世界首富的第三个理想

　　出品：科普中国

　　制作：寒木钓萌

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　比尔·盖茨曾经在几个场合下表示，他有三个理想。

　　第一个是每个人有一台电脑，都用上windows系统。这个他基本上实现了。

　　第二个是消灭艾滋病、结核病和疟疾，每个人有平等的医疗机会。而这个理想，他和他的团队正在做，捐钱无数。

　　那第三个理想是什么呢？

　　比尔盖茨，世界首富，身价876亿（2015年），他资助了全球最大的慈善基金会，

　　而该基金会截止2012年9月30日时拥有资金约362亿美元。 

　　让穷人都能够用上清洁经济的电

　　是的，这就是比尔盖茨的第三个理想：让穷人能够用上清洁经济的电！

　　怎么实现？

　　技术！

　　什么技术？

　　核技术！

　　=

　　我们的孩子不会因为家里用不起电而跑到街上借助路灯看书，但是，在世界上的某些国家和地区，这样的情景并不难见到，如上图。

　　很多人反对核电，这是不争的事实。然而，另一个不争的事实是，越来越多的人正在因为一天的雾霾而影响了一天的心情。

　　很多人津津乐道于德国放弃核电，却不知德国每天都在用着来自法国的核电。

　　更有不少人说，我国铀资源少，发展核电不是根本之道。

　　真是这样吗？只占天然铀中0.72%的铀235提供了那么大的电力，它们比金子还要宝贵，现在，就让我们一起来看看，如何点石成金——利用其余那99%的铀。

　　中子是关键

　　中子离我们其实很近很近，人体中很大一部分质量都是由中子提供的。在核电站中，中子又是必不可少的一环，它们就像一颗颗小子弹，不断地去击中铀235。

　　子弹的速度有快有慢，同样，中子的速度也如此，在反应堆中，铀235释放的中子叫做快中子，它们的速度大约是1.4万千米/秒，接近于光速的5％。

　　虽然快中子是铀235裂变放出来的，但铀235其实并不怎么喜欢自己鼓捣出来的东西，原因是快中子的速度太快了，中子在堆内停留时间太短。

　　这麻烦了，你要是不喜欢你自产的快中子，怎么让你们维持链式反应呢亲？

　　铀235不管这些，它还是喜欢慢中子，也叫热中子，即速度为2.2千米/秒的中子。

　　还能怎样？为了清洁的核电，只能去满足它了，所以得把中子的速度降下来，怎么降？

　　重水！

　　这又是个什么东西？

　　我们都知道氢有三种同位素，分别是氕氘氚，水分子H2O中的那个“氢”如果是氕，那么这样的水就是你天天喝的白开水，学术上咱们叫它“轻水”。

　　如果水分子H2O中的那两个“氢”，一个是氕一个是氘，那么这样的水就叫“半重水”。

　　如果两个都是氘，那这样的水就叫“重水”。同理，如果两个都是氚，那就叫超重水。

　　把重水冻成冰，它会沉入水中，而右边的普通冰是浮在水上的

　　重水对快中子有非常好的慢化效果，所以，如果使用重水当核电站的慢化剂和冷却剂，那是最好不过了，而这样的反应堆，就叫做“重水堆”。

　　但是重水很难提炼因此很贵，加上其他原因，所以只能退而求其次，使用咱们平时喝的白开水（当然这是要多次提纯的），使用普通水的反应堆叫做“轻水堆”。而咱们前面说的压水堆，它其实只是轻水堆的一种而已。

　　铀235不怎么喜欢快中子，但是对于铀238来说却是一个宝，它吸收一个快中子后会变成什么呢？

　　当然是铀239了！

　　铀239是不稳定的，经过几天时间，因自身衰变后，会变成钚239，而钚239跟铀235一样，很容易发生裂变，且放出的能量比铀235还要大那么一点儿。

　　铀238“吃”进一个快中子后，变成铀239，再经过几次衰变最终变成钚239

　　瞧，原来这里的关键是快中子！

　　可是铀235不喜欢快中子呀！

　　怎么办？

　　其实，快中子之所以不能让铀235维持链式反应，这不是因为铀235绝对不吸收快中子，而是吸收的概率比较小而已。

　　概率比较小，那就增加概率嘛！

　　对头，在核燃料中增加铀235的浓度，如此，快中子与它反应的概率，也就是反应截面就增加了。

　　现在，链式反应可以维持了。

　　快中子也有了。

　　每一个铀235（或者钚239）裂变会产生2到3个快中子，这些中子呢，有的去维持下一步的裂变反应，剩下的中子被铀238吸收，于是，反应堆中，每消耗一个铀235（或者钚239），就会产生一个以上的钚239，瞧，核燃料不是越烧越少，而是越烧越多，它居然还能增殖！

　　于是，这样的反应堆就叫做“增殖反应堆”，又因为堆内主要是快中子，所以又叫“快中子增殖反应堆，”简称快堆。而前面咱们介绍的压水堆，它可以归类到“热堆”里面，因为它使用的是热中子。

　　快堆的优势

　　现在的核电站对铀资源的利用率不足1%，而如果快堆技术成熟后，那么对铀资源的利用率将达到70%左右，又因为利用率提高了，那么，之前根本不具备开采价值的贫铀矿，甚至是海洋中的铀资源也变得值得开采了，如此，世界上可开采的铀资源将提高千倍。而我国铀资源少的问题也将迎刃而解。

　　我国的快堆

　　我国的“华龙一号”属于先进的第三代反应堆，而“快堆”技术则属于各国争相发展的第四代反应堆。距离天安门直线距离不到40千米的房山有一座实验性质的快堆——中国实验快堆，2011年7月21日成功实现并网发电，发电功率20兆瓦。

　　瞧，这也从另一个角度反驳了一些人的观点：核电那么安全，怎么不建在北京去？

　　只要各方面条件合适，比如占地少等等，这不就建了吗？

　　图为中国实验快堆外景

　　中国实验快堆采用金属钠作为冷却剂，它属于钠冷快堆；同理，使用氦气作为冷却剂的叫做气冷快堆。

　　行波堆

　　比尔盖茨为了实现其理想，筹资建立了一个能源公司，发展一种叫做“行波堆”的反应堆技术。虽然很多细节上跟目前世界上主流的快中子增殖反应堆有所不同，但其出发点还是实现对核燃料铀238的充分利用。

　　上图为行波堆示意图，黄色的为正在反应的核燃料，绿色的为待增殖的核燃料，运行时，一边消耗核燃料一边又生产核燃料，核燃料利用率很高，燃烧和增殖就像一个波一样，从反应堆的一端慢慢移动到另外一端，所以叫做行波堆。裂变区的移动速度很慢，数十年不用换燃料。

　　无疑，不管是比尔盖茨看好的这种难度很大的“行波堆”技术，还是目前世界主流的快堆技术，任何一个在未来获得成功都是全人类的福音。

　　虽然快堆技术令人向往，但还是有人不这么看，他们的观点是：我家住在四季如春的地方，夏天不用开空调，连风扇也不用，冬天不用电取暖，我们并不需要那么多电。

　　好吧，我们暂时认为这样的人间美地是存在的，但是，你总得消费，而你消费的每一样东西都会有电力的成本在里面，你买到的任何商品都直接或间接地包含了电价，电力供应不足，电就会涨价，商品的成本也会跟着涨。反之，若电力能极其廉价地生产出来，那么绝大部分商品的价格也会跟着降。

　　虽然我们对运营商有这样那样的埋怨，但一个事实却无法否认：十几年前，谁要是听说谁家安装了两兆的宽带，都会一脸羡慕的表情，而现在，普通家庭的宽带可以到20兆，50兆带宽也在逐年增多，但是价钱，却还没有以前的两兆宽带贵，这是技术带来的。

　　能源消费只有两种趋势，要么越来越贵，要么越来越便宜。而现在的趋势是越来越贵，放心，它一点儿也影响不了那些有钱人，但我们普通大众就不同了。

　　算啦不说了，这湿冷的冬天，因为舍不得开取暖器，身上有点小冷，我得出去抖一抖，请关注“科普中国”，咱们下期见。