第544期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《认识核能》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——认识核能
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：俞冀阳，清华大学工程物理系核能科学与工程管理研究所副研究员。
郭 亮，中国科学院力学研究所工程师。
讲座时间：2024年3月18日～3月24日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——认识核能
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。今天我们聊的话题是核能，人类对于能源的追求从未停止过。随着时代的发展，我们对清洁能源需求越来越大，核能就是其中之一，首先通过短片来进入我们今天的节目。人类很早就发现了自然界中遍布着核能，太阳便是一颗不断爆发着核聚变的星体，我们使用的煤炭、石油中的能量最初也是来自于核能，随着人类对核能的了解逐步深入，人们发现核能的能量密度极大，从1克铀235原子中提取出的能量就相当于燃烧2700公斤标准煤产生的能量，而且核能更加清洁，原料储存量大，未来有很大的开发空间。那么核能究竟是如何产生的？它能替代煤炭和石油这些化石能源吗？首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是清华大学工程物理系核能科学与工程管理研究所的副研究员俞冀阳，欢迎您！另外一位是中国科学院力学研究所的工程师郭亮，欢迎！
我们注意到核能当中这个“能”字，是不是跟我们平常提到的电能、热能之间是类似的，它们之间的关系是什么呢？能给我们解释一下吗？我们一提到这个能，其实就是我们平时讲的这种能量，咱们举家里的例子，比如说我们烧煤，那煤里边其实是蕴含能量的，那我们比如说把煤给它点燃，点燃之后煤就会发出热量，那么这个热量我们把它叫做热能。如果我把这个热量收集起来，我把它转换成我们平时用的这种电，那么这个就变成我们平常说的热电厂。它通过烧煤，然后把热能转换为我们所谓的这个电能，这种能量就可以用来，让我们照明或者是机械的运转，这个就是所谓的能量。我们讲的核能，其实它也是起到这种能量的作用，它只是其中一种形式而已，所以我们把它叫做核能。这个核是什么意思？所有的物质都是由原子构成的，而原子又分为原子里面内部一个核，外面的一层电子层。你可以把它看成是一个鸡蛋，原子核相当于是鸡蛋核、蛋黄，然后外面有鸡蛋白，如果我们这个能量，从鸡蛋白里头取，那就是化学能。如果从鸡蛋黄里去取，那就是核能。因为从原子核里头把这个能量给取出来了，所以您给我们解释一下，这个核能在自然界当中都存在于哪里？
像我们经常说的太阳能，太阳能实际上是太阳里头在发生着聚变。那么聚变是核能的一种释放的方式，那么太阳光再通过辐射照射到地球来，我们获得这个能量，这是一种最直接的方式。那么还有一种，我们可以利用裂变，我们地球上发现一些核素，比如铀235在中子的作用下面它会分裂出来，那分裂的过程会释放出能量，我们现在已经把裂变能作为核电厂开始发电了。那么还有一个是衰变能，比如说我们地热能，地热能就是地球内部的一些原子核，它不断地衰变，在衰变的过程中，释放出能量来，然后使得我们地心发热，我们可以来利用地热。郭亮能给我们简单地解释一下，核裂变和核聚变，这是什么意思？原子核刚才俞老师已经提到了，它其实像一个他说的鸡蛋的这个模型，那我们说这个原子核我们认为是蛋黄，我们说这个鸡蛋黄里边原子核主要就是质子和中子。这两个东西在鸡蛋黄里边，如果你想把它分开，或者想把它聚合在一起，要付出的能量是非常大的。在这个过程中，它就会蕴含着很多的能量潜能把它爆发出来。那咱举例子，说核裂变其实是一个大一点的原子，就是我们说原子量大一些的原子，比如说。就是鹅蛋。
鹅蛋，或者说我们说这个鸵鸟蛋。鸵鸟蛋它本身它尺寸就很大，然后我想让它怎么样？我拿一个东西去打击它，其实我的目的是让它从这个蛋黄把它拆成两个蛋黄，原来蛋黄之间，大家都是紧密地团结在一起，我想把它分开，你是很难分开的。一旦它俩分开了之后，这个时候会瞬间释放一大拨能量，这个就是我们所谓的核裂变。我们专业术语叫结合能。两个东西结合在一起它有能量，一旦结合能被打破了以后，这个就释放出来了。那么核聚变，其实正好是反过来，刚才咱们说是鸵鸟蛋，那我们就拿小一点的，它的蛋黄很小。鹌鹑蛋。鹌鹑蛋，没错儿。我要让两个鹌鹑蛋结合在一起，我就要付出能量把它堆在一起，在这个过程中，我相当于让它们两个进行高速的对撞，我才有可能让它俩吸在一起。所以让两个鹌鹑蛋合在一起这个过程中，就会放出大量的能量，眼看着其实我们为什么叫聚变，就把它俩聚在一起了。核裂变和核聚变它们之间，哪一个获得能量更大？咱们比较哪个能量更多或者更大，是要从一公斤的物质来看的话，一公斤的铀235裂变的话，相当于2700吨标煤。标准煤。如果一公斤的聚变的物质比这个还要大，它功率密度聚变会比裂变更高。那我们还听到一个核衰变，这是什么概念？给我们解释一下。
衰变是一个比较专业的术语，你可以把它理解成为，你放在山顶上的一个球，它自己会滚下来。而原子核它有这个特点，它能量状态高的时候，它会通过衰变这个过程，就会释放出能量来，这个能量是可以被我们所利用的。比如说我们在一些航空航天的器械上面需要电池，那么可以用这样的衰变核素来作为它的动力源。因为衰变本身就可以释放出能量来，然后提供这个动力，再比如说我们地热能本身它就是一个地球里面，很多放射性衰变的核素，在不断的衰变过程中，把能量给释放出来了。说到这儿，大家可能会问，这核能究竟是怎么被发现的呢？我们通过短片去了解一下。早在1938年，科学家们发现，当一个较大的原子核被拆成两份时，会释放出一定的能量，这些被释放的能量来自于哪里？这便是人类研发核能最初的好奇心。随着核能的开发应用，人类对核能有了进一步认识。发现核能是一种能量密度很大的可再生能源，并且用核能产生的电稳定性好，品质高，如果能加以利用，它是否能取代传统煤炭等化石能源，成为一种新的清洁能源呢？
核能对比煤炭、石油，这些传统能源来讲它的优势体现在哪些方面？首先第一个我们说传统能源，我们现在经常说烧煤或者石油，它都是所谓的不可再生资源，那这个不可再生就相当于它就这么多，我们用得越多，它剩得就越少，那么我们要为未来人类的规划做提前的安排，所以一定要用很多，我们现在大家都听说这个词叫清洁能源，可重复利用能源。那么我们的核能，虽然核能也是要消耗掉物质的，但我们认为现在这些核能它就是原子核，我们在地面上或者说海洋里面，我们都有大量的这些物质。那么这些能量它的能量值又非常高，所以我们认为这个核能在目前来看，我们人类用个几千年甚至几万年可能都不存在问题。那么这样的话，它就可以跟我们说煤或者石油相比，它的可再生性就要强很多，那这是一个最重要的一个点。然后其次就是刚才我们提的能量密度，那能量密度比如说如果是聚变反应的话，我们大概一杯水里边是氘、氚，这一杯水的这个量，基本上就能顶你大概比如说300公斤的汽油，所以我就不用用那么多的石油、天然气，我可能就用一点点这种资源，它就能带来很多的这种能量，这两个其实是我认为相对来说比传统能源要好的地方。
其实核能我们从能源的角度来看，最主要一个特点，它不会排放二氧化碳，它不是基于碳和氧反应的化学反应，可以说在反应过程中是零碳的，就没有任何碳的排放。当然在整个产业链过程中，你要加工燃料，你要生产设备，可能会有一些碳的排放，但从反应这个过程来看，它是零碳排放的，而且是能量规模又很大，所以对碳减排来说意义是非常重大的。我们注意到我们国家以往关于核电发展用得比较多的一个关键词，就是安全高效发展核电，或者是安全发展核电。但是今年（2021年）政府工作报告里提出的是，在确保安全的前提下积极有序发展核电，这个措辞的改变能传递出什么样的信息呢？这种政策层面的措施还是非常严肃谨慎的，因为这是要写入政府工作报告的。那么在2003年左右，咱们那时候提的政府工作报告里提的是大力发展核电，因为那个时候，咱们国家核电发展的技术成熟了，从1991年开始，第一个核电厂开始发电，到2003年左右，我们通过十几年的时间，核工业系统掌握了核电发电这个技术了。以前我是看别人造车，现在我自己会造车了，那个时候我们技术全面掌握了以后，国家就开始要大力发展核电。可以批量地发展。
要大力发展，然后就很不幸，我们发展了大概8年左右时间，到2011年日本福岛发生了事故，这时候重新来审视，特别是在公众的关注下面，政府重新来审视这个核能政策，把政策调整为安全高效发展，注意我们改变成安全高效发展，也并没有说我们就不发展，而是这个时候我们要来重新来检查一下安全的状态，提高我们的发展的效率。那么又经过大概8年左右的时间，2011年到2019年8年的时间，把这个安全的事情想明白了，我们开发出了华龙一号这样的第三代的，更安全的核电基础的技术。于是大家可以看，今年的政府工作报告里就提出这种思路来，在安全的前提下面要积极有序地来发展，也就是说要推动核电的发展，那么一定是认真地审视到了发展核电具有哪些优势。可以归纳成这样四个方面，第一个方面，我们有厂址的优势，我们有很多很优秀的质量很好的厂址，百里挑一的。因为咱们现在核电厂还比较少，所以厂址抗震条件，自然灾害条件，厂址条件非常优越。第二点，我们有后发的优势，别人吃螃蟹都吃过了，你们已经走过的弯路，我们就不用走了，你们已经发生过事故的这种，我们就不用管再发生了，咱们有后发的优势，可以把安全标准也可以定得更高。
第三个优势，我想我们有市场的优势，中国的电力市场非常大。那么一旦有市场优势以后，国际上所有具有核能开发的国家，他都愿意把他最先进的技术拿到我们这儿来，你不愁最好的技术不来，这样我们就能把安全做到全世界最好。第四个优势，我们有组织管理的优势。因为核电厂的安全，说到底还是运行人员他的素质问题。我们讲所有的事故，如果你刨根问底去看的话，最后都是人的事故。人的因素真的很大。人的因素，你不负责，或者是马虎大意了，或者是各种意外，追根到底都是人的因素。而我们通过组织管理的优势，把（党）支部建在基层，上令下达，加强人员的培训，这套组织体系是有中国特色的。在运行核电厂的时候，安全的保障实践也证明了是非常有效的。目前我们国家用核能作为发电，它的电量的占比跟其他的传统的发电方式，这个比例是多少？咱们现在从电力发电的这个角度来看，咱们国家现在三分之二左右的电是靠煤电，然后这两年的话，像太阳能和风能，也发展得比较迅速。水电其实也发展得挺快，但水电由于它有资源的瓶颈，它发展一定程度以后的话，可开采的量就不大了。但是核电我们现在比重还是相当小，小于5%，从装机容量上看只有2%，但是发电量上看会比2%要高一点。因为核电是24小时不用停的，不像太阳能风能它可能还要停一停的，它是24小时持续地发电的，所以从发电总量上来讲，接近5%，还不到一点这么一个水平。
这个数据的占比跟那些世界发达国家相比是什么样的？差太多了，像在法国核电占比可以到百分之七十几。法国是率先引领核能技术的，所以它相对比较优异一些。其他国家发展历史比较长了嘛，在美国电力也占百分之十几，是核电提供的。发达国家除了有一些国家，像德国资源的特点比较倾向于发展太阳能和风能，那么它的核电比例比较小，但总体上来讲，全世界总体上来看，发达国家大概的水平在10%左右。说到这儿我们看看，我们记者编辑的相关的短片。1991年，我国拥有了第一个自己的核电厂，秦山核电厂，这让我国成为世界上第七个能够自主设计建造核电厂的国家。但由于我国的核电起步较晚，技术储备依旧略显单薄，我国开始与国际进行合作，核电产业也得以快速发展，秦山二期、岭澳、田湾等一大批核电工程相继拔地而起。如今，我国正在运行的核电厂数量已经位居世界第三，在建数量为国际首位。同时，我国自主研发的核电技术也取得突破，第三代核电厂华龙一号的投入运行，标志着我国的核电技术已经达到了世界先进水平。在核电技术快速发展的当下，发展核能又存在哪些困难呢？
作为普通人，一听到核这个字，更多的反应是安全性，对于我们目前这个核能发展，我们有哪些困难和挑战？公众比较关注安全性，所以这也恰恰是我们目前发展核电最大的困难所在。如何获得公众的支持，或者说如何跟公众沟通好，这里面风险到底有多大？没有绝对的安全。安全一定是大家可接受的一个风险，但是一定要跟公众谈清楚这个事情，风险到底有多大，所以获得公众的支持，是目前核电发展最大的困难所在。跟技术相关的事情，其实我们都掌握了，那些大的设备我们也都会制造了，工艺系统我们也都会了，该怎么运行核电厂，该怎么安全管理，咱们国家的核电安全管理业绩都是在全世界都是最好的之一。咱们有一些优势，因为我们的（党）支部是建到基层的，上面的安全管理的要求是直接通达最底层的，操纵员是按照指令来严格地执行，这样的一个核电厂运行，所以安全的业绩是非常好的。真正会“卡脖子”的是公众的态度，能不能够获得公众的支持。在技术环节上我们有哪些难度和挑战呢？
在聚变上可能会挑战大一点，裂变核能来说现在已经是比较成熟了，非常成熟了。它的成熟度已经通过几十年的发展，咱们从1958年左右就开始发电了。现在核聚变暂时还没有做到任何哪个国家，能够说拿它已经开始做应用了，还是在实验室级别的探索阶段。因为聚变和裂变其实区别还是挺大的，我们的裂变的技术，现在别管是我们国家还是一些欧美发达国家，基本上已经能掌握，这个东西的安全系数已经非常非常地高了，只要质量管理体系没有问题，它是一种特别高效又安全的清洁能源，那只是说我们需要通过大量地给公众来进行宣传，让大家来体验，它真的是很安全。我有时候开玩笑说，咱们说坐飞机和坐火车，其实现在的公众都理解坐飞机其实更安全，只是因为飞机可能如果真的是出现了一些问题的话，它会被放大，大家都觉得关注点非常非常强烈。你这个说得太对了，核电厂由于我们从整个那么长历史，一共才出了那么三起事故，所以就会被非常大地放大这个事情的后果。所以这个尤其是技术我们还是一路在更新的，也不是说技术就停滞了。所以其实我们现在讲的这种核电厂，都是我们说的裂变核电厂，其实技术已经非常非常地先进了，只要管理不出问题，基本上是没问题的，而且所有国家所有人都知道核电厂是非常重视安全的，所以它会靠很多的制度而不是人来定，所以它的生产其实没有问题。
但是核聚变这个对任何一个国家来说，这都是个前沿技术，我们希望像太阳一样能够源源不断地来发电。但是这里边有很多的问题，包括科学性的问题，我们都没有解决，因为核聚变是在一个特别苛刻的前提条件下，要高温，要高压，在地球上你很难能够建出这样一个体系来。只有把科研攻关了之后，它才能够再进行工程化的这种应用的探索，最终服务到我们人类，可能还需要很多年的时间。所以我们说这个核，我们还是要拆开来说，核裂变基本上技术我们现在已经是能够达到了。那么核聚变还在路上，可能未来要进行科研的部分还是非常多的，在技术上需要创新，需要再进一步地研发才能够服务到我们人类。说到这儿我们跟大家一块来看一看，可控核聚变相关的短片，2006年，我国建设了世界上首个真正运行的托卡马克装置，它被俗称为“人造太阳”，它运行时能像太阳核聚变一样释放出巨大能量。近年来，我国自主建造的人造太阳，不断刷新着核聚变实验装置运行的新纪录。核聚变的能量密度更大、更清洁，资源储备也更加丰富，是人类非常理想的能源。然而从实验室到实际应用还有很长的路要走，若有朝一日核聚变能变成现实，它将有效缓解人类能源危机等问题。说到这个核能源，我们各个国家都在不断地努力发展清洁能源，最终会成为支撑人类发展的终极能源吗？
未来聚变应该能行。就是聚变可以，但是技术之路还要很漫长。目前当前可可用的方式，我平常经常跟学生讲，就是叫“四大金刚”。哪四大金刚？风能、太阳能、水能和核能，这四种我们称为清洁能源，要去替代那个传统的大能源，就是煤电或者火电，这“四大金刚”各有特色，每一种能源都（有）它自身的特点。如果在聚变能突破之前，我们可能还需要这四个能源共同发力，才能解决我们碳排放的压力的问题。光靠裂变核能可能还不行。聚变行了的话，聚变它的这个能量密度非常大，就是我们经常说的小太阳。那这个小太阳的话，我不用太多的这种燃料，我就可以发出同样的一个量，比如说我开车，我可能只需要这么一块核聚变的这样一个反应堆，那么里边添加一点燃料，就足够你跑到海南去了，所以一旦核聚变真的可控了，能为我们所用了。可能刚才我们提到的这种传统能源的提炼方式就都不需要了，我们只需要用核聚变就行了，每个人家里一个小太阳。这种就是技术革命，未来技术革命我相信还是会发生的。是的，根本性的技术革命。
随着我们核裂变和聚变技术不断的完善，我们能想象到除了供电以外，（核能）还可能出现在我们的生活的哪些场景当中？两位跟我们畅想一下。最方便的是电，把能转换成电，电非常好用。那么未来其实从储能的角度来说，氢也是一种很好的二次能源，你可以把电拿来生产氢气，那氢气可以比如我们烧饭，你就可以用氢气来烧饭了，氢气烧饭肯定比天然气烧饭要干净。氢气反应完就是水，还可以使用动力，比如像汽车，这种飞船，甚至月球上的汽车。我大胆地想象一下，现在年轻人出门的时候有一个习惯，除了带手机，还要带充电宝。未来是不是我们身上会带一个核反应堆呢？这还是不太现实的。但是如果真的是，你看你说多远的未来，那么如果真的未来是我们说的特别远的这个未来，或者说几十年以后，甚至一百年以后。其实就是我们看到的科幻的电影，像钢铁侠一样，我们在这个地方有一个小太阳，嵌到你的，不管你是衣服还是你的装备上，甚至你的背包里。从技术上是具有可能性的。有可能，但是这个近几十年可能费点劲。但是从我们工程上，实现难度还是很大的。
除此之外，您继续帮我们来畅想，除了在动力使用以外，热的应用也是一个很好的场景。热，因为我们包括工业上也需要用炼钢、炼铁，很多工业企业都是要用热的，那么现在热基本是烧煤，或者是用电热炉，电加热炉。那么热的使用，如果用核能来直接提供工艺的供热，也是一个非常好的方案。那么既然能供工业（艺）的供热，这个是高温的热，那么意味着我们民用的，像北方的采暖也可以用核能来采暖，那就干净多了。东北就不会那么到冬天供热季，空气开始变糟糕了，这种也是一个非常好的应用场景。除了发电、发热这两方面，我认为着眼未来，我本身是做航空航天的，我们可以想象现在咱们的人们的生活半径，其实都是跟着科技来进行改变的，比如说古代的时候只能坐马车，我可能想从咱们国家的北方坐到南方去，我可能要用好几年的时间，但是你发明了汽车甚至发明了飞机，你会发现这个交通便利了，能源上来了，整个我们的生活半径变了，那节奏就加快了。
现在我们在地球上可能基本上已经达到我们的极限了，但是我们对外太空的探知，比如说我们现在能够上月亮，能够上火星，但是还没有能力说我能够上太阳，甚至走出太阳系。那这里边原因在于我们出去了之后就没有资源了，那么我的动力就会受到限制，所以现在的这种飞船，很多都是依靠太阳能，靠太阳能再进行储电之后，再进行相关的运作，它的效率非常非常地低。如果我们现在已经研发了自己的核的这种能量方式，不管是裂变还是聚变，我让它的效能提高到非常大的一个状态的时候，我未来能够探索新的星系，甚至进行更远的深空探测。那么再畅想一下，就变成地球就不再是我们唯一的家园了，有可能我们会开发火星，有可能会开发某某星，成为我们更合适的新的家园。这个整个对于未来的探知，随着能源的提升，人类的历史可能就不再是现在我们想象这个样子了，可能会达到一个新的高度。所以说你要真要走出去，还得靠核能。对。两位的畅想确实让我们进入到了科幻片当中一样。今天非常感谢两位来到我们演播室当中，帮助我们一块儿来认识核能。在这里感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目，如果您想了解更多的节目内容的话，可以下载央视视频，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
