電？核電站的工作原理其實與傳統的發電廠非常相似，但它從原子中產生熱能，而不是燃燒煤、石油、天然氣或其他燃料。它產生的熱量被用來煮沸水來製造蒸汽，從而驅動一個或多個與發電機相連的巨型汽輪機，這些汽輪機產生我們所使用的電力。

最後我們再來看一遍流程：

首先，鈾燃料被裝入反應堆——一個巨大的混凝土圓頂，它被加固以防爆炸。在反應堆的中心（堆芯），原子分裂並釋放熱能，產生中子並在小心控制的核反應中分裂其他原子。

由鎘和硼等材料製成的控制棒可以升高或降低到反應堆中，以吸收中子，減緩或加速連鎖反應。

水被泵入反應堆以收集連鎖反應產生的熱能。它不斷地繞著一個閉環流動，這個閉環將反應器與熱交換器連線起來。

在換熱器內部，來自反應堆的水將其能量釋放給另一個閉環中流動的冷卻水，將其轉化為蒸汽。使用兩個未連線的水迴路和熱交換器有助於將受放射性汙染的水安全地存放在一個地方，並遠離核電站的大多數裝置。

來自熱交換器的蒸汽透過管道輸送到渦輪機。當蒸汽吹過渦輪的葉片時，它們高速旋轉。

旋轉的渦輪與發電機相連，使發電機也旋轉。

發電機產生的電能流向電網和我們的家庭、商店、辦公室和工廠。

核電站能像核彈一樣爆炸嗎？

我見過許多人不知道來龍去脈就在那瞎喊反對核能的，他們認為核電站就像巨大的核彈，只等著爆炸和毀滅文明。可笑，雖然核電站和核彈都是基於原子分裂的核反應，但這沒啥卵用的相似性正是讓這些人瞎喊的原因。

首先，不同等級的鈾被用於發電廠和核彈（有些核彈使用鈽，但那是另一回事）。原子彈需要極純（濃縮）的鈾-235，它是透過去除天然鈾中的汙染物（特別是鈾的另一種同位素鈾-238）製成的。除非汙染物被清除，否則它們會阻止核連鎖反應的發生。發電廠可以使用純度較低、普通得多的鈾，只要它們新增另一種稱為慢化劑的物質。慢化劑通常由碳或水製成，能有效地“轉化”純度較低的鈾，從而使連鎖反應發生。（我不想在這裡細說，它是透過減慢中子的速度來工作的，這樣它們就不太容易被鈾-238雜質吸收，並且有更大的機會在非常重要的鈾-235中引起裂變。）我們真正需要知道的是，慢化劑使鏈式反應在相對不純的鈾中成為可能。

一座核電站的發電量將達到2-3GW，相當於一座大型煤電廠的發電量，或者1000-1500臺大型風力渦輪機的發電量。

核電站產生的碳排放量比化石燃料電站（煤、石油和天然氣）低得多。

透過粉碎原子來釋放能量比透過“燃燒”（透過我們稱之為燃燒的化學反應釋放能量）要有效得多。這就是為什麼核電站需要少量的燃料（與化石燃料電站相比）。

核電站有助於減少一個國家對中東等不穩定地區進口石油的依賴。核能是一個有吸引力的選擇。

好了，本期的瞭解就到這了，我是痞子，如果你對我的科普感興趣，可以關注我並且留言哦。#科技##核能##科學##我來科普##生活#

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