你所用的电，有多少来自核电站？——清洁能源的量子智慧

编者按：2025年，距量子力学的诞生恰好过去100年。在这100年间，量子力学已成为现代科学的基石，也改变了我们的日常生活。本系列文章从身边的常见事物出发，深入浅出地介绍量子力学的原理，以纪念这一伟大成果，并为更多好奇的人打开了解它的一扇窗。

现代生活中，电力已是不可或缺的血液。过去，我们使用的电基本上来源于传统的火力发电，而如今，火力发电的占比越来越少，各种清洁能源的比例开始不断增加。其中，核能以其神秘而强大的姿态，成为备受瞩目的“潜力新秀”。

你知道你所使用的电有多少来自核电站吗？这里有一组小小的统计数据：去年，我国核能发电占全国累计发电量的4.72%，而对于沿海地区的核电大省，如辽宁、浙江、福建、广东、海南等，这一数字更是超过了20%。如果你住在这些省份，那么，核电的电流或许正在你的指尖跳动。

对于这个有巨大潜力的未来能源，你了解多少呢？核能的利用，与量子力学又有什么渊源？让我们潜入微观世界，一起来探索原子最核心的秘密吧！

超强力“胶水”

事实上，如果没有量子力学的基础，我们就无法描述原子核。

原子与原子核的结构

图片来源：enjoyphysics.cn

我们已经知道，原子核是由带有正电荷的质子和不带电荷的中子组成的。这些粒子被紧紧地束缚在一个直径仅约飞米（10⁻15米）的极小空间内。在经典物理的框架下，这个模型根本不可能稳定存在：带相同电荷的质子之间会产生巨大的排斥力，足以让原子核瞬间解体。

相同电荷之间的排斥力大小与距离的关系。对于原子核这样小的尺度，距离非常近，排斥力会是巨大的。

图片来源：爱问教育

为了解释原子核的稳定存在，我们不得不引进一种更强大的短程力——这就是强相互作用力。在原子核的尺度内，它的强度是电磁力的一百多倍，这足够克服强大的电磁斥力，把质子和中子们牢牢地“粘”在一起。

描述强相互作用力的理论基础，正是量子场论——你可以把它理解为量子力学与狭义相对论结合之后的一种“升级版本”。在这个理论中，粒子通过交换“信使粒子”来产生力，而在质子和中子之间交换的，就是一种叫Π介子的粒子。它就好像我们这个宇宙中的“强力胶水”，将质子和中子紧密结合，造就了稳定存在的原子核。

多米诺骨牌式的炬火

束缚原子核内的质子和中子，需要如此强大的相互作用力，可见在小小的原子核里，蕴藏着多么排山倒海般的巨大能量！

一旦核的结构被破坏，其中的能量就有可能被释放出来。现在的人们利用核能发电的方式就是如此——我们把它叫做核裂变。

核电站中所使用的核裂变燃料是铀-235——在这里，235代表着这种原子核的总核子数量。铀作为第92号元素，它含有92个质子，那么它的中子数量就是235减去92，也就是143个。

银灰色的铀金属，受氧化而覆盖一层黑色氧化物

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这并不是铀的同位素中最常见的一种。事实上，铀-235只占自然界中铀总量的不到百分之一，而大部分的铀，实际上是含有146个中子的铀-238。为什么人们必须要费好大的劲分离出这么少量的铀-235呢？

原来，这也是来自于原子核中的一种量子效应。它导致了原子核内的质子和中子倾向于成对出现。

引起核裂变的“导火索”是一个外界中子。在铀-235中有奇数个中子，所以它更“欢迎”新中子的到来，与落单的中子配对。因此，铀-235与一个新中子生成的铀-236在很高的激发态上，很容易裂变成两半，瞬间释放出巨大能量。

不仅如此，这个反应还会生成三个新的中子，接着去撞击更多的铀-235。第一个中子的轰击，就像推倒了第一块多米诺骨牌一样，引发了后续的骨牌接连不断的倒塌。这就是链式反应，使得核裂变可以源源不断地继续下去。

而我们也不用担心后续的“骨牌”“塌得太快”：通过使用吸收中子的材料，把多余的中子吸收掉，就可以精确控制反应速率，将其限制在安全的范围。这对于核电站的安全运行来说，是至关重要的一步。

核裂变的示意图

图片来源：Science Ready

相反，自然界中含量丰富的铀-238却做不到这些。因为它含有146个中子，已经是偶数，所以并不“欢迎”外界中子的到来。在这种情况下，铀-238即使被中子轰击，也达不到裂变的条件，自然也就无法成为理想的核燃料了。

从核裂变到核电站

江苏连云港的田湾核电站

图片来源：环球网

理解了核裂变的神奇机制，下一步，就需要将这股强大的力量转化为日常所需的电力。

其实，核电站与传统火力发电站的区别，并没有我们想象的那么大。

它们的核心任务，都是把水加热成高温高压的水蒸气，然后让水蒸气推动巨大的汽轮机旋转。这个汽轮机可以带动发电机发电，产生电能，再将电能统一并入国家电网。可以说，对于核电站来说，在汽轮机之后的步骤，其实并没有什么创新之处。

关键的区别在于，这一次用于加热水的，不再是化石燃料燃烧产生的热，而是铀-235裂变释放出的巨大热量。不同于燃烧化石燃料，在核反应堆产生热量的过程中，几乎不排放温室气体和大气污染物，因此，核能是一种重要的清洁能源。

最常见的一种核电站：压水堆核电站的结构示意图

图片来源：维基百科

而且，核燃料的利用效率非常高。一座100万千瓦的核电站每年只需要补充30吨左右的核燃料，而同样规模的火力发电厂每年要烧煤300万吨。形象地说，只要一颗花生米大小的铀燃料芯块，蕴含的能量就相当于3吨煤！因此，核电站一旦建成，其后续的运行成本，其实是非常低的。

潜力背后的隐忧

核能虽然是有着巨大潜力的清洁能源，可是，说起“核”的事情，人们却总是带有一点担忧的态度，这并不是没有根据的。虽然核事故发生的概率非常微小，可是一旦发生，却会导致严重的后果。更何况，在新闻与影视作品中，也更多地聚焦与渲染灾难性事件，这更加重了人们对核之危险的印象。

然而，正是这种深刻的敬畏之心，成为了核能安全发展的最强驱动力。在建设与运行核电站时，安全性必须是第一重要的议题。

现代核电站的设计，使用了多层物理屏障和安全系统，来防止放射性物质的泄露。严格的国际监管和合作机制，持续提升着全球的核安全标准。此外，核电厂在设计上能有效抵御极端自然灾害和恐怖袭击，并不断从事故中学习改进，发展更安全的被动式设计。这些都共同构建了核能发电的可靠安全基础。

但是，任何一项技术都不是绝对安全的，人类只要利用能源，就都会有风险的存在。不过，根据职业事故数据统计，核能发电比传统的火力发电更加安全，与可再生能源技术相当。我们能做的是通过不断地改进，将风险降至越来越低。

制造每太瓦时电量（相当于全世界大约5个月的用电量）相关事故造成的人员死亡人数

图片来源：世界核协会

纵观科技的发展，任何一种先进技术，在诞生时，都如同一把双刃剑。如何正确地利用好手中的利剑，让它提升我们的生活质量，而不是错误地划伤自己，是每个科技工作者都需要面对的问题。以科学严谨的态度，让敬畏成为动力，而不是让恐惧成为束缚，才能带来更多造福人类的结果！

作者：张一凡

审核：梁文杰中科院物理研究所研究员

本文在科普新媒体平台“蝌蚪五线谱”刊发，经授权发布