问题

为什么人类十二年前发明了核能却只有2.7%能量释放率?十二年后只有10.1利用率?

回答
这个问题似乎是对核能发展的一些误解,让我尝试从头梳理一下,希望能更清晰地解答你的疑惑。

首先,关于“人类十二年前发明了核能”,这个说法不太准确。核能的原理和应用是经过漫长时期研究和发展的,并非仅仅“十二年前”的事情。

核裂变原理的发现: 科学界普遍认为,核裂变(也就是我们通常利用的核能形式)的关键发现发生在1938年。德国科学家奥托·哈恩、弗里茨·施特拉斯曼以及莉泽·迈特纳等人发现了用中子轰击铀原子核可以使其分裂,并释放出巨大能量。这才是核能应用的起点。
核武器的出现: 第一个将核能转化为实际应用(尽管是毁灭性的)的是1945年的原子弹,这标志着人类掌握了利用核裂变释放能量的技术。
和平利用核能的起步: 将核能用于和平目的,比如发电,则是在此之后。1954年,苏联建成了世界上第一座核电站,这可以说是一个重要的里程碑。而美国的第一座商用核电站是1957年。

所以,从发现核裂变原理到实际应用于发电,已经过去了不止十二年,而是几十年的时间。

接着,我们来谈谈你提到的“2.7%能量释放率”和“10.1%利用率”。这可能涉及到对核反应堆内部能量转化过程的一些理解偏差。

关于“能量释放率”和“利用率”:

在核反应堆中,我们关注的不是“释放率”或者“利用率”这两个单一的数字来衡量其效率。更准确地说,我们可以从几个层面来理解核能的“能量转化”:

1. 核燃料中储存的总能量: 核燃料(比如铀235)的原子核中储存着极其巨大的结合能。这是通过质能方程 E=mc² 来描述的。当一个铀235原子核发生裂变时,它释放出的能量相对于其质量来说是微乎其微的。但由于核燃料中包含着海量的原子,它们的总能量是惊人的。

2. 实际发生裂变的核燃料比例: 在核反应堆中,并非所有的铀原子都会在同一时间发生裂变。核反应堆的设计目标是维持一个自持链式反应,也就是说,每次裂变产生的中子能够引发足够多的下一次裂变,从而稳定地释放能量。
早期的反应堆设计和一些特定类型的反应堆(例如,某些研究堆或早期商用堆)可能因为安全考虑、中子吸收材料(如控制棒)的设置,或者燃料本身的特性,导致只有一部分可裂变材料(如铀235)在一次装料周期内被“烧掉”(发生裂变)。
你提到的“2.7%能量释放率”可能是指在某个特定时间点或某个特定反应堆设计中,一次装料的核燃料中被裂变掉的、能够释放出能量的“活性”部分的比例。这是一个非常技术性的数字,取决于反应堆的设计、燃料类型、运行策略等多种因素。
举例说明: 想象你有一个装着1000个可能裂变的原子团的燃料棒。如果你的反应堆设计的目标是每次只让27个原子团发生裂变来稳定输出能量,那么从“已裂变原子团”的比例来看,这就是2.7%。但剩余的973个原子团仍然拥有巨大的潜在能量,只是没有在当前条件下被触发裂变。

3. 热能到电能的转化效率(通常说的“利用率”): 核反应堆的核心作用是产生高温,这些热能通过冷却剂(如水)传递出来,然后用来驱动蒸汽轮机,进而带动发电机发电。这个过程与传统的热力发电站(如燃煤电站)类似,都会受到卡诺循环的限制,无法将所有热能完全转化为电能。
“10.1%利用率”这个数字更像是在描述热电转换效率。 传统的核电站,特别是早期设计的,其热电转换效率大约在30%35%左右。如果这个“10.1%”是某个特定实验或非主流技术中的数据,那可能需要更详细的背景信息来解释。
为什么会有这个数字?
早期技术限制: 最初的核电站设计可能更侧重于安全性和稳定性,而不是追求最高效率。
低压/低温运行: 为了降低风险或使用特定冷却剂,有些反应堆可能在较低的温度和压力下运行,这会直接影响热电转换效率。
实验性设计: 可能是在某个特定实验条件下测得的数据,或者是一种正在探索的、效率较低的技术路线。
概念性解释: 有时为了简化概念,可能会用一个百分比来表示某种特定环节的效率,但需要结合具体语境理解。

更详细的解释和为什么会有这种“低利用率”的误解:

核燃料的“烧尽度”: 在实际核电站运行中,我们更常谈论的是燃料的“烧尽度”。这是指在一个核燃料装料周期内,有多少比例的重原子(主要是铀235)被裂变掉了。现代先进的核电站,其燃料的平均烧尽度可以达到3%到5%,甚至在一些先进的反应堆设计中能达到6%到8%。即使是5%的烧尽度,也意味着每千克铀燃料中,有大约35克被成功转化成了能量,释放出的能量是非常巨大的。
为什么不能烧尽所有核燃料?
中子经济性: 并非所有铀原子都会参与裂变。反应堆需要保持链式反应的持续进行,这意味着需要有足够的中子去引发新的裂变。如果所有的铀原子都被“烧尽”,链式反应就无法维持。
燃料设计和制造: 核燃料通常被制成陶瓷状的氧化物(如UO2),包裹在锆合金的燃料棒中。即使铀235含量降低了,仍有其他同位素(如铀238)存在,它们虽然本身不易裂变,但在某些条件下可以吸收中子并转化为可裂变材料(如钚239)。
产物毒性: 随着燃料的裂变,会产生大量的裂变产物。其中一些裂变产物(如氙135)具有很强中子吸收能力(称为“中子毒物”),它们会“毒害”中子,阻碍链式反应的进行。因此,当燃料中的中子毒物积累到一定程度时,就需要更换燃料。
安全裕度: 反应堆的设计会留有一定的安全裕度,控制棒等吸收材料的存在是为了随时能够停止或减缓反应。

总结一下,你提到的数字可能混淆了几个概念:

核燃料中可裂变部分的利用率(烧尽度):这个数字确实是百分之几,但现代技术下已经远超早期的1%2%。
热电转换效率:这是将反应堆产生的热量转化为电能的效率,现代核电站通常在30%35%之间。10.1%这个数字非常低,可能指的是早期实验性技术、某些非主流设计,或者是一个被误解的特定数据点。

为什么感觉“效率低”?

相较于一些人们对核能“原子弹般的威力”的想象,核电站输出的电力数字看似不高,这容易让人产生“浪费很多能量”的感觉。但事实是:

巨大的能量基数: 核电站每消耗一小部分核燃料,释放出的能量是其他能源方式无法比拟的。即使只有30%35%的转化效率,其发电量仍然非常可观。
环境优势: 与化石燃料发电相比,核电站最大的优势在于其几乎不排放温室气体和其他污染物。从这个意义上说,核能是一种非常“高效”的清洁能源。
技术的不断进步: 世界各地都在不断研发更先进的核反应堆设计,例如第四代反应堆,它们在燃料利用率、安全性、废物处理等方面都有显著提升,未来有望实现更高的能量转化效率和更广泛的燃料利用。

所以,人类发明核能(和平利用)已经有几十年的历史了,技术一直在进步。你提到的“2.7%”和“10.1%”更像是描述早期或特定环节的效率数据,而不是现代核电站的整体表现。现代核电站的“燃料利用率”(烧尽度)和“热电转换效率”都有了长足的进步。

希望这样的解释能帮助你更清晰地理解核能的运作原理和发展历程!

网友意见

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“人类发明了核能”这样宏观的叙事,并不适用于讨论核电占比。

核电技术很复杂,核电站是人类现有的最复杂的发电设备,建造单个反应堆就很昂贵且需要大量专业人员维护。世界上大部分国家和地区造不出核电站,维护不了核反应堆,甚至在领土内找不到适合建造核电站的地方。

有个关于意大利的笑话:

一位意大利科学家听说意大利要造核电站,公开表示反对。
他人不解:你是科学家呀,怎么会反核电呢?
科学家说:对,我是科学家,我知道核电站有多复杂,所以我知道意大利人维护不了它。

另外,人类社会还没发展到发达国家闲着没事去帮发展中国家造核电站的阶段。就算你要去造,发展中国家还害怕你这是要搞新型入侵哩。

题目中占比百分之八十多的“化石燃料发电”不止是煤电,还包括天然气和各种石油化工产物。煤电门槛低、小型机组相对而言便宜,可以在落后地区就地发电。

搞得起核电的国家和地区,要权衡核电的效费比和安全性。题目里的 2.7% 已经是 2010 年的高位状态。2011 年福岛核泄漏以来,许多有核电国家的民众惧怕核电、与反核电运动合流,迫使政府减少核电,例如曾经用核电提供大部分发电量的法国出现大规模的反核电思潮,已经连续降低核电占法国供电的比例。现在世界范围内主要是中国在大量建造核电站,到它们完工发电还有一段时间。

此外,当穷国有能力搞一点核技术,他们会追求的往往不是核电,而是核武。


1960 年代反核武器运动的时候,地球之友、绿色和平之类环保组织就冲锋在前。1970 年代以来,反核运动从反核武器转向反核电,他们一直在参与。

反核电运动的理由是:

  • 核事故——担心核电站的核心过热融毁,释放核辐射。
  • 核废料处理——担心核电站产生大量的放射性废料,有些在很长时间后仍然有害。
  • 核扩散——担心核电站所使用的核燃料被用于制造核武器。
  • 新建核电站的高昂代价——担心核电站的经济问题。
  • 核恐怖——担心核设施可能被恐怖分子或犯罪分子所袭击。
  • 对公民安全的顾虑——担心核事故,核扩散或核恐怖可能对公民安全与权利带来威胁。

在这些担忧中,核事故和核废料处理在全世界范围内最被公众关注,二者都有严重的环境影响,环保组织理所当然地参与其中。

1970 年代,西德反核电示威迫使政府在 1975 年取消核电站计划,鼓舞全世界的反核人士将反核电作为反核的突破口。1986 年切尔诺贝利核事故后,反核运动达到高峰,欧洲自由联盟、绿党等环保倾向的政党打出反核电的大旗,多数欧洲国家搁置了核电建设。

冷战结束后,反核运动似乎取得了胜利,因此一些单纯针对核武器或核电的组织也解散了,而大型环保组织仍在继续活动,使他们成为反核电的主力。

21 世纪初,由于核工业的公关、核反应堆设计的改进、对气候变化的担心,核电重新回到了一些国家能源政策的讨论中。直到 2011 年日本福岛第一核电站事故使核电复兴减缓,全世界对核能的热情普遍下降,各国政府不得不做出反应。欧洲许多国家决定放弃核电。反核电的环保组织自然变得更有底气了。

而且,恐核的人们不仅不信任核技术,更不信任断言核电安全的政府,也就不信任政府能保护环境。一些人不信任整个核产业——核技术,公共的或私人的组织和机构,推进核电的政党,支持核能发展的科学家。这些人容易接受激进环保主义观点和阴谋论观点,包括反转基因。

此外,核电的支持者试图通过提供更新、更安全的反应堆设计方案来重获公众支持,例如被动安全装置和小型模块化核反应堆。但它们使公众产生了“以前的老反应堆缺少这些设施而不安全”的想法。这推动一些本来立场较中立的环保主义者反对核电。

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