在全球范围内，核电约占发电量的10%。在法国等一些国家，这一数字接近70%。

　　马修洞

　　澳大利亚国立大学数学科学研究所和计算机学院教授

　　b谷歌等大型科技公司也在转向核电，以满足其数据中心的巨大电力需求。

　　所有核能的来源都是原子的结合能。储存在原子中的能量可以通过两种主要方式释放：裂变或聚变。裂变是将大的重原子分裂成更小、更轻的原子。核聚变是将小原子结合成大原子。

　　这两个过程都会释放大量能量。例如，铀235（铀的一种同位素，通常用作大多数发电厂的燃料）的一次核裂变衰变产生的能量是最纯净的煤每次化学反应产生的能量的600多万倍。这意味着它们是产生能量的伟大过程。

　　裂变是今天每一个运行中的核电站背后的过程。当一种叫做中子的微小亚原子粒子撞击铀原子并将其分裂时，就会发生这种情况。这会释放出更多的中子，这些中子继续与其他原子碰撞，引发核链式反应。这反过来又释放出巨大的能量。

　　为了将这种能量转化为电能，安装了一个热交换器，它将水转化为蒸汽，驱动涡轮机发电。

　　裂变反应可以通过抑制中子的供给来控制。这是通过插入吸收中子的“控制棒”来实现的。从历史上看，像切尔诺贝利这样的核事故发生时，控制棒无法接触并熄灭中子供应，或者冷却剂循环失败。

　　所谓的“第三代”设计在早期设计的基础上进行了改进，纳入了被动或固有的安全功能，这些功能不需要主动控制或人为干预，以避免发生故障时发生事故。这些特征可能依赖于压差、重力、自然对流或材料对高温的自然反应。

　　第一批第三代反应堆是日本的柏崎6号和7号先进的沸水反应堆。

　　裂变的一个未解决的挑战是，反应的副产品在很长一段时间内具有放射性，大约数千年。如果再加工，燃料源和废料也可以用来制造核武器。

　　核裂变发电是一项已被证实的技术。它也可以从大型（最大的是日本的7.97千兆瓦的柏崎刈羽核电站）到中小型反应堆，产生约150兆瓦的电力，用于船舶或核潜艇。这些反应堆将为澳大利亚的8艘核潜艇提供动力，这是澳大利亚与英国和美国达成的三边安全伙伴关系的一部分。

　　聚变是为太阳和恒星提供能量的过程。这是与裂变相反的过程。它发生在原子融合在一起的时候。

　　在实验室里最容易启动的反应是氢、氘和氚同位素的聚变。每单位质量的反应产生的能量是U235裂变的4倍。

　　燃料离子氘在地球和宇宙中都非常丰富。氚具有放射性，半衰期为12年，因此在地球上非常罕见。宇宙有138亿年的历史；在自然界中发现的轻核（氢、氦和锂）的同位素只有那些在这些时间尺度上是稳定的。

　　在核聚变发电厂，氚将使用“锂毯”制造。这是一个固体锂壁，聚变中子在其中减速，最终反应形成氚。

　　然而，目前科学家很难在实验室之外制造聚变反应。这是因为它需要非常热的条件才能聚变：最佳条件是1.5亿摄氏度。

　　在这些温度下，燃料离子以等离子体状态存在，电子和（核）离子被解离。这个过程的副产品没有放射性；相反，它是氦，一种惰性气体。

　　证明持续核聚变的领先技术路径被称为“环形磁约束”。这是当等离子体被限制在极端温度下，在一个非常大的甜甜圈形状的磁瓶。

　　与裂变不同，这种技术路径需要持续的外部加热来达到聚变条件和强大的限制场。终止任何一个反应都停止。挑战不是失控的熔毁，而是让反应发生。

　　环形磁约束聚变的一个主要的未解决的挑战，吸引了大多数的研究兴趣，是一个燃烧的自加热等离子体的演示。这是当由反应本身产生的加热功率是主要的。这是公共资助的多国ITER项目（世界上最大的核聚变实验）和麻省理工学院私人资助的SPARC实验的目标。

　　然而，大多数科学界的共识是，至少在2050年之前，核聚变在商业上是不可行的。

　　经常有人问我，核能是否能使地球免受气候变化的影响。我有很多研究气候科学的同事，事实上，我已故的妻子是一位备受瞩目的气候科学家。

　　科学是明确的：阻止气候变化为时已晚。世界需要尽一切努力减少二氧化碳排放，尽量减少灾难性的破坏，几十年前就应该这样做了。

　　对地球来说，核裂变是全球解决方案的一部分，与风能和太阳能等可再生能源的广泛推广和采用一起。

　　在更长的时间尺度上，人们希望核聚变可以取代裂变。燃料供应要大得多，而且无处不在，废物问题在数量和时间尺度上都要小得多，而且这项技术不能被武器化。

　　马修·霍尔通过澳大利亚研究委员会、澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）和西蒙斯基金会获得澳大利亚政府的资助。他也是ITER组织ANSTO的成员，是ITER科学研究员，也是澳大利亚ITER论坛的主席。