解读中科院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能”（图）-北极星核电网

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对于能源领域的科研人员来说，最大的梦想莫过于为人类找到一种可持续发展的能源。所谓可持续能源，是指即能满足当代人需求，又不损害后代，并且能够实现可持续供应的能源。针对这个目标，科研人员从多个领域进行了探索，如太阳能、风能、氢能等。在这些领域里，也包括了对可持续核能的探索。

核能要想成为一种可持续发展的能源，必须解决两大问题，分别是核燃料供应和核废料处理。核燃料供应属于前端问题，只有核燃料供应得到了保障，才有所谓的可持续发展。核废料处理属于后端问题，只有将核废料进行妥善处理，才能满足不损害后代的基本要求。针对这两个问题，核能领域的科研人员开展了大量的研究工作，如美国能源部发起的第四代反应堆研究计划、比尔˙盖茨投资开发的行波堆等。作为目前世界上核能发展规模最大的国家，中国同样也在积极探索可持续核能。

2011年1月，中国科学院在“创新2020”新闻发布会上，正式宣布启动战略性先导科技专项“未来先进核裂变能”。该专项针对核燃料供应和核废料处理这两大问题，分别设立了“钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”和“ADS嬗变系统”两大研究项目。现在，让我们一起来了解一下中科院的这两个研究项目是如何实现核能的可持续发展的。

裂变反应的基本原理

我们知道，原子核是由中子和质子组成的，其中质子带正电荷，中子不带电。一个处于稳定状态的原子核，里面有两种力在起作用，分别是库伦力和核力。库伦力是指带正电荷的质子之间相互排斥的力(同性相斥);而核力是一种只有在原子核尺度内才有的力，这种力把原子核内部的质子和中子聚集起来，形成一个近似球形的稳定原子核。

当有外来的力打破原子核内部力的平衡时，原子核便可能分裂开来，这便是所谓的裂变反应。不同原子核发生裂变反应的容易程度是不一样的。大概可以这么认为，原子核内质子数目越多，库仑力越大，越容易发生裂变反应(专业表述为：裂变势垒越大，越容易裂变)。于是，人们就很自然地把目光落在自然界中质子数最大的元素——铀(质子数92)。同一种元素，由于原子核内部的中子数不一样，形成了不同的同位素，如92个质子加143个中子形成铀-235，92个质子加146个中子形成铀-238。

同一种元素的不同同位素，发生裂变反应的容易程度也有所区别。人们通过实验发现，在同一种元素的不同同位素里，原子质量为偶数的原子核比原子质量为奇数的原子核更容易发生裂变反应(专业表述为：偶数A的原子核的与外来中子的结合能比奇数A的原子核的结合能大，能够提供更多的激发能)。所以，铀-235吸收一个中子后变为铀-236，原子数目变为偶数，容易发生裂变;而铀-238吸收一个中子后变为铀-239，原子数目变为奇数，不容易发生裂变。

图2 裂变反应示意图

一个原子核能否发生裂变，除了与本身的特性有关，还与轰击它的外来中子的能量有关。中子的能量，能量大的中子称为快中子，能量小的中子称为热中子。越难发生裂变反应的原子核，就需要能量的越高的中子来轰击它，才有可能发生裂变反应。所以，同样是铀的同位素，铀-235属于比较容易发生裂变的核素，用热中子来轰击它就可以，而铀-238属于比较难发生裂变的核素，需要用快中子才有可能让它发生裂变。

图2 裂变反应示意图

当一个原子核发生了裂变反应，它可以释放巨大的能量。这种能量的来源，是裂变反应前后的质量亏损。根据爱因斯坦质能方程(E=mC2)，物体的质量和能量之间的关系是产生的能量等于消失的质量剩于光速的平方。我们知道光速是一个非常大的数值，而光速的平方更是一个天文数字。所以，只要有一点点质量的消失，就可以产生巨大的能量。一千克铀-235发生裂变反应所产生的能量相当于270万千克标准煤产生的能量，两者相差270万倍。

图3 一千克铀-235发生裂变所具有的能量

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