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上期我们一起了解了核聚变以及它的未来，我提到了核能的工作原理，那么这期我们就来详细了解一下核能到底是怎么运作的？

废话不多说，咱们首先系统的看一下：如何把核能转换成可用的能源？

在发电站，涡轮机通过电磁感应转动转子发电。

在核电站，核裂变反应释放的能量被用来驱动这些涡轮机。

核电站部件：

反应堆和发电机不同部分的功能总结如下：

铀燃料棒：原子核在受控的连锁反应中被中子分裂，释放出大量能量。释放的能量加热了流经反应堆堆芯的冷气体。

硼控制棒：硼控制棒吸收中子。当燃料棒降低到反应堆堆芯以吸收一些中子时，裂变反应的速率就会降低。

石墨核：作为慢化剂来减缓裂变产生的快中子。较慢的中子更容易被铀核俘获。

混凝土屏蔽：防止反应堆堆芯辐射泄漏。

线圈和磁铁：磁铁由涡轮机旋转。电是由电磁感应产生的。

核反应堆：可裂变燃料的受控核裂变，如核反应堆。

热交换器：非常热的气体产生的热能被用来把水烧成蒸汽。反应器与热交换器相连。在这里，反应堆中产生的热量通过一根螺旋管使冷却剂循环而转移到水里。水被转化成蒸汽。冷却剂被泵送回反应堆。

汽轮机：汽轮机在高压下靠蒸汽流转动。热交换器中产生的蒸汽用于运行汽轮机。乏蒸汽作为热水送回热交换器。

发电机：汽轮机的轴与发电机相连。这样产生的电被送去传输。

好了，概括就到这，我们接下来把重要的部分深入研究下：

什么是原子能？

我们可以想象一栋高层建筑储存能量势能。你必须努力把砖块和其他建筑材料从地面抬到正确的位置，只要它们正确的留在你放的地方，它们就可以无限期地储存能量。但是一座不稳定的建筑迟早会倒塌，当它倒塌时，建造它的材料会坠落回地面，释放出储存的热能、声音和动能。

原子（物质的组成部分）就是这样的。一些大原子是非常稳定的，并且非常乐意留下来，因为它们几乎是永远存在的。但其他原子以不稳定的形式存在，称为放射性同位素。它们是摇摇晃晃的不稳定建筑的原子等价物：迟早，它们肯定会倒塌，分裂成碎片，并在途中释放能量。当大原子分裂成一个或多个小原子，在这个过程中释放出其他粒子和能量，我们称之为核裂变。这是因为原子的中心部分（原子核）是分裂的部分，而裂变是分裂的另一个词。核裂变可以自发发生，在这种情况下我们称之为放射性衰变（不稳定的放射性同位素转化为不具放射性的稳定原子）。它也可以按需求进行，这就是我们如何从核电站的原子中获取能量。这种裂变被称为核反应。

那么一个原子能产生多少能量？是惊人的数量！

咱们先看下这个方程E=mc²

E是能量，m是质量，c是光速，爱因斯坦的方程说明你可以把一个微小的质量变成一个巨大的能量。为什么这么说？从数学上看，c是一个非常巨大的数字（300000000），所以c²更大：900000000000000000。这就是你从一公斤质量中得到的焦耳数（能量的标准量度）。理论上，如果你能把大约70亿个氢原子完全转化为能量，你会得到大约1焦耳（相当于10瓦灯泡在十分之一秒内消耗的能量）。然而，这些只是粗略估计的数字。我们真正需要注意的一点是：由于在一个很小的物质中有几十亿个原子，所以应该可以从一点都不多的物质中产生大量的能量。这就是核能背后的基本理念。

实际上，核电站并不是通过完全消除原子来工作的；相反，它们将非常大的原子分裂成更小、结合更紧密、更稳定的原子。在我们可以利用的过程中释放能量。根据能量守恒定律的物理学基本规则，核裂变反应中释放的能量等于原始原子的总质量（和所有把它结合在一起的能量）减去它分裂成的原子的总质量（和所有把它们结合在一起的能量）。

什么是连锁反应？

如果我们让许多原子一个接一个地分裂呢，理论上，可以让它们释放出大量的能量。如果分解几十亿个原子听起来像是一个好大的工程（就像分解几十亿个鸡蛋来做一个煎蛋饼），那么有一件更方便的事情可以帮助我们：一些放射性同位素会继续在所谓的连锁反应中自动分裂，产生我们想用多久就用多久的能量。

假设我们拿一个非常重的原子，一种稳定的铀，叫做铀235。它的每个原子都有一个原子核，原子核中有92个质子和143个中子。向铀235发射一个中子，你就把它变成铀236：同一个原子（铀的放射性同位素）的一个不稳定版本，有92个质子和144个中子（记住，现在我们在一个反应堆里多发射了一个）。铀-236太不稳定，不能长时间逗留，所以它分裂成两个更小的原子，钡和氪，释放出相当多的能量，同时发射出三个备用中子。

现在最关键的是，多余的中子可以撞击其他铀235原子，使它们也分裂开来。当这些原子分裂时，也会产生多余的中子。因此，单个铀235原子的一次裂变就迅速变成了连锁反应——一次失控的“核雪崩”，以热的形式释放出大量能量。

接下来许多人最关心的问题：核电站和核弹有什么区别？

在核弹中，连锁反应是不受控制的，这就是为什么核武器具有如此可怕的破坏性。整个连锁反应在几分之一秒内发生，一个分裂的原子产生两个、四个、八个、十六个等等，眨眼间释放出大量的能量。在核电站中，连锁反应被非常小心地控制，因此它们以相对缓慢的速度进行，只足以维持自身，在许多年或几十年的时间里非常稳定地释放能量。

核电站中不存在失控的连锁反应。

核电站是如何工作的？

我们已经知道如何从原子中获得能量，但是我们得到的能量并没有那么有用：它只是一个巨大的热量！我们如何把它变成更有用的东西，即电？核电站的工作原理其实与传统的发电厂非常相似，但它从原子中产生热能，而不是燃烧煤、石油、天然气或其他燃料。它产生的热量被用来煮沸水来制造蒸汽，从而驱动一个或多个与发电机相连的巨型汽轮机，这些汽轮机产生我们所使用的电力。

最后我们再来看一遍流程：

首先，铀燃料被装入反应堆——一个巨大的混凝土圆顶，它被加固以防爆炸。在反应堆的中心（堆芯），原子分裂并释放热能，产生中子并在小心控制的核反应中分裂其他原子。

由镉和硼等材料制成的控制棒可以升高或降低到反应堆中，以吸收中子，减缓或加速连锁反应。

水被泵入反应堆以收集连锁反应产生的热能。它不断地绕着一个闭环流动，这个闭环将反应器与热交换器连接起来。

在换热器内部，来自反应堆的水将其能量释放给另一个闭环中流动的冷却水，将其转化为蒸汽。使用两个未连接的水回路和热交换器有助于将受放射性污染的水安全地存放在一个地方，并远离核电站的大多数设备。

来自热交换器的蒸汽通过管道输送到涡轮机。当蒸汽吹过涡轮的叶片时，它们高速旋转。

旋转的涡轮与发电机相连，使发电机也旋转。

发电机产生的电能流向电网和我们的家庭、商店、办公室和工厂。

核电站能像核弹一样爆炸吗？

我见过许多人不知道来龙去脉就在那瞎喊反对核能的，他们认为核电站就像巨大的核弹，只等着爆炸和毁灭文明。可笑，虽然核电站和核弹都是基于原子分裂的核反应，但这没啥卵用的相似性正是让这些人瞎喊的原因。

首先，不同等级的铀被用于发电厂和核弹（有些核弹使用钚，但那是另一回事）。原子弹需要极纯（浓缩）的铀-235，它是通过去除天然铀中的污染物（特别是铀的另一种同位素铀-238）制成的。除非污染物被清除，否则它们会阻止核连锁反应的发生。发电厂可以使用纯度较低、普通得多的铀，只要它们添加另一种称为慢化剂的物质。慢化剂通常由碳或水制成，能有效地“转化”纯度较低的铀，从而使连锁反应发生。（我不想在这里细说，它是通过减慢中子的速度来工作的，这样它们就不太容易被铀-238杂质吸收，并且有更大的机会在非常重要的铀-235中引起裂变。）我们真正需要知道的是，慢化剂使链式反应在相对不纯的铀中成为可能。

一座核电站的发电量将达到2-3GW，相当于一座大型煤电厂的发电量，或者1000-1500台大型风力涡轮机的发电量。

核电站产生的碳排放量比化石燃料电站（煤、石油和天然气）低得多。

通过粉碎原子来释放能量比通过“燃烧”（通过我们称之为燃烧的化学反应释放能量）要有效得多。这就是为什么核电站需要少量的燃料（与化石燃料电站相比）。

核电站有助于减少一个国家对中东等不稳定地区进口石油的依赖。核能是一个有吸引力的选择。

好了，本期的了解就到这了，我是痞子，如果你对我的科普感兴趣，可以我并且留言哦。#科技##核能##科学##我来科普##生活#

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作者：痞子，90后工科男，有过三次创业经历，目前从事高新科技。科普、分享个人精进干货，一起学一点~