我们会耗尽用于核裂变的化学元素吗？
我们是否会耗尽用于核裂变的化学元素？ 这是一个好问题，值得我们好好掰扯一下。简单地说，答案是“不会”。但是，要理解其中的原因，我们得深入聊聊核裂变这回事，以及它和我们日常认识的元素周期表有什么不同。
首先，我们得明确一点：核裂变需要的不是我们平时说的“化学元素”，而是某些特定同位素。元素周期表上的“铀”或者“钚”，这些只是一个元素的总称，它们代表了原子核中质子的数量。而核裂变，本质上是原子核的“分裂”，这个过程对原子核中的质子和中子数量都非常敏感。
为什么说我们不会耗尽？
1. 核裂变燃料的“生成”和“消耗”：
铀（Uranium）：核裂变反应堆中最常用的燃料是铀。我们地球上存在的天然铀，大约99.3%是铀238（$^{238}$U），只有大约0.7%是铀235（$^{235}$U）。而真正能直接进行裂变反应的是铀235，因为它更容易被中子引发裂变，并释放出更多的中子，形成链式反应。
“增殖”的钚（Plutonium）：你可能会问，0.7%的铀235是不是太少了？这正是核能的巧妙之处。在核反应堆里，即使是较难裂变的铀238，当它吸收了一个中子后，会经历一系列核衰变，最终变成钚239（$^{239}$Pu）。而钚239，同样是一种非常优良的裂变燃料。
“烧”燃料，而不是“用”掉元素：所以，核裂变反应不是在“消耗”整个铀元素，而是在“转化”它。我们是在利用铀235释放能量，同时把铀238转化成钚239。就像吃麦子，你把麦粒吃掉了，但麦子这个“物种”还在。而且，随着反应的进行，我们甚至能“生产”出更多的裂变材料（钚）。
2. 铀的总量：
地球上还有多少？ 科学家的估算显示，地球上的铀储量非常非常丰富。即使按照目前全球核能发电的规模，也足以支撑几百年甚至更久。而且，这些估算通常是基于已探明的、容易开采的矿藏。随着技术的进步，一些目前被认为难以开采的铀矿，未来也可能变得经济可行。
海洋中的铀：更厉害的是，海洋中溶解了大量的铀。虽然浓度很低，但海水的总量是惊人的。如果技术允许，从海水中提取铀，那么能源的供给将是天文数字般的。虽然目前从海水提铀的成本和效率还不具备大规模应用的条件，但这为我们描绘了一个几乎取之不尽的未来能源图景。
3. 核裂变燃料的多样性：
托里姆（Thorium）：除了铀和钚，还有一种叫做托里姆（$^{232}$Th）的元素，它本身不能直接裂变，但当它吸收一个中子后，会变成铀233（$^{233}$U）。而铀233同样是一种极好的裂变燃料。许多国家正在积极研究基于托里姆循环的核反应堆，因为托里姆在地壳中的储量比铀还要丰富，而且其核废料的放射性毒性也相对较低，半衰期也更短。
快中子反应堆（Fast Breeder Reactors）：现代的快中子反应堆技术，能够非常高效地利用铀238和钚239，甚至能“燃烧”掉一部分核废料，并且产生比消耗更多的裂变材料（也就是“增殖”）。这意味着，我们不仅不会耗尽燃料，反而能把原本被认为是废料的铀238变成可用的燃料，极大地提高了铀资源的利用率。
为什么有些人会担心“耗尽”？
这种担心可能来自于对传统化石燃料（煤、石油、天然气）的认知。这些燃料是不可再生的，我们用一点，就少一点，最终会耗尽。但核裂变燃料的性质和消耗方式完全不同。
不是燃烧，是转化：化石燃料的燃烧是化学反应，物质的本质没有改变，只是结合方式变了。而核裂变是核反应，是原子核内部的转化，能量释放得极其巨大，而且还能“生产”出新的裂变材料。
“低品位”燃料的利用：铀238在天然铀中占绝大多数，但它在传统的轻水堆里大多是“浪费”的。而先进的反应堆设计，可以把这些“低品位”的燃料也利用起来，就像我们从低品位的矿石中也能提取有价值的金属一样。
总结一下，我们之所以不太可能“耗尽”用于核裂变的化学元素，主要有以下几个原因：
1. 裂变的是特定同位素，而非整个元素：我们不是在用尽所有的铀，而是在转化特定的铀同位素，并产生新的裂变材料。
2. 燃料的“生产”能力：像钚239和铀233这样的燃料，可以在反应堆中被“生产”出来，这使得核能具有“增殖”的潜力。
3. 储量非常巨大：地球上的铀和托里姆储量都非常丰富，加上从海水提取的潜在可能，资源量几乎是取之不尽的。
4. 技术的发展：先进的反应堆技术，如快中子反应堆和托里姆循环反应堆，能够极大地提高燃料的利用率，甚至能够处理和利用现有的核废料。
当然，这并不意味着核能没有挑战。核废料的处理、核安全、核扩散风险等仍然是我们需要认真解决的问题。但从资源耗尽这个角度来看，核裂变燃料的丰富程度，以及其独特的转化和增殖特性，让我们不必担心会像消耗化石燃料那样，在未来面临“无米之炊”的窘境。我们拥有的，是一个在理论上能够提供极其长久能源的宝库，关键在于我们如何以安全、高效、负责任的方式去开发它。
首先，我们得明确一点：核裂变需要的不是我们平时说的“化学元素”，而是某些特定同位素。元素周期表上的“铀”或者“钚”，这些只是一个元素的总称，它们代表了原子核中质子的数量。而核裂变，本质上是原子核的“分裂”，这个过程对原子核中的质子和中子数量都非常敏感。
为什么说我们不会耗尽？
1. 核裂变燃料的“生成”和“消耗”：
铀（Uranium）：核裂变反应堆中最常用的燃料是铀。我们地球上存在的天然铀，大约99.3%是铀238（$^{238}$U），只有大约0.7%是铀235（$^{235}$U）。而真正能直接进行裂变反应的是铀235，因为它更容易被中子引发裂变，并释放出更多的中子，形成链式反应。
“增殖”的钚（Plutonium）：你可能会问，0.7%的铀235是不是太少了？这正是核能的巧妙之处。在核反应堆里，即使是较难裂变的铀238，当它吸收了一个中子后，会经历一系列核衰变，最终变成钚239（$^{239}$Pu）。而钚239，同样是一种非常优良的裂变燃料。
“烧”燃料，而不是“用”掉元素：所以，核裂变反应不是在“消耗”整个铀元素，而是在“转化”它。我们是在利用铀235释放能量，同时把铀238转化成钚239。就像吃麦子，你把麦粒吃掉了，但麦子这个“物种”还在。而且，随着反应的进行，我们甚至能“生产”出更多的裂变材料（钚）。
2. 铀的总量：
地球上还有多少？ 科学家的估算显示，地球上的铀储量非常非常丰富。即使按照目前全球核能发电的规模，也足以支撑几百年甚至更久。而且，这些估算通常是基于已探明的、容易开采的矿藏。随着技术的进步，一些目前被认为难以开采的铀矿，未来也可能变得经济可行。
海洋中的铀：更厉害的是，海洋中溶解了大量的铀。虽然浓度很低，但海水的总量是惊人的。如果技术允许，从海水中提取铀，那么能源的供给将是天文数字般的。虽然目前从海水提铀的成本和效率还不具备大规模应用的条件，但这为我们描绘了一个几乎取之不尽的未来能源图景。
3. 核裂变燃料的多样性：
托里姆（Thorium）：除了铀和钚，还有一种叫做托里姆（$^{232}$Th）的元素，它本身不能直接裂变，但当它吸收一个中子后，会变成铀233（$^{233}$U）。而铀233同样是一种极好的裂变燃料。许多国家正在积极研究基于托里姆循环的核反应堆，因为托里姆在地壳中的储量比铀还要丰富，而且其核废料的放射性毒性也相对较低，半衰期也更短。
快中子反应堆（Fast Breeder Reactors）：现代的快中子反应堆技术，能够非常高效地利用铀238和钚239，甚至能“燃烧”掉一部分核废料，并且产生比消耗更多的裂变材料（也就是“增殖”）。这意味着，我们不仅不会耗尽燃料，反而能把原本被认为是废料的铀238变成可用的燃料，极大地提高了铀资源的利用率。
为什么有些人会担心“耗尽”？
这种担心可能来自于对传统化石燃料（煤、石油、天然气）的认知。这些燃料是不可再生的，我们用一点，就少一点，最终会耗尽。但核裂变燃料的性质和消耗方式完全不同。
不是燃烧，是转化：化石燃料的燃烧是化学反应，物质的本质没有改变，只是结合方式变了。而核裂变是核反应，是原子核内部的转化，能量释放得极其巨大，而且还能“生产”出新的裂变材料。
“低品位”燃料的利用：铀238在天然铀中占绝大多数，但它在传统的轻水堆里大多是“浪费”的。而先进的反应堆设计，可以把这些“低品位”的燃料也利用起来，就像我们从低品位的矿石中也能提取有价值的金属一样。
总结一下，我们之所以不太可能“耗尽”用于核裂变的化学元素，主要有以下几个原因：
1. 裂变的是特定同位素，而非整个元素：我们不是在用尽所有的铀，而是在转化特定的铀同位素，并产生新的裂变材料。
2. 燃料的“生产”能力：像钚239和铀233这样的燃料，可以在反应堆中被“生产”出来，这使得核能具有“增殖”的潜力。
3. 储量非常巨大：地球上的铀和托里姆储量都非常丰富，加上从海水提取的潜在可能，资源量几乎是取之不尽的。
4. 技术的发展：先进的反应堆技术，如快中子反应堆和托里姆循环反应堆，能够极大地提高燃料的利用率，甚至能够处理和利用现有的核废料。
当然，这并不意味着核能没有挑战。核废料的处理、核安全、核扩散风险等仍然是我们需要认真解决的问题。但从资源耗尽这个角度来看，核裂变燃料的丰富程度，以及其独特的转化和增殖特性，让我们不必担心会像消耗化石燃料那样，在未来面临“无米之炊”的窘境。我们拥有的，是一个在理论上能够提供极其长久能源的宝库，关键在于我们如何以安全、高效、负责任的方式去开发它。
网友意见
地壳中有40万亿吨的铀元素，以现在人类的消耗速度来算，大概要上千万年才能耗尽。不过很可惜，大部分的铀都以极低浓度（百万分之2.7）的形式弥散在地壳中，具有开采价值的高浓度铀矿并不多。
国际原子能机构在06年做了个估算[1]，认为地球上已探明的具有开采价值（开采成本低于130$/kg）的铀只有470万吨，按04年的消耗量算，大概只够用85年。不过他们也认为还存在大量未探明的铀矿，并预测全球具有开采价值的铀储量在3500万吨左右。近年来也确实陆续发现了一些新的铀矿，给这个时限多续了个几十年。
另外，目前核电站里消耗的铀绝大部分都是铀235，而铀235只占铀储量的0.7%左右，剩下的99.3%几乎全是铀238，而铀238也是能用作裂变燃料的，虽然技术上要难一些。如果把铀238考虑在内，铀够用的年限就会得到数量级的增长，按目前的消耗速度可以维持2000年以上。
让铀238反应需要更高能的中子（MeV级别），因此需要快中子堆或聚变裂变混合堆，这两者的技术难度都比传统的裂变堆高很多。其中快堆的进展还好一些（前两年合肥物质研究院搞的核电宝，其实就是铅冷快堆，建设中的霞浦核电站也是快堆），已经有不少实验堆型投入运行了，而混合堆似乎还处于概念设计阶段。
参考
- ^Global Uranium Resources to Meet Projected Demand https://www.iaea.org/newscenter/news/global-uranium-resources-meet-projected-demand
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