你所用的電，有多少來自核電站？——清潔能源的量子智慧

編者按：2025年，距量子力學的誕生恰好過去100年。在這100年間，量子力學已成為現代科學的基石，也改變了我們的日常生活。本系列文章從身邊的常見事物出發，深入淺出地介紹量子力學的原理，以紀念這一偉大成果，并為更多好奇的人打開了解它的一扇窗。

現代生活中，電力已是不可或缺的血液。過去，我們使用的電基本上來源于傳統的火力發電，而如今，火力發電的占比越來越少，各種清潔能源的比例開始不斷增加。其中，核能以其神秘而強大的姿態，成為備受矚目的“潛力新秀”。

你知道你所使用的電有多少來自核電站嗎？這里有一組小小的統計數據：去年，我國核能發電占全國累計發電量的4.72%，而對于沿海地區的核電大省，如遼寧、浙江、福建、廣東、海南等，這一數字更是超過了20%。如果你住在這些省份，那么，核電的電流或許正在你的指尖跳動。

對于這個有巨大潛力的未來能源，你了解多少呢？核能的利用，與量子力學又有什么淵源？讓我們潛入微觀世界，一起來探索原子最核心的秘密吧！

超強力“膠水”

事實上，如果沒有量子力學的基礎，我們就無法描述原子核。

原子與原子核的結構

圖片來源：enjoyphysics.cn

我們已經知道，原子核是由帶有正電荷的質子和不帶電荷的中子組成的。這些粒子被緊緊地束縛在一個直徑僅約飛米（10?15米）的極小空間內。在經典物理的框架下，這個模型根本不可能穩定存在：帶相同電荷的質子之間會產生巨大的排斥力，足以讓原子核瞬間解體。

相同電荷之間的排斥力大小與距離的關系。對于原子核這樣小的尺度，距離非常近，排斥力會是巨大的。

圖片來源：愛問教育

為了解釋原子核的穩定存在，我們不得不引進一種更強大的短程力——這就是強相互作用力。在原子核的尺度內，它的強度是電磁力的一百多倍，這足夠克服強大的電磁斥力，把質子和中子們牢牢地“粘”在一起。

描述強相互作用力的理論基礎，正是量子場論——你可以把它理解為量子力學與狹義相對論結合之后的一種“升級版本”。在這個理論中，粒子通過交換“信使粒子”來產生力，而在質子和中子之間交換的，就是一種叫Π介子的粒子。它就好像我們這個宇宙中的“強力膠水”，將質子和中子緊密結合，造就了穩定存在的原子核。

多米諾骨牌式的炬火

束縛原子核內的質子和中子，需要如此強大的相互作用力，可見在小小的原子核里，蘊藏著多么排山倒海般的巨大能量！

一旦核的結構被破壞，其中的能量就有可能被釋放出來。現在的人們利用核能發電的方式就是如此——我們把它叫做核裂變。

核電站中所使用的核裂變燃料是鈾-235——在這里，235代表著這種原子核的總核子數量。鈾作為第92號元素，它含有92個質子，那么它的中子數量就是235減去92，也就是143個。

銀灰色的鈾金屬，受氧化而覆蓋一層黑色氧化物

圖片來源：維基百科

這并不是鈾的同位素中最常見的一種。事實上，鈾-235只占自然界中鈾總量的不到百分之一，而大部分的鈾，實際上是含有146個中子的鈾-238。為什么人們必須要費好大的勁分離出這么少量的鈾-235呢？

原來，這也是來自于原子核中的一種量子效應。它導致了原子核內的質子和中子傾向于成對出現。

引起核裂變的“導火索”是一個外界中子。在鈾-235中有奇數個中子，所以它更“歡迎”新中子的到來，與落單的中子配對。因此，鈾-235與一個新中子生成的鈾-236在很高的激發態上，很容易裂變成兩半，瞬間釋放出巨大能量。

不僅如此，這個反應還會生成三個新的中子，接著去撞擊更多的鈾-235。第一個中子的轟擊，就像推倒了第一塊多米諾骨牌一樣，引發了后續的骨牌接連不斷的倒塌。這就是鏈式反應，使得核裂變可以源源不斷地繼續下去。

而我們也不用擔心后續的“骨牌”“塌得太快”：通過使用吸收中子的材料，把多余的中子吸收掉，就可以精確控制反應速率，將其限制在安全的范圍。這對于核電站的安全運行來說，是至關重要的一步。

核裂變的示意圖

圖片來源：Science Ready

相反，自然界中含量豐富的鈾-238卻做不到這些。因為它含有146個中子，已經是偶數，所以并不“歡迎”外界中子的到來。在這種情況下，鈾-238即使被中子轟擊，也達不到裂變的條件，自然也就無法成為理想的核燃料了。

從核裂變到核電站

江蘇連云港的田灣核電站

圖片來源：環球網

理解了核裂變的神奇機制，下一步，就需要將這股強大的力量轉化為日常所需的電力。

其實，核電站與傳統火力發電站的區別，并沒有我們想象的那么大。

它們的核心任務，都是把水加熱成高溫高壓的水蒸氣，然后讓水蒸氣推動巨大的汽輪機旋轉。這個汽輪機可以帶動發電機發電，產生電能，再將電能統一并入國家電網。可以說，對于核電站來說，在汽輪機之后的步驟，其實并沒有什么創新之處。

關鍵的區別在于，這一次用于加熱水的，不再是化石燃料燃燒產生的熱，而是鈾-235裂變釋放出的巨大熱量。不同于燃燒化石燃料，在核反應堆產生熱量的過程中，幾乎不排放溫室氣體和大氣污染物，因此，核能是一種重要的清潔能源。

最常見的一種核電站：壓水堆核電站的結構示意圖

圖片來源：維基百科

而且，核燃料的利用效率非常高。一座100萬千瓦的核電站每年只需要補充30噸左右的核燃料，而同樣規模的火力發電廠每年要燒煤300萬噸。形象地說，只要一顆花生米大小的鈾燃料芯塊，蘊含的能量就相當于3噸煤！因此，核電站一旦建成，其后續的運行成本，其實是非常低的。

潛力背后的隱憂

核能雖然是有著巨大潛力的清潔能源，可是，說起“核”的事情，人們卻總是帶有一點擔憂的態度，這并不是沒有根據的。雖然核事故發生的概率非常微小，可是一旦發生，卻會導致嚴重的后果。更何況，在新聞與影視作品中，也更多地聚焦與渲染災難性事件，這更加重了人們對核之危險的印象。

然而，正是這種深刻的敬畏之心，成為了核能安全發展的最強驅動力。在建設與運行核電站時，安全性必須是第一重要的議題。

現代核電站的設計，使用了多層物理屏障和安全系統，來防止放射性物質的泄露。嚴格的國際監管和合作機制，持續提升著全球的核安全標準。此外，核電廠在設計上能有效抵御極端自然災害和恐怖襲擊，并不斷從事故中學習改進，發展更安全的被動式設計。這些都共同構建了核能發電的可靠安全基礎。

但是，任何一項技術都不是絕對安全的，人類只要利用能源，就都會有風險的存在。不過，根據職業事故數據統計，核能發電比傳統的火力發電更加安全，與可再生能源技術相當。我們能做的是通過不斷地改進，將風險降至越來越低。

制造每太瓦時電量（相當于全世界大約5個月的用電量）相關事故造成的人員死亡人數

圖片來源：世界核協會

縱觀科技的發展，任何一種先進技術，在誕生時，都如同一把雙刃劍。如何正確地利用好手中的利劍，讓它提升我們的生活質量，而不是錯誤地劃傷自己，是每個科技工作者都需要面對的問題。以科學嚴謹的態度，讓敬畏成為動力，而不是讓恐懼成為束縛，才能帶來更多造福人類的結果！

作者：張一凡

審核：梁文杰中科院物理研究所研究員

本文在科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”刊發，經授權發布