核电的未来

“做数学”的最新目标是将我们的可再生能源选项分类为“丰富”，“有力”和“利基”框。这是我对能源领域的数学介绍的反映，其结果使我确信，我们在寻求继续增长轨迹方面面临着巨大的，最终是不可逾越的障碍。我们甚至都无法维持今天的能源标准，这不是很明显。在进入“数学”的“现在是什么”阶段之前，我们还有更多的资源/主题需要涵盖。同时，要求我解决核问题的请求越来越多。因此，在引起读者反感之前，我应该打断可再生线程，以表达我的核反应。这是一个很丰富的主题，在这篇文章中，我将只提供一个教程介绍和我的全景照片。单个帖子可能无法解决所有细微差别，因此我在这里的主要目标是揭开核问题的神秘面纱，建立词汇表，并为以后的帖子中的进一步讨论奠定基础。

核基础知识首先，重要的是要了解，核电厂的运行方式几乎与燃煤电厂的运行方式完全相同。主要区别在于热源。对于燃煤电厂，煤粉在巨型炉中燃烧，将热量传递给水，从而产生蒸汽，从而驱动涡轮机。核电站利用高能裂变事件产生热量，产生驱动涡轮机的蒸汽。您是否了解相似性？

因此，核电站仅仅是热机，它们从热源（火焰或裂变）流向“冷”源（冷凝器）的热能的一部分中提取有用的功。在远离大型水域的现代燃煤电厂中，经常会发现沙漏状的冷却塔象征着核能。相反，靠近大型水域的核电站（如SoCal的San Onofre）缺少冷却塔，而且安装紧凑。imgsrc =“ https://d1o9e4un86hhpc.cloudfront.net/uploads/AD61.png” border =“ 0” width =“ 450” height =“ 328” /> San Onofre核电站的双1.1 GW反应堆。无需冷却塔。来自南加州爱迪生公司。在继续之前，请确保所有内容都在同一语音页面上。Fizzics的一个分支处理natum的natum，这就是nucular能量的来源。我认为得克萨斯州可能有一些运营工厂。在这篇文章中，很好地处理了原子核产生的核能物理。如有疑问，请考虑“让我们清楚-正在处理核问题。”

好的，我只需要把它拿下来，部分是为了面对我的南方遗产。到目前为止，最主要的一点是，核电站的发热量只是复杂的。在那之后，它的标准票价。而且由于它们的相似设计，两者都将热能转换为有用电的效率达到了30％至40％。

裂变基础

重原子核可以通过用高能粒子轰击并具有极好的目标而分裂。但这并不有趣，因为必需的高能粒子可能很难产生。大自然提供了一个巧妙的技巧，因为三个半稳定核仅通过引入一个额外的（慢速）中子就能分裂。这些是233U，235U和239Pu。对我们大多数人来说，就是铀和p。上标表示核中包含的核子总数（质子和中子的另一个名称）。铀总是有92个质子，而always总是有94个质子（从本质上讲，这就是它们的本质：化学上有关中性原子行为的全部信息，分别包含92和94个不同构型的电子）。这将分别在233U，235U和239Pu中留下141、143和145个中子。

顺便说一句，您在铀和p的名称中注意到了什么模式？提示：介于两者之间。进一步提示：它的名称是n。

考虑到冥王星已经被地球俱乐部拒之门外，也许我们应该将the从周期表中剔除，这早就该了！嗯天文学教科书正在发生变化，但我怀疑化学教科书中的Plutos行星地位将永垂不朽。

不管是233U，235U和239Pu，它的自发衰变（不是通过裂变，而是通过发射α粒子：两个整齐的块中的两个质子和两个中子）在159,000、7.04亿，和24,000年。但是，如果我们在其中任何一个中再增加一个中子，则它们很有可能分裂成两个大块和几个备用中子。在此过程中，总颗粒数不会改变。多余的中子留在了其他裂变核中，并保持了这一过程的进行-称为连锁反应。为了使它起作用，必须控制中子被非易裂变材料（包括控制棒）吸收的可能性，并具有足够的易裂变核以保持过程嗡嗡作响（临界质量）。

例如，如果我们在235U中添加一个中子，则在分裂成例如97Rb和137Cs加两个备用中子之前，它会瞬间变为236U。由于较重的原子核越来越富中子（质子相互排斥，因此大原子核中的原子团越少），“子代”原子核的税阶就极其富中子，并开始通过“β”衰变将中子转化为质子。 ，在此过程中发射高能电子。因此，我们说子核具有放射性，并以快速电子的形式发出破坏性的（电离）辐射，这些电子可以直接穿透您的DNA。在上面的示例中，子核是短暂的：几秒钟内，beta通过锶和钇衰变几次，,停在锆上约一天，然后花一分钟作为铌，最后以稳定的状态退休。钼（97Mo）的同位素。铯持续约30年（半衰期），β衰变成稳定的钡同位素（137Ba）。

无法控制子产品将是什么。在实践中，它们涵盖了中型核的分布，分为两组（一组约135个核子，另一组约95个核子，有时称为“鱼和薯条”，请参见下图）。通常，它们将富含中子，并且会在整个时间范围内经历β衰变-有些会持续数千年。被吸收的中子也可能不会促进裂变，并且原子核不断吸收中子以产生“反铀铀”或act系元素放射性废物。不稳定的子核（裂变产物）和反铀铀核使乏燃料变得有害，通常很长时间。

三个裂变核的裂变屈服概率，通常产生一个大核和一个小核。三个原子核的产率相似而不是不同。核子数绘制在水平轴上。

我们已经研究了分裂原子的计算，但是热量从何而来？当这些核和中子从不稳定核中爆发时，它们会飞散，并携带动能。当它们粗暴地撞到周围的原子中时，它们以运动/振动的杂音形式将这种能量沉积在固体晶格中。我们称这种热量。一个典型的裂变事件会释放约200 MeV的能量，我们稍后将重新讨论其能量。

燃油选择

在三个慢中子裂变核中，只有235U被自然发现。另外两个的半衰期短得多，因此，由超新星产生的地球初始物质储备中提供的233U和239Pu早已消失了。同时，235U的衰变速度比其姊妹238U快得多，后者的半衰期为45亿年（巧合的是大约地球的年龄，因此我们拥有238U原始存量的一半）。今天，天然铀的99.3％是无能的238U品种，其余的0.7％是fissile235U。这是一个非常重要的事实。

但是有一扇后门。反应堆燃料通常浓缩至3-5％235U，在反应堆中留下大量238U。当238U恰好吞噬了一个漂移的中子时，它变成239U，它是不稳定的，并且在几天之内经历两次β衰变，从而变成了-239Pu。现在我们在反应堆中有两个裂变贡献者，实际上239Pu贡献了典型反应堆中总能量的三分之一。

一些反应堆被设计为在产生239Pu时特别有效，这些反应堆被称为“增殖反应堆”，用于制造武器材料。在能源方面，通过使用无处不在的238U核，育种者提供的铀供应量是235U中天然铀的140倍。育种者的主要问题是p在化学上与铀不同，因此很容易分离和制造炸弹。相反，众所周知，铀的两个同位素很难分离（富集）。对那些努力拥有核武器的人来说，浓缩是一个重大障碍。大量的would将使结石发生很大变化，使武器扩散的规模扩大。

可以使用类似的后门技巧将232Th繁殖为裂变233U（需要一个月的时间才能通过beta衰减）。rust在地壳中的含量是铀的几倍。它像235U一样不易裂开，是：需要一些组装。从这个意义上讲，它与238U并没有太大不同。主要差异之一是，繁殖的233U经常被232U污染，232U的半衰期为69年，并且是沿衰变链大量发射高能伽马射线的源。一年后，铀不断上升的辐射水平达到百万分之五232U，比反应堆级p高出七倍，比武器级p（参考级）低约50倍。而且由于伽马射线的发射能量比than的相应发射能量高，因此很难屏蔽。

最重要的是，232U污染的th生产的233U使233U非常危险，被认为可以阻止扩散（恐怖分子容易找到未受教育的烈士，更难找到愿意牺牲生命的核技术人员）。232U的故意污染将有助于抑制扩散，并使该物质更容易从其伽玛射线中检测出来。

毫无疑问，我不会因为不了解over相对于传统铀反应堆的优势而感到沮丧。不难发现赞美所有优点的账目-包括咀嚼我们目前的乏燃料库存（尽管对子产品没有帮助）和在冷却损失紧急情况下（如果盐塞工作正常）的被动倾倒。但是它并不全都是玫瑰花，我感觉里面混入了一些“ mixed”。在我能说更多之前，我将需要花更多时间研究studying。

能量学

由于应用E = mc很有趣，²因此我将使用上面的示例235U加一个产生97Rb的中子和137Cs加两个中子。中子的静止质量为1.0087原子质量单位（a.m.u .: 1.660510？27×公斤），而235U的剩余质量为上午235.043。另一方面，97Rb是上午96.937。而137Cs是上午136.907。如果我们将初始质量相加，我们将得到236.05 a.m.u.，对于最终质量，我们将得到235.86 a.m.u.。（完成所有beta衰减后为235.83）。有人偷走了0.2原子质量单位！将其放入E = ²mc（质量单位为kg和c？3108× m / s），发现丢失量为310？11焦耳。×听起来可能并不多，但是一克235U包×含2.61021个原子，能量为76 GJ。这相当于每克约2000万千卡-效力是化学能的一百万倍。这就是为什么核能如此热门的原因。

燃料的供应量要想扩大规模，全球的能量需求为13 TW，则需要每秒消耗约20克235U的能量：这看似微不足道。这相当于每年约600吨。就铀的总含量（235U仅占0.7％）而言，我们每年需要挖掘约80万吨。目前，全世界每年使用约60,000吨铀（校正了黄饼矿石U3O8的85％为实际铀这一事实），尽管目前全世界仅0.75 TW（热）电力来自核反应堆。将这个数字缩放到13 TW，意味着每年需要100万吨铀，这与我们的初步估计合理地吻合。

那么世界上有多少铀资源呢？世界核协会估计该矿石量约为540万吨（4.6吨铀）。以目前的使用率和没有更多的勘探，这意味着有80年的资源。但是核能仅占全球能源生产的6％。本着将每种能源与我们的总需求（如我对太阳能，风能，潮汐能，水力发电等的需求）进行叠加的精神，这意味着如果我们需要常规核能，我们将在短短6年内耗尽资源成为我们唯一的能源！

那是故事的恐怖/极端版本。如果推动，我们无疑会确定其他资源（以更高的开采成本）。目前，核燃料并不是核能发电的成本驱动因素，因此在核能变得更加昂贵之前，采矿成本仍有增加空间（尽管已经失去了经济竞争能力）。但是，将资源增加一倍或三倍并不能使我们脱离数十年制。因此，常规核能无法长期替代化石燃料，并且在任何情况下都无法提供如此便利。

如果经济的话，我们可以从海洋中收集铀，那里每立方米的海水中约含3毫克铀（十亿分之3）。总产量为13亿立方公里，相当于40亿吨，使供应量增加了近1000倍。

我们还必须考虑种鸡角。天然铀只有0.7％是易裂变的，因此育种者可以将范围扩大140倍。现在我们的十年规模是千年规模。th也是如此，is从一开始就是一个育种计划，并且比铀更加丰富。

那么，我们还是不？

您的确是一个耐心的病人，当您一直想知道核能是否将成为我们未来的主要组成部分并且可以扩展到足以使我们在能源短缺方面放心时，与您一起进行冗长的教学演讲。

我的答案是：我可以想象这两种方式都会发生。毕竟，如果我认为核能只是简单地处理业务而无后顾之忧，那么我可能没有动力去对各种能源选择进行“算术”。

即使核裂变不能代表可再生资源（充其量是在与千年而不是千禧年打交道），但育种计划可以使它持续足够长的时间，让我将其放入“丰富的”盒子中。在没有育种者的情况下，我必须将采用常规采矿的常规核能放到“利基”盒子中，因为它在相当长的一段时间内无法满足我们需求的四分之一。海洋捕捞使常规核能直接从“有力”跃回到“丰富”。值得强调的是，我们不能简单地增加我们知道的核武器，并希望得到更多的核武器。

因此，核能的前景无处不在。因此，经济，社会学和实际问题（比物理/数学更重要）将决定核将发挥多大作用。

实际事项

让我们从显而易见的开始。核能代表了另一种发电方式。在太阳能光伏，太阳热能，风能，水力发电，地热能，潮汐能，波浪能，洋流等之间-当然可以接受，其中有些是微不足道的-我们也不乏发电的方法。核能没有其他力量来减轻我们不久将经历的液体燃料紧缩。像所有其他选项一样，它不是万能药。它不是我们可能希望找到的灵丹妙药。

核电不能容忍功率输出的快速变化。它可以调整几个小时，而不是几分钟或几秒钟。因此，它对于平衡因需求波动或风能和太阳能等引起的短期间断性没有用。另一方面，它也没有间断性问题。因此，它可能是有用的基本负载来源，约占峰值用电需求的三分之一，约占总发电量的三分之二。

与太阳能或风能不同，核能不会被分配，而是会集中到大型，昂贵的高科技设施中。大型核电厂的成功运行需要一个功能强大，稳定的社会，拥有受过良好教育的劳动力-就像荷马·辛普森（Homer Simpson）以及哥们兰尼（Lenny）和卡尔（Carl）一样（我很惊讶地得知兰尼“实际上”拥有核能硕士学位。物理）。因此，如果我们向未来的过渡顺利而有序，核能看起来就很好。如果我们因能源短缺而措手不及（可能导致ho积，资源战，严重的经济崩溃和其他意外事件），那么可能很难发起强有力的核反应。换句话说，核能是我们主要能源选择中技术上最具挑战性的，因此，当需要变得明显时，我们冒着没有足够的能量一起走核能之路的风险。在这种自我限制的作用开始之前，情况将变得非常糟糕，我无法轻易评估这种情况的可能性。因此，这种考虑并不是Im不热衷于核武器的原因，但肯定是一个需要牢记的因素。核能需要先进的计划，并且不会成为紧要关头的有效手段。

当然，我们还有废物存储（五个世纪后仍未解决），武器级材料（与育种者相关）扩散等令人讨厌的问题。的确，燃煤电厂外的辐射水平要比核电厂外的辐射水平高，直到不是。三英里岛，切尔诺贝利和福岛确实违反了这种“无私行为”。当核电站遇到麻烦时，麻烦可能会非常令人不安。

社会因素

这将我们带入了社会角度。人们害怕核能，几乎和害怕核能一样。首先，我们与人类所知最具破坏力的武器形成了一种心理联系。考虑到扩散，这种联系就成为现实。其次，当核电厂遇到麻烦时，它的重大新闻将导致巨大的恐惧。比起鲨鱼袭击，死于蜂st的人要多，但是我们对鲨鱼的恐惧远大于对蜜蜂的恐惧。然而，更疯狂的是，我们并没有从汽车上大喊大叫-尽管它们是如此致命-而是实际上会走进挤满这些杀手的停车场。第三，我们还无法实施废物存储计划，将乏燃料无限期地存放在游泳池中的核电站中，这些核电站仅用于临时存储。

用过的燃料棒存储在核电站的“临时”池中。

公众对核电厂的接受往往与他们对国会代表的接受背道而驰。?？我们（在美国）倾向于轻视国会，对他们所做的工作给予低至10％的支持率。同时，我们当地的代表已连任90％的机会因为theyre认为是好鸡蛋之一。相反，我们总体上可能会在国家层面接受核电，但请在我们地区不接受。我们对几乎所有拟议的新设施（风能，太阳能，燃煤电厂等）都调用了NIMBY（不在我的后院）应对措施，但我们对核能的厌恶程度完全不同。

作为一位了解核能的知识的科学家，核电厂无法爆炸，核电厂外部的标称辐射水平非常低，自然辐射要大得多（尤其是在空中旅行期间），核燃料是超核燃料。与化学来源相比效率更高-我个人并不怀有对核电的内在恐惧感。我也不会低估废物存储的复杂性，扩散的可能性或资源的有限性。这些是合法的社会问题（请参阅关注科学家联合会关于正反两面的超级可靠分析）。我也意识到建造和维护核电站所固有的复杂性，并且所获得的能源永远不会像曾经承诺的那样“太便宜以至于无法计量”。

当然，熔融盐th反应堆可以缓解其中的一些担忧（并带来新的担忧）。正如我所说，我需要更深入地研究这个选项。我已经知道的一件事：核能比我们的许多其他其他选择（例如太阳能，风能）要复杂得多，它依赖稀有材料作为燃料，并且存在严重的社会障碍。也就是说，它还具有一些非常好的特性：稳定的功率输出，低碳，潜在的丰富燃料（如果经济允许的话）以及数十年的经验（在某些反应堆类型上）。

总的来说

最后，我认为核能在我们的能源故事中可能扮演越来越重要的角色。能源困难将使人们对浪费，扩散和安全的担忧胜过一切。只要这种困难不会将我们束缚在能量陷阱中或使我们陷入功能障碍，我们就有可能建造更多的植物。但是，由于核能并未直接向接吻者（化石燃料替代品）提出主要问题，我怀疑它会被预示为我们祈祷的答案，并想象其作用将相应地适度。您是否对我的非核武器感到失望？像我一样坚定的答案？也许我可以为我们节省很多时间，只是说：“嗯。”

通过。汤姆·墨菲

这是汤姆·墨菲（Tom Murphy）的特邀帖子。汤姆是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学副教授。这篇文章最初出现在汤姆的博客《做数学》中。