[科普中国]-核电站与烧火做饭

习主席访英期间，我国斥资约588亿元拿下英国核电大单，最让国人骄傲的是，我国自主研发的“华龙一号”压水堆核电技术将用于英国布拉德韦尔核电站项目，这是我国核电技术第一次出口到老牌发达国家，很多网友高兴的同时，更希望对诸如“压水堆”、“重水堆”、“快中子增殖堆”以及核电的原理有更进一步通俗易懂地了解。鉴于此，咱们今天就来一起愉快地聊聊核电。
你身边的质能等价

图1 核电站发电原理图

核电站常给人一种既神秘又高大上的感觉，但其实，其发电的原理跟我们日常生活中见到的现象，比如烧火做饭等等，本质上是相似的。
例如，空气中的水蒸气凝结成水时会放出热量，而水结冰时也要放出能量，这个能量从广义上来说叫做“结合能”，判断会不会放出结合能的方法之一是，根据逆反应进行推断，比如，把水变成蒸气需要加热，把冰融化成水也需要加热。反过来就可以推出，水蒸气液化成水，水凝固成冰，当然要放出能量了。

图2 冰的融化过程

以上反应发生在分子与分子之间，在更小的原子世界也如此，比如一个质子和一个电子共同结合成一个氢原子时要放出13.6电子伏的能量，而当两个氢原子不期而遇，结合成氢气分子时，也要放出4电子伏的能量；还有，当一个碳原子和两个氧原子结合，也会产生“火花”（碳的燃烧现象），它们生成一个二氧化碳分子，并放出4.1电子伏的能量。

图3燃烧就是一个结合并放出结合能的过程

可见，微观粒子结合在一起时都会放出能量，它叫做结合能。那么结合能的能量是从哪儿来呢？根据爱因斯坦的质能方程，我们知道，能量的产生必然伴随着质量的亏损。
华裔美籍物理学家徐一鸿（Anthony Zee）在他的著作中这样说：事实上，在烧一截木头时，如果我们仔细地称量了木块、灰烬、炭碴和闪着火焰的热气的质量，就会发现，有一小部分质量消失了，它们被转变成能量了。
只是，诸如像氧气和碳结合成二氧化碳这种燃料现象，质量亏损极少，难以计量，所以在化学反应中，我们通常不说结合能，而说化学能。
即使如此，我们也要站在一个更高的角度来认识质量和能量的关系，正如英国物理学家，亚利桑那州立大学教授保罗•戴维斯在他的书中所言的观点：质量就是锁闭起来的能量，而能量就是释放了的质量。
如此说来，咱们可是一直在使用结合能呢，比如北方的冬天，为防止地窖中储藏的食物被冻坏，一个办法是在地窖里放一大桶水，这一桶水在逐渐变成冰块的过程中放出热量，从而防止温度过低。还有，所有的烧火做饭也都是在释放结合能，且这种能量比前者要大得多。
打开原子之门
既然大到分子之间、原子之间的结合都能放出能量，那么小到原子核的内部——原子核之间的结合更能放出能量了，且这种能量更为巨大。
等等！我读书少，你可不要骗我，咱们现在讨论的是核电，而核电采用的铀原子分裂从而产生能量的，但你现在说的却是因“结合”而产生的能量，这不是相反的吗？
别急，虽然人类先有原子弹，才有氢弹，先有核电站，才有……其实到现在也没有聚变电站。在无数人的眼中，不管怎样，聚变看上去都要比裂变高贵得多，然而，在原理上，聚变反而更简单一些，而裂变却稍微要绕一点儿，虽然它们的本质原理都相同。因此，虽然咱们说的是核电，到不如先从聚变一步步推出裂变为好。
原子核和电子共同组成了原子，在原子中，99.9%的质量是由原子核贡献的。也许是巧合，在咱们的太阳系中，太阳的质量占到太阳系的99.86%，这么来看的话，地球、火星等行星的质量在太阳系中是多么的微不足道。虽然原子核占据了原子几乎所有的质量，但它的体积却只占原子体积的几千亿分之一。

图4 原子、原子和与大厦、大厦内电梯按钮的类比

有人将一个原子比作一座大厦，而原子核的大小只有大厦中电梯按钮的大小。
原子核由质子和中子构成，它们统称为核子。
一个质子的质量是1.007277u（u是用来衡量原子的质量单位）
一个中子的质量是1.008665u
两者相加的质量是2.015942u，按理是这样的，但实际上，当一个质子和一个中子共同组合成氘核的时候，其质量只有2.013552u。亏损了0.00239u，根据爱因斯坦的质能方程，其转换的能量为2225000电子伏，这大约是一个碳原子和1个氧分子燃烧放出能量的54万倍。
夸克禁闭
很多人在了解以上这些事实后，会情不自禁地总结出这么一个规律，即，两个微观粒子，越小，结合能似乎就越大。比如水结冰是分子与分子间作用力导致的，而燃烧是原子与原子的作用，到聚变时又是核子之间的作用，于是有人禁不住猜想，质子和中子都是由夸克组成的，要是把不同味的夸克结合在一起，放出的能量岂不是比聚变来得更有效率？然而不幸的是，由于“夸克禁闭”，夸克不会单独存在，我们至今未能发现单独存在的夸克。

图5夸克禁闭动态示意图

当我们施加能量迫使两个夸克分开时，其施加的能量大到足以生成另一对夸克，因此，单独的夸克不能直接被观测到，或是被分离出来。
所以，到此为此吧，目前核聚变才是人类利用能源的最高级，同时也是最有效率的方式。
化石燃料就像地窖里的500年陈酿

图6 氢的两个同位素氘原子核和氚原子核高速碰撞而聚合

上面动图中，是氢的两个同位素氘原子核和氚原子核高速碰撞从而聚合在一起，
变成氦原子核，并产生3.5兆电子伏能量。

图7 聚变反应过程

上面的聚变反应中同时还产生了一个中子，它携带14.1兆电子伏的能量，加起来是17.6兆电子伏的能量。这大约是一个碳原子和1个氧分子燃烧放出能量的429万倍。
如此高效的能源生产方式，若是不想办法利用它为人类的美好生活服务，实在是浪费的很！太阳以及宇宙中所有的星辰已经给我们做出示范，在能源日益紧张的今天，人类又怎能经得住它的诱惑？
就像牛肉，你说它如何如何不好，但你知道吗？你的大白米饭快吃完啦！就算你毅力强，现在能抵御牛肉带来的诱惑，但是以后呢？
煤和石油用一点就少一点儿，它们就像你后院地窖里的500年陈酿，喝一口就少半两，我们绝不能等到一切都捉襟见肘时，才被迫去研究如何获得聚变和裂变带来的能源。
嗨，你可总算说到了当今核电站使用的裂变了，我们都记得，它可是铀原子的分裂而产生能量的，而不是结合！这又是怎么讲？
由于篇幅有限，请您关注《一起愉快地聊核电》系列，明儿咱们继续！