问题

新能源汽车会用上核动力吗?

回答
关于新能源汽车是否会采用核动力,这确实是一个引人遐思的话题,尤其是在我们追求更清洁、更持久能源解决方案的当下。然而,要将核动力引入我们日常驾驶的汽车,其背后涉及的挑战、可行性以及最终的意义,都需要我们深入剖析。

首先,我们要理解“核动力”在汽车上的潜在含义。通常情况下,我们讨论核动力,是指利用核裂变(例如铀)或未来可能实现的核聚变来产生能量。这种能量随后可以通过一系列转化过程,例如驱动发电机发电,再为电动机供电,最终驱动汽车。

为什么会有人想到核动力汽车?

这种想法的出现并非空穴来风。它根植于核能的几个核心优势:

能量密度极高: 相较于化石燃料或电池中的化学能,核燃料的能量密度要高出数万甚至数百万倍。这意味着一小块核燃料就能提供巨大的能量,理论上可以为汽车提供非常漫长的续航里程,甚至可能在车辆生命周期内都不需要“加油”。
零碳排放(运行阶段): 核反应堆在运行时本身不产生温室气体,这符合了新能源汽车的初衷——减少对环境的污染。
能源独立性(某种程度上): 对于拥有核燃料的国家而言,可以减少对进口石油的依赖,提升能源自主性。

为什么我们现在没有核动力汽车?以及可能遇到的巨大障碍:

尽管听起来很诱人,但将核动力“微型化”并安全地应用于汽车,其困难程度超乎想象。以下是几个关键的、几乎是不可逾越的障碍:

1. 安全性:核辐射是头号大敌。
防护屏蔽: 核反应堆会产生强烈的核辐射,包括中子流和伽马射线。为了保护乘客和外部人员免受伤害,需要极其厚重且有效的屏蔽层。这种屏蔽层会极大地增加汽车的重量和体积,使其变得笨重且不切实际。设想一下,一个需要铅块或特殊合金包裹的“核电池”装在你的后备箱里,这画面感就已经令人胆寒了。
事故风险: 即使是设计得非常精良的反应堆,也存在发生事故的风险。一旦发生碰撞或结构损坏,核材料泄漏的后果将是灾难性的,可能导致大范围的放射性污染,威胁公共健康和环境安全。如何保证在各种极端碰撞情况下反应堆的完整性和安全性,是一个极其严峻的挑战。
冷却系统: 核反应堆在运行时会产生大量热量,需要有效的冷却系统来维持稳定运行。微型化的冷却系统需要非常可靠,一旦失效,后果同样严重。

2. 成本与复杂性:昂贵且维护困难。
制造成本: 设计、制造和测试一个安全可靠的微型核反应堆,其成本将是天文数字。这种成本显然无法为普通消费者所接受。
维护与修理: 核反应堆的维护和修理需要高度专业化的技术人员和特殊设备,并且需要遵守极其严格的安全规程。这远远超出了普通汽车维修保养的范畴。
核废料处理: 核反应堆会产生放射性废料,虽然在汽车的应用场景下废料产生量相对较小,但如何安全地收集、储存和最终处理这些废料,仍然是一个棘手的问题,涉及到整个生命周期的管理。

3. 监管与法律:前所未有的挑战。
法律许可: 允许民用车辆使用核动力,需要建立一套全新的、极其严格的法律法规体系来监管核材料的生产、运输、使用和报废。目前全球没有任何国家有这样的法律框架。
公众接受度: 即使技术上可行,公众对携带核反应堆的车辆的接受度也会是巨大的障碍。任何与核能相关的联想都可能引起人们的恐惧和担忧。

4. 技术可行性:微型化难题。
反应堆尺寸: 目前最小的核反应堆(如用于潜艇或航空母舰的)也需要庞大的体积和复杂的配套系统。将这些系统缩小到汽车可以容纳的尺寸,同时保持安全和效率,技术上是极其困难的。
核燃料: 需要找到能量密度高、安全性好、易于管理的核燃料形式,并且要考虑核燃料的供应和更换问题。

未来展望:是科幻还是可能?

尽管我们现在面临着上述巨大的挑战,但科学技术总是在不断发展。

微型核聚变技术: 如果未来能够实现可控核聚变,并且能够将核聚变反应堆小型化,那或许能为汽车提供一种更清洁、更安全的核动力来源。核聚变在理论上比核裂变更安全(不会产生长寿命的放射性废料,且一旦失去约束条件反应会立即停止),但实现可控核聚变本身就是一项极其艰巨的科学工程。目前的研究仍处于早期阶段。
特殊应用场景: 也许在某些特定的、非大众化的应用场景下,核动力汽车会有一线生机。例如,一些需要超长续航且对体积和重量要求不那么苛刻的特殊车辆,或者是在特定极端环境下工作的车辆。但即便如此,安全性问题仍然是核心。

结论:

目前来看,新能源汽车采用核动力在大规模民用领域是几乎不可能的。安全、成本、监管和技术复杂性是摆在眼前的巨大鸿沟。我们当前看到的“新能源汽车”浪潮,更多的是在发展电动汽车(使用电池)、氢能源汽车以及优化传统内燃机的效率和环保性。

核动力技术更可能在大型、固定设施(如发电站)或特定军事、科研用途(如航天器、潜艇)中发挥作用。在个人消费品领域,核动力汽车的出现,至少在可预见的未来,更像是科幻小说中的情节,而非触手可及的现实。我们应该继续专注于那些更可行、更安全、更易于推广的新能源技术,例如电池技术、充电基础设施和氢能源的进一步发展。

网友意见

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我们目前利用核动力的流程,反应堆内部装有可控链式核反应的核燃料,核反应产生的热能作为电站的热源,蒸发水后带动汽轮机,汽轮机带动发电机,发电机产生电能。

其实核反应的原理非常简单,原子由原子核与核外电子组成,原子核由质子与中子组成。

当铀235的原子核受到外来的中子轰击时,一个原子核会吸收一个中子,并分裂成两个质量较小的原子核,同时放出2—3个中子。这裂变产生的中子又会去轰击周围的铀235原子核,引起新的裂变。如此持续进行,就是裂变的链式反应,链式反应会产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气,推动汽轮机发电。

所以这就需要足够的水来循环,所以核电站基本都建立在水资源获取方便的河边、海边。

因为高速中子会四散分开,为了增加和减少中子轰击原子核的概率,就需要有控制设置来控制其反应过程和调节反应速度。一般都是硼、碳化硼、镉、银铟镉做成的控制棒(能吸收中子),用来控制反应堆的中子数量,这就是核反应堆的控制设施。插入控制棒,就能吸收四射的中子,完全插入,就能终止其裂变反应。

而铀及其裂变产物都有强放射性,会对环境和生物造成巨大伤害,因此要有可靠的防护措施;比如密封的燃料包裹壳体,要耐高压高温腐蚀和密闭的回路系统。防护措施不仅要防御辐射不外泄,还要有发生异常的防护安全冗余设施,比如硼水的紧急停堆系统,高压注水系统,消氢系统。在反应堆外围还要设置安全壳体,以免反应堆泄露,会直接暴露在外界环境中造成污染。(切尔诺贝利事故就是为了节省成本,外围没有设置安全壳体,导致放射性污染物直接进入了环境中,造成了数百公里的污染。)

所以,我们知道一个核动力转电力的系统需要:

核燃料、冷却系统、水循环系统、控制设施、防护设施,安全冗余设施,蒸汽循环系统,汽轮机,发电机这些部件。

如果要安全使用核燃料作为动力,以上这些设施都是必要的,这就意味着整个核动力系统的小型化,实际非常困难。

以核潜艇举例,这是目前实用的最小核动力载体了,其搭载的核动力仓所需的水资源可以方便从海里提取,但体积依旧不小。

比如中国2013年退役的“长征一号”核潜艇,后改为了中国核潜艇展馆,在青岛海军博物馆正式对外公开展出,其核反应仓就足足有一个大巴车的大小。

当然,如果你只想制造一个核弹,那就只需要核原料,一个壳体和中子激发装置,其他的啥都不需要,不需要冷却,不需要水,不需要控制、安全设备,这就可以做得很小。

美国冷战时期研发的W54型核弹头,直径27cm,长40cm,重23KG,一个背包就可以背走的那种。

回到正文,那么小型载具能够用上核动力吗?

答案是能,如果不惧核污染的情况下。

历史上,美国曼哈顿计划于1942年启动,仅仅三年的研究后,在1945年7月16日成功进行了第一次核爆炸实测。

在原子弹爆炸后的第六年,1950年的第一次“问号会议”中,美国陆军就提出了TV1核动力坦克计划。

核动力坦克的设计目标和新能源汽车的目标一样,为了长续航而不用进行燃料补给。使得核动力坦克能在后勤孱弱的地区,也能发起钢铁洪流的杀伤性。

当时对核动力辐射并无多少敬畏的军方甚至在坦克上增添了咖啡机这样高能耗设备,来提高士兵的舒适度,因为核动力可以解决一切的能源问题。

该型号的坦克也有常规能源版,TV1的兼容版——TV8坦克一开始使用克莱斯勒V8发动机提供动力。如果装配了微型核反应堆,则能解决续航的问题,可以连续开上万公里而不用添加燃料。

但是,坦克不能像战舰、潜艇一样用厚厚的保护层隔绝辐射,坦克内的核反应堆时刻辐射内部成员,且水源也成问题。强烈的辐射下,即便不考虑乘员的生命健康,也得采取每两小时更换乘员组,但这样反而大大增加了后勤压力。此外,坦克若被击毁,难免出现大范围的核泄漏,对周边的士兵、环境都是一种伤害。

在多重因素叠加下,最终让该项目被否决。

除了核动力坦克,实际历史上也出现过核动力汽车。早在1957年,福特就推出来概念车Nucleon.

这款车也用水来冷却反应堆,并用热蒸汽驱动车辆,甚至还提出了在加铀站补充燃料的构想。看到这里,是不是很熟悉,就和现在的加氢站一样……

不过,在当时的核春天时代,人们以为找到了真正的无害能源,从上到下都没考虑到核辐射的严重性。

1950年,甚至出现了「吉尔伯特U-238原子能实验室」这种玩具,里面含有真正的强辐射的铀矿石。

儿童们可以玩铅210与钋210组成的α粒子、钌106制成的β颗粒和锌65制成的γ射线,而它们都被简单地无防护地装在了透明的玻璃罩内。当时的儿童在家里,就能观察真正的核裂变。

而两千年后,凯迪拉克和奥迪也推出来核动力的概念车型。

奥迪Mesarthim F-Tron Quattro是核动力超跑,虽用核能驱动,却是新能源车。因为车辆使用核能转换的电能驱动。堪称续航最长的新能源车,一克燃料就可以不停地跑两年。

最重要的是,奥迪甚至还完成了反应堆的运行,让其成功的产生了能源!

而凯迪拉克WTF则是在2009年给凯迪拉克的一份百年庆生礼物。采用钍燃料,英文全称World Thorium Fuel,首字母缩写即为WTF。

这款WTF加一次燃料,续航里程就可达161万公里,的确有点WTF的意思。要知道,许多燃油车恐怕到报废都跑不到这么长的里程。然而,奥迪的核动力汽车虽能提供动力,却遇到了和TV8坦克一样的问题,不能隔绝对成员的核辐射,也不能解决水源的问题。

所以,这两款车,终归在图纸上谈了下,或者也造出了概念车的结构,和进行了核反应堆的小型化设计,但最后还是没有变成可以上路的车。

综合来说,按照现有的安全技术,考虑到临界质量和辐射防护,潜在的高强度辐射泄露的危害性,在新能源汽车这种小型载体上,现阶段是不可能使用传统核动力的,尤其是在核能靠水蒸汽转电的传统方式,极度依赖水资源。而车辆在路上跑,是不可能沿途获得大量的水来发电。

………………………………

但是放射性同位素电池,也称核能电池,倒是有可能在未来使用在车上。是利用放射性物质的自然衰变的过程,并不需要原子的裂变,所以反应温和,辐射量较低。

一种原理是利用放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流,用这种方法,制造出了微型核电池。

2003年研发出来的微型核电池采用的是镍-63,它发射的β粒子在蜕变之前在硅材料中能行进21μm,粒子的动能不足以让辐射跑到电池外面。但同时,这种电池只有毫瓦级别的功率,只能用于一些微型耗电场景,比如曾应用在心脏起搏器和人工心脏上。

另一种原理是利用衰变产生的热量,然后加热金属棒的一端,利用金属棒的温差产生电流效应(热电效应)。

这种方式最早应用在了太空领域,1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者一号”就采用了此类核电池,给卫星供电并能在严寒地区提供热量。

这类电池也能做得很小,但是其热利用率只有10%-20%,大部分热量需要导出到外部。

以上两种核电池使用方式,因为是依靠放射性原料本身的半衰辐射发电,辐射安全可控。且易于小型化,如果不计成本,是有可能装在车辆上的。

但如果算上成本,可能供一辆新能源车跑的核电池需要数千万甚至更多money,而且民众对核辐射恐慌的态度.即便宣传该车的辐射电池安全可控,估计这种汽车也不敢光明正大地在日常的街道上行驶了。而核电池的用途,在成本可控后,更有可能是用在了军事领域上了。

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