核能新秀-钍

这种棕色的岩石可以在未来几十年为世界提供电力，并且实现零排放。尽管这个结论是有争议的，但这是事实。据估计，仅凭美国自己的能用于

这种棕色的岩石可以在未来几十年为世界提供电力，并且实现零排放。尽管这个结论是有争议的，但这是事实。据估计，仅凭美国自己的能用于产生清洁能源的这种物质的储备，就可以用这种清洁能源为其全部人口供电 1000 多年。这种物质储备最多的国家并不是美国，而是印度。总的来说，它存在于世界各地的许多地方。

那么这种岩石是如何为地球提供动力的呢？其实，这不是岩石本身，而是在这块岩石中发现的钍元素。

爱因斯坦著名的方程式 E=mc² 表明质量意味着大量能量，这块岩石中含有大量钍，可以通过核过程将其转化为能量。现在你可能会说，核能既糟糕又危险。嗯，但这可能将是过去的事了，特别是当使用不同种类的核燃料时，如有了钍，它的危险性就会大大降低。

在可预见的未来，我们如何提取这种近乎无限量的能源来解决我们的能源需求？为了理解这一点，让我们回顾一下核电站是如何工作的，以及钍如何改变游戏规则，并转变我们对核能的成见，原则上核能是安全的，对环境影响很小甚至没有。马上就要出现了……

我在 Magellan TV 上观看个视频后受到启发，这个视频回顾了导致 2011 年灾难的事件，并展示了来自机器人在受污染的发电厂内拍摄的镜头。

我认为即使是爱因斯坦也没意识到他的质能等效原理对世界的巨大影响。这一原理来自狭义相对论，是爱因斯坦在1905年提出的。简单来说就是，当一个较重的原子分裂成两个较轻的原子时，会释放很多能量。

例如，被称为 U-235 或 U-235 的铀同位素这种裂变材料，如果你以合适的速度用中子撞击它，它会分裂成两个较轻的原子，如钡 141 和氪 92 加上 3 个中子。然后这些中子可以继续撞击其他 U-235 原子，这些原子又可以分裂成两个较轻的原子和一些额外的中子。通过这种方式，可以导致连续的连锁反应，产生越来越多的能量。

这种能量是如何产生的？让我们看看这个裂变的过程，如果我们考虑铀 235 的质量加上撞击它的一个中子，方程式的左边我们得到 236.053 的统一的原子质量单位。但是现在如果把方程右边的质量加起来——钡 141、氪92 和 3 个中子，我们得到的原子质量只有 235.867。差异的质量去哪儿了？这个质量正好符合爱因斯坦的方程，它变成了能量。

现在的问题是，这部分质量最初是从哪里来的，为什么它可以转化为能量？这就是与强核力相关的结合能。在这种情况下，结合能是指破坏原子核中质子和中子之间的键所需的能量。换句话说，这个能量使质子和中子在原子核中如此紧密地结合在一起，。这来自宇宙的基本力量之一，称为强核力。这种使质子和中子结合在一起的力或表现为一部分原子的质量。因此，当核分裂开时，会损失一些质量，因为将核结合在一起所需的能量更少。这就是转化为能量的质量的来源。

结合能是指打破核键所需的能量。打破原子核键所需的能量越多，原子的结合能就越高。

具有较高结合能的原子比具有较低结合能的原子更稳定。当从较低的结合能变为较高的结合能时，会释放能量。释放的能量就等于核裂变过程中释放的结合能的差异。铀的结合能比钡和氪的结合能低。当铀分裂时，系统的整体结合能增加。这意味着氪和钡比铀处于更稳定和更低能量的状态。在进入这种更稳定的能量状态时，能量被释放。

但是你可能会问，0.186 个原子质量单位的差异能带来多大能量？答案是很多！大约是 1.73 亿电子伏特或MeV。相比之下，当你燃烧纸张或化石燃料时，燃烧中消耗的每个碳原子都会释放大约 4 eV。

因此，具有 1.73 亿电子伏特的核过程，每个原子释放的能量是燃烧汽油或汽油等化石燃料的 4000 万倍！一般来说，1 公斤铀 235 相当于约 270 万公斤煤当量，具体取决于燃烧设备和煤的类型。

需要注意的是，U-235 也可以分裂成其他原子，例如 Barium-144 和 Krypton-90 加上 2 个中子，它们会释放更多的能量，大约 200 MeV。核电站在许多方面就像燃煤电厂一样工作。

您可以燃烧一些燃料来加热水并将其转化为蒸汽。再由蒸汽轮机驱动发电机发电。蒸汽再次冷凝成水，然后重新加热，变成蒸汽，继续这个过程。但是核电站在加热水的方式上与燃煤电站完全不同。在燃煤电厂中，您有一个通过燃烧煤来加热的锅炉，您需要不断地将煤送入熔炉。核电站更复杂，技术更先进，但概念仍然相当简单。在核电站的核心内部，有包含核燃料的燃料棒。例如是含有 U-235 的铀。在燃料棒内部，铀发生了非常高能的分裂，因此能量以热的形式产生。在燃料棒周围，水受热会变成蒸汽，然后这些蒸汽会进入蒸汽轮机，蒸汽轮机驱动发电机发电。

现在您可能想知道，如何控制链式反应以使该反应堆不会变成原子弹？整个反应链条由控制棒控制，调节控制棒就能控制反应堆产生的热量。如果需要关闭反应堆，只需将控制棒完全插入反应堆，这可以停止链式反应。

控制棒是如何控制链式反应强度的呢？控制棒由一种非常擅长吸收中子的材料制成，它们会吸收在传播链式反应的核反应中产生的额外中子。因此，当控制棒全部吸收这些中子时，链式反应将无法继续，反应就停止了。

在核裂变的过程中因为没有什么东西像燃煤电厂那样燃烧，因此没有碳排放。所以核电站的运行是完全绿色的，这对地球环境保护来说是一件好事。我们从核电站的冷却塔中看到的巨大羽流不是污染，而只是将蒸汽转回水的冷凝过程中产生的水蒸汽。

所以热量被释放到大气中，而不是二氧化碳或其他温室气体。

现在应该注意的是，核能并不是完全可再生的，可以说还是会消耗燃料。燃料 U-235 被转化为核废料，如氪、钡或元素周期表中的其他元素。因为这些元素无论如何都是自然存在的，这原则上是好的。然而问题是这些核废物通常是这些元素的放射性同位素，我们必须小心这种废物，因为它可能因辐射而对人类造成危险。然而，这并不是将其用于核燃料的最大问题部分，因为这些废物的半衰期通常很短，对于最严重的裂变废物来说，在几天到 30 年之间。所以这些废物大部分会在几年内变成稳定同位素，变得相对安全。

使用铀作为燃料的更大问题是，它们还会通过嬗变产生许多其他废物。嬗变是当一种元素吸收质子或中子并变成不同的元素时。例如，当我们从地球上开采铀矿石时，主要是富含铀 238 铀矿，铀 238不能分裂进行裂变。铀矿中只有不到 1%、约 0.7% 的天然铀是可裂变铀 235，可裂变为核电站提供动力。这也是必须对天然铀进行浓缩的原因之一。浓缩结果最终得到至少百分之几的铀 235。这个过程成本很高，但不可省略。这也意味着核反应堆中的大部分铀燃料是铀 238，而不是 U-235。这种 U-238 吸收中子，但不会将中子分解，而是转化为更重的元素，如钚和镅。问题是这种钚元素毒性很大，它还可以用于制造核武器。

当今很多人反对核电站就是这个原因，即废物产生的钚可以用来制造大规模杀伤性武器。归根结底，大部分由 U-238 嬗变产生的较重元素不仅有害，而且半衰期长。

这意味着我们最终不得不将这些数百年甚至数千年的废物储存起来，确保安全。核废料储存的大问题，也是人们不喜欢核电的一个重要原因。

但钍不同。钍是第 90 号元素，是比铀（元素 92）稍轻的元素。

首先，它比铀丰富得多。事实上，地球上的钍是铀的 3 倍多。

我们拥有更多的钍的一个原因是因为它比铀更稳定，半衰期为 140 亿年，而最稳定的铀的半衰期为 45 亿年。所以钍会在蜕变之前存在更长时间。不仅如此，我们还可以更有效地使用钍作为燃料。据测算，1吨钍可以生产与200吨铀同样数量的电力。

这是因为即使是浓缩铀也只含有大约 3-5% 的 可裂变的U-235。剩下的 95-97% 不仅变成肥料，而且还经历了蜕变后，变得更加危险。而对于钍，几乎可以将所有钍用作燃料。另一方面是开采钍也更安全、更高效。这是因为含有钍的棕色矿石独居石比同等铀矿石的浓度更高。所以，钍不需要昂贵的富集过程。

现在你可能会问，这是什么神奇的物质，我们为什么不用它？嗯，有一些问题。首先，钍虽储藏丰富但却不是可裂变的。换句话说，你不能把它分成两部分来制造能量。那那我们讨论它的意义何在？好吧，它仍然可以使用。只是钍的使用方式必须与传统的铀燃料核电站不同。为了让它发挥作用，我们需要使用所谓的繁殖反应器。

这是一种用非裂变材料制造自己的燃料的反应堆。让我们看看其原理，从自然界的钍 232 开始。

然后你用一个中子源轰击钍232，添加一个中子得到钍 233。这个同位素不是很稳定，通过弱力它会经历一个β负衰变，它的原子核中的一个中子变成一个质子，变成Protactinium-233。这种同位素也不稳定，将再次经历β负衰变并转变为铀233。

我们从钍开始，又创造了铀？这不是我们试图避免的吗？事实上，就像我们在铀燃料反应堆中使用的铀 235 一样，铀 233 也是可裂变的，我们可以拆分它并产生大量的能量。让我们重新回顾一下，在铀反应堆中，核废物问题并不是真正来自分裂铀 235，因为裂变的废物产物缩短了相对论的半衰期容易处理。

导致问题的是铀矿中大量U-238 的嬗变。

与 U-235 一样，铀 233 也会产生相对安全核的废料。

但不同的是，对于钍来说，几乎所有的钍最终都会在裂变过程中用完，很少有像在铀反应堆中U-238 最终会转化为具有放射性且长期对人体有害的镅和钚。这是相对传统铀核电厂的巨大改进。

现在世界并不理想，钍也不那么完美。在这个过程中，一些钍变成了 Uranium-232 而不是 Uranium-233。Uranium-232 通常不会裂变。而变成了一种污染物，具有很强的放射性毒性，因为它会在衰变过程中发出非常高能量的伽马射线，这对人类有害。

所以必须小心处理。一个积极的方面是含有铀 232 污染的钍乏燃料棒不适合制造核武器。所以这些反应堆可以和平利用，而不沦为制造武器级核材料的工具。

如果钍如此出色，为什么不是每个人都建造这些反应堆呢？答案是技术和政治。首先，设计和建造任何类型的商业核电站，包括钍核电站，都是困难且昂贵的。政治上至少有两个问题。首先，很难让公众相信这些工厂是安全可靠的，因为过去几十年世界见证了日本福岛、乌克兰切尔诺贝利和美国三英里岛的灾难。其次，由于钍公司不生产可用于核武器的军用级产品，因此没有得到太多政府资助，尤其是在冷战时期。

但从积极方面来看，就像许多事情一样，中国领先于其他所有人，去年完成了一个新的钍试验反应堆，并且正在大力投资钍作为未来的能源。可能在2030年前建成一个钍核电站。最终，我们人民将决定选择什么。

世界上有大量的钍矿储备。其中印度最大，美国次之。仅此两者，就足以为世界提供一千多年的动力。希望对这一个老话题有一些新的认识，重新考虑核能作为我们日益增长的能源需求的解决方案。