北極星核電網訊：核電站提供了世界上大約17%的電能。一些國家或地區對核電的依賴要比其他發電方式更高。例如，根據國際原子能機構提供的資料，在法國，大約75%的電是由核電站生產的。在美國，核電站共提供了大約15%的電能，但各州利用核電的情況並不統一。全世界共有超過400座核電站，而其中有超過100座在美國。
座落於北卡羅萊納州羅利市的希隆&dot；哈里斯 （Shearon Harris） 核電站的穹頂形的安全殼建築
您瞭解核電站的工作原理以及核能的安全性嗎？在這篇文章中，我們將為您介紹核反應堆和核電站的工作原理，並帶您瞭解核裂變的原理以及核反應堆的內部情況。
鈾是地球上一種相當普通的元素，在地球形成時就存在於這個行星中了。鈾原本是在恆星中形成的。年老的恆星爆炸，其塵埃聚集起來形成了地球。鈾-238 （U-238） 有一個非常長的半衰期（大於45億年），因此現在它們仍然大量存在。鈾-238佔地球上所有鈾的99%，鈾-235 約佔0。7%。鈾-234是由鈾-238衰變形成的，它更加稀少。（鈾-238經過很多階段的阿爾法和貝塔衰變才能轉變為穩定的鉛同位素，而鈾-234是這條反應鏈上的一環。）
鈾-235有一個奇特的特性讓它既可以用於核能發電也可以用於製造核彈。鈾-235和鈾-238一樣都是透過輻射阿爾法射線的方式衰變。鈾-235同時也在一小部分時間中進行著自發裂變。然而，鈾-235是少數能夠發生誘發裂變的物質之一。如果一個自由中子撞擊鈾-235的原子核，它的原子核將會立即吸收這個中子而變得不穩定，並馬上分解。請檢視核輻射揭秘以瞭解全部細節。
核裂變
下面的動畫演示了一箇中子從上部接近鈾-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子，它馬上分解為兩個輕一些的原子，同時釋放出兩個或三個新的中子（中子的個數取決於鈾-235原子分解的方式）。兩個新的原子釋放出伽馬射線並穩定到新的狀態。有三件事情讓這個誘發裂變過程變得有趣：
鈾-235原子捕捉一個正在穿過的中子的機率非常高。在正常工作的核反應堆中（稱為臨界狀態），每次裂變釋放出的中子都會導致另一次裂變的發生。
捕捉中子併發生分解的過程非常迅速，單位為皮秒（即1x10-12秒）。
當單個原子分解時，會有巨大的能量透過熱和伽馬輻射的形式釋放出來。裂變生成的兩個原子也能夠釋放貝塔和伽馬射線。單個裂變反應之所以能釋放出能量，是因為裂變產物和中子加在一起的質量比原來的鈾-235原子的質量要小。方程E=mc2決定了質量差異轉化為能量的比率。
單位約為200MeV（百萬電子伏特）的能量被鈾-235原子透過衰變釋放出來（下面的公式將這些量轉化為我們常見的單位，1eV=1。602x10-12爾格，1x107爾格=1焦耳，1焦耳=1瓦秒，而1BTU（熱量單位）=1055焦耳）。這些可能看上去不是很多，但是一斤鈾中有大量的鈾原子。事實上，一斤高濃鈾被用於為核潛艇或者核動力航母提供能量，這約等於380萬升汽油能提供的能量。如果考慮到一斤鈾的尺寸比一個棒球還小，而380萬升的汽油卻能夠裝滿邊長為15米（有五層樓高）的立方體，您就能對鈾-235 所蘊含的能量有個概念了。
為使鈾-235的這些特性得到發揮，鈾樣品必須得到濃縮，這樣它就含有2-3% 或者更高濃度的鈾-235。3%的濃度足夠用於核電站。武器中的鈾含有90%或更多的鈾-235。
核電站內部
建造一個核反應堆需要濃度低一些的鈾。通常，鈾被製作成直徑相當於10美分硬幣左右，長度為2。5釐米左右的燃料元件。燃料元件被安裝到長燃料棒中，燃料 棒被進一步組裝成燃料元件。燃料元件通常被浸泡在壓力容器中。容器中的水起冷卻作用。為使反應堆工作，浸泡在水中的燃料元件必須處於稍微超臨界的狀態。這意味著，如果沒有其他裝置，鈾最終將會過熱並熔化。
為防止這種情況出現，由吸收中子的材料製成的控制棒透過升降裝置插入到燃料元件中。操作員透過升降控制棒來控制核反應的程度。當操作員希望鈾堆芯產生更多 的熱量時，可將控制棒從鈾燃料元件中升起。要使熱量減少，則降低控制棒以插入到鈾燃料元件中。在發生事故或者更換燃料時，控制棒還能被完全插入鈾燃料元件 中以關閉核反應堆。
鈾燃料元件是一個能夠產生極高能量的熱源。它對水進行加熱並將其轉化為蒸汽。蒸汽推動蒸汽輪機，而汽輪機則帶動發電機來發電。在某些反應堆中，反應堆產生 的蒸汽透過二級中介熱交換裝置將另一個迴路的水加熱為蒸汽來轉動汽輪機。這種設計的好處是放射性的水或者水蒸汽不會接觸到汽輪機。同樣，在某些反應堆中， 與反應堆堆芯接觸的冷卻流體是氣體（如二氧化碳）或者液態金屬（如鈉或鉀），這種型別的反應堆允許堆芯在更高的溫度下工作。
如果除去核反應堆，核電站和火電站除了生成蒸汽的熱源不同外差異很少。
電站中輸送驅動發電機轉動的水蒸汽的管道
電站中輸送驅動發電機轉動的水蒸汽的管道
反應堆的壓力容器通常被放置在一個用作輻射防護的混凝土襯裡內。這個襯裡被安裝在一個更大的鋼製密閉容器中。這個容器中有反應堆堆芯以及供工作人員維護反應堆的硬體設施（吊車等）。該容器的作用是防止放射性氣體或液體洩漏。
最後，這個密閉容器被外部的混凝土建築保護，它的強度能夠承受噴氣式飛機的撞擊。這些二級密閉結構對防範如在三里島事故中那樣的輻射或放射性蒸汽的洩漏是必要的。前蘇聯的核電站中由於沒有二級密閉結構，最終導致了切爾諾貝利核電站事故。
哈里斯發電站冷卻塔中升起的蒸汽
核電站控制室中的工作人員能夠監視核反應堆並在發生故障時採取行動
鈾-235並不是核電站中唯一可用的燃料。核電站的另一種燃料是鈽-239。鈽-239 可以使用中子轟擊鈾-238得到——這就是核反應堆中時時刻刻發生著的事。
亞臨界、臨界和超臨界狀態
鈾-235原子分裂時會（根據分裂方式的不同）釋放出兩個或三個中子。如果附近沒有鈾-235原子，那麼這些中子將會以中子射線的方式飛走。如果鈾-235原子是一塊鈾的一部分——那麼附近就有其他鈾原子——於是將會發生下面三種情況：
如果，平均起來，每次裂變正好有一個自由中子擊中另一個鈾-235原子核並使它發生裂變，那麼這塊鈾的質量就被認為是臨界的。其質量將維持一個穩定的溫度。核反應堆必須被維持在臨界狀態。
如果，平均起來，擊中另一個鈾-235原子的自由中子少於一個，那麼這塊質量就是亞臨界的。最終，物質的誘發裂變會終止。
如果，平均起來，有超過一個自由中子擊中了另一個鈾-235原子，那麼這塊鈾的質量就是超臨界的。鈾會熱起來。
對於核彈，其設計者要求鈾的質量遠遠超過超臨界質量，這樣燃料塊中的所有鈾-235能夠在極短的時間內全部發生裂變。在核反應堆中，反應堆堆芯需要稍微超臨界，這樣工作人員就能控制反應堆的溫度。工作人員透過操作控制棒來吸收自由中子，以使反應堆維持在臨界水平。
燃料中鈾-235的含量（濃縮水平）和燃料塊的形狀決定了鈾的臨界狀況。可以想象，如果燃料是細薄的片狀，那麼多數自由中子將會飛出去而不是撞擊其他的鈾-235原子。球形是最佳的形狀。以球形聚集在一起以實現臨界反應的鈾-235的量大約為0。9公斤。這個量因此被稱為臨界質量。鈽-239的臨界質量大約是283 克。
可能出現的問題
核能發電有一個重要的優點——非常清潔。與火電站相比，核電站從環保角度來講簡直就是做到了極致。火電站向大氣中釋放的放射性物質比核電站還多，同時它還向大氣中釋放大量的碳、硫和其他元素，非常不幸的是，核電站的執行也存在一些嚴重的問題：
鈾的開採和提純並不是非常清潔的過程。
非正常執行的核電站能夠帶來大問題。切爾諾貝利災難是最近的一個例子。切爾諾貝利核電站的設計不良並且運作不當，這場災難展示了核電站可能發生的最糟糕的情況。切爾諾貝利核電站向大氣中洩漏了成噸的放射性塵埃。
核電站的乏燃料在幾百年內都是有毒的，並且到目前為止，世界上沒有能安全、永久地儲存它們的設施。
運輸核燃料往返於核電站帶來了一些風險，不過迄今為止，美國並沒有發生過這種事故。
很大程度上，以上這些問題使得在美國建設新核電站的嘗試偏離了正常軌道。因為社會似乎普遍認為建設核電站風險超過了回報。
揭秘核聚變反應堆工作原理
與其他能源相比，核聚變反應堆有幾項顯著的優點，因而一直備受媒體的關注。它們的燃料來源十分充足，輻射洩漏也處於正常範圍之內，與目前的核裂變反應堆相比，其放射性廢物更少。
然而迄今為止，還沒有人將這一技術應用到實踐中，但建造這種反應堆實際上已為期不遠。目前，核聚變反應堆正處於試驗階段，世界各個國家及地區的多個實驗室都開展了這項研究。
建立ITER核聚變反應堆工廠的建議地點——法國卡達拉什
美國、俄羅斯、歐洲和日本經過協商，建議在法國卡達拉什建立一座名為國際熱核試驗堆（ITER）的核聚變反應堆，旨在研究透過持續核聚變反應來發電的可行性。在本文中，我們將介紹關於核聚變的知識，並瞭解ITER反應堆的工作方式。
核聚變物理學:反應
核聚變的能量是透過兩個原子合併為一個原子而產生的。在核聚變反應堆中，氫原子發生聚變，進而形成氦原子、中子，並釋放巨大的能量。氫彈和太陽的能量就是靠這種反應提供的。與核裂變相比，核聚變所產生的能量更加清潔、安全、高效，其能量來源也更為豐富。目前的核反應堆利用核裂變來產生能量。在核裂變中，能量是透過一個原子分裂為兩個原子來釋放的。在傳統的核反應堆中，鈾的重原子在高能中子的轟擊下發生裂變，這會生成巨大的能量，同時產生長期的輻射和放射性廢物（詳見核電站工作原理）。
核聚變反應分為多種型別。其中大多數都涉及氫的同位素氘和氚：
質子-質子鏈——這一序列是太陽等恆星中最主要的核聚變反應模式。
兩對中子形成兩個氘原子。
每個氘原子與一個質子結合，生成一個氦3原子。
兩個氦3原子結合，生成不穩定的鈹6。
鈹6衰變為兩個氦4原子。
這些反應會生成高能粒子（質子、電子、中子、正電子），並放出輻射（光線、伽馬射線）。
氘-氘反應——兩個氘原子結合，生成一個氦3原子和一箇中子。
氘-氚反應——一個氘原子和一個氚原子結合，生成一個氦4原子和一箇中子。其中大部分能量以高能中子的形式釋放。
從概念上講，利用反應堆中的核聚變十分容易。但為了讓這一反應以可控、無害的方式進行，科學家們歷經周折。為了瞭解其中的緣由，我們需要先看一下發生核聚變的必要條件。
同位素
同位素是指質子數和電子數相同，但中子數不同的同一類元素的原子。下面是核聚變中一些常見的同位素：
氕是帶一個質子而沒有中子的氫同位素。它是氫的最常見的一種形式，也是宇宙中最普遍的元素。
氘是帶一個質子和一箇中子的氫同位素。它不具有放射性，可從海水中提取。
氚是帶一個質子和兩個中子的氫同位素。氚具有放射性，半衰期約為10年。氚不會自然形成，但用中子轟擊鋰可產生氚。
氦3是帶有兩個質子和一箇中子的氫同位素。
氦4是氦在自然界中最為普遍的一種形式，它帶有兩個質子和兩個中子。
發生核聚變的條件
當氫原子聚合時，它們的原子核必須結合在一起。然而，由於每個原子核中的質子都帶有相同的電荷（正電），因而會互相排斥。如果您曾試著將兩塊磁鐵放在一起並感到它們互相推開，則意味著您已親身體驗了這一原理。
若要實現核聚變，需要創造一些特殊的條件來克服這種排斥力。下面是發生核聚變的一些必要條件：
高溫——高溫可為氫原子提供足夠的能量，以克服質子之間的電荷排斥。
核聚變需要的溫度約為1億開（約是太陽核心溫度的六倍）。
在這樣的高溫下，氫的狀態為等離子體，而不是氣體。等離子體是物質的一種高能狀態，其中所有電子都從原子中剝離出來，並可以自由移動。
太陽的高溫是由重力壓縮核心的巨大質量而產生的。我們要製造出這樣的高溫，就必須利用微波、鐳射和離子粒子的能量。
高壓——壓力可將氫原子擠在一起。氫原子之間的距離必須在1x10-15米以內，才能進行聚合。
太陽利用其質量和重力將核心內的氫原子擠壓在一起。
我們要將氫原子擠壓在一起，必須使用強大的磁場、鐳射或離子束。
藉助目前的技術，我們只能實現發生氘-氚聚變所需的溫度和壓力。氘-氘聚變需要的溫度更高，這種溫度有可能在將來實現。基本上，利用氘氘聚變會更加方便，因為從海水中提取氘比從鋰中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反應可釋放更多的能量。
核聚變反應堆:磁約束
有兩種方法可實現發生氫聚變所需的溫度和壓力：
磁約束使用磁場和電場來加熱並擠壓氫等離子體。法國的ITER專案使用的就是這種方法。
慣性約束使用鐳射束或離子束來擠壓並加熱氫等離子體。在美國勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火設施中，科學家們正在對這種試驗方法展開研究。
我們首先探討磁約束。其工作原理如下：
加速器釋放出微波、帶電粒子束和中性粒子束，用於加熱氫氣的氣流。在高溫下，氫氣從氣態變為等離子體。這種等離子體受到超導磁體的擠壓，進而發生聚變。在用磁場約束等離子體時，最有效的磁體形狀是麵包圈形（即環形）。
等離子體環形室
採用這種形狀的反應堆稱為Tokamak。ITER Tokamak是一個獨立式反應堆，其部件都裝在不同的盒子中。進行維護時，工作人員可以方便地插入和拔出這些盒子，而不必拆開整個反應堆。該Tokamak的等離子體環形室將採用2米的內半徑和6。2米的外半徑。
磁約束:ITER示例
ITER Tokamak反應堆的主要元件包括：
ITER Tokamak
真空室——用於盛放等離子體，並將反應室置於真空中
中性束注入器（離子迴旋系統）—— 將加速器釋放的粒子束注入等離子體中，以便將等離子體加熱到臨界溫度
磁場線圈（極向環形）——用磁場來約束、定型和抑制等離子體的超導磁體
變壓器/中央螺線管——為磁場線圈供電
冷卻裝置（冷凍機、低溫泵）——用於冷卻磁體
包層模組——由鋰製成，用於吸收核聚變反應中的熱量和高能中子
收集器——排出核聚變反應中的氦產品
下面是磁約束核聚變過程的作用機制：
磁約束核聚變過程
核聚變反應堆加熱氘和氚燃料的氣流，使之形成高溫的等離子體。接下來，反應堆對等離子體施加壓力，繼而發生聚變。
啟動核聚變反應所需的電能約為70兆瓦特，但該反應生成的電能約為500兆瓦特。
核聚變反應將持續300到500秒（最終將形成持續的核聚變反應）。
等離子體反應室外部的鋰包層將吸收核聚變反應中釋放的高能中子，從而產生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，這些包層也會被加熱。
水冷迴路將熱量轉移至熱交換器，最終形成蒸氣。
蒸氣驅動電渦輪發電。
蒸氣將被重新壓縮成水，以便讓熱交換器吸收反應堆中的更多熱量。
起初，ITER Tokamak將測試建造持續核聚變反應堆的可行性，其最終將變為一座測試核聚變發電廠。
核聚變反應堆:慣性約束
在美國勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火設施（NIF）中，科學家們正在試驗用鐳射束來誘發聚變。在NIF裝置中，
192條鐳射束
將聚焦於一個直徑為10米的靶室上的一點，這個靶室稱為黑體輻射空腔。根據科學和工程百科全書，
黑體輻射空腔
是指“腔壁與腔內的輻射能量達到平衡的腔”。
慣性約束核聚變過程
在靶室內部的焦點上，將有一個豌豆大小的氘-氚粒狀物，其外側包有一個小型塑膠圓筒。鐳射的能量（180萬焦）將加熱圓筒，並生成X射線。 在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉化為等離子體，且壓力不斷升高，直至發生聚變。核聚變反應壽命很短，大約只有百萬分之一秒，但它釋放的能量是引發核聚變 所需能量的50到100倍。在這種型別的反應堆中，需要相繼點燃多個目標，才能產生持續的熱量。據科學家估計，每個目標的成本可控制在0。25美元左右， 從而大大降低了核電廠的成本。
核聚變點火過程
與磁約束核聚變反應堆類似，慣性約束核聚變中的能量也將被轉移至熱交換器生成蒸氣，進而透過蒸氣來發電。
核聚變的應用
核聚變的主要應用是發電，它可為後代提供安全、清潔的能源，與目前的核裂變反應堆相比，它具有以下幾個優點：
燃料供應充足——氘可直接從海水中提取，大量的氚可從核反應堆本身的鋰中獲得，而鋰又廣泛存在於地殼中。核裂變所需的鈾非常稀少，必須經過開採和濃縮後才能用於反應堆。
安全——與核裂變反應堆相比，核聚變所需的燃料較少。這樣便避免了不可控的能量釋放。與人類生存的自然界相比，大多數核聚變反應堆釋放的輻射並不算多。
清潔——核電廠（無論是裂變還是聚變）不靠燃燒發電，不會造成空氣汙染。
核廢物更少——核聚變反應堆不像核裂變反應堆那樣會生成大量的核廢物，因而處理起來會更加容易。另外，核裂變所產生的廢物屬於武器級的核材料，而核聚變的廢物則沒有這樣的危險。
目前，NASA正在研製一種小型的核聚變反應堆，用於為深空火箭提供動力。核聚變推進器具有無限的燃料供應（氫），其效率更高，可令火箭飛得更快。
冷核聚變
1989年，美國和英國的研究人員宣稱，他們在室溫條件下建造了核聚變反應堆，而沒有采用對高溫等離子體進行約束的方 法。他們將用鈀製成的電極置於盛有重水（氧化氘）的保溫瓶中，然後為重水通上電流。這些研究人員指出，鈀可以催化聚變，它能將氘原子間的距離拉近到足以發 生聚變的程度。但是，其他國家及地區的許多科學家並未能得到相同的結果。
2005年4月，冷核聚變取得巨大進展。美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）的科學家利用熱電晶體引發了核 聚變。他們將晶體放入盛有氫的小型容器中，並對晶體加熱，進而形成一個電場。接下來，他們將一根金屬線插入容器來吸收電荷。聚焦的電場對帶正電荷的氫原子 核產生極強的排斥力，這使得原子核快速掙離金屬線，併發生相互碰撞，其力度足以實現聚合。這一反應是在室溫條件下進行的。