知乎日報:比爾蓋茨的第三個理想是什麼?

比爾·蓋茨曾經在幾個場合下表示,他有三個理想。

第一個是每個人有一臺電腦,都用上 windows 系統。這個他基本上實現了。

第二個是消滅艾滋病、結核病和瘧疾,每個人有平等的醫療機會。而這個理想,他和他的團隊正在做,捐錢無數。

那第三個理想是什麼呢?

比爾蓋茨,世界首富,身價 876 億(2015 年),他資助了全球最大的慈善基金會,而該基金會截止 2012 年 9 月 30 日時擁有資金約 362 億美元。

讓窮人都能夠用上清潔經濟的電

是的,這就是比爾蓋茨的第三個理想:讓窮人能夠用上清潔經濟的電!

怎麼實現?

技術!

什麼技術?

核技術!

我們的孩子不會因為家裡用不起電而跑到街上藉助路燈看書,但是,在世界上的某些國家和地區,這樣的情景並不難見到,如上圖。

很多人反對核電,這是不爭的事實。然而,另一個不爭的事實是,越來越多的人正在因為一天的霧霾而影響了一天的心情。

很多人津津樂道於德國放棄核電,卻不知德國每天都在用著來自法國的核電。

更有不少人說,我國鈾資源少,發展核電不是根本之道。

真是這樣嗎?只佔天然鈾中 0.72% 的鈾 235 提供了那麼大的電力,它們比金子還要寶貴,現在,就讓我們一起來看看,如何點石成金——利用其餘那 99% 的鈾。

中子是關鍵

中子離我們其實很近很近,人體中很大一部分質量都是由中子提供的。在核電站中,中子又是必不可少的一環,它們就像一顆顆小子彈,不斷地去擊中鈾 235。

子彈的速度有快有慢,同樣,中子的速度也如此,在反應堆中,鈾 235 釋放的中子叫做快中子,它們的速度大約是 1.4 萬千米 / 秒,接近於光速的 5%。

雖然快中子是鈾 235 裂變放出來的,但鈾 235 其實並不怎麼喜歡自己鼓搗出來的東西,原因是快中子的速度太快了,中子在堆內停留時間太短。

這麻煩了,你要是不喜歡你自產的快中子,怎麼讓你們維持鏈式反應呢親?

鈾 235 不管這些,它還是喜歡慢中子,也叫熱中子,即速度為 2.2 千米 / 秒的中子。

還能怎樣?為了清潔的核電,只能去滿足它了,所以得把中子的速度降下來,怎麼降?

重水!

這又是個什麼東西?

我們都知道氫有三種同位素,分別是氕氘氚,水分子 H2O 中的那個“氫”如果是氕,那麼這樣的水就是你天天喝的白開水,學術上咱們叫它“輕水”。

如果水分子 H2O 中的那兩個“氫”,一個是氕一個是氘,那麼這樣的水就叫“半重水”。

如果兩個都是氘,那這樣的水就叫“重水”。同理,如果兩個都是氚,那就叫超重水。

把重水凍成冰,它會沉入水中,而右邊的普通冰是浮在水上的

重水對快中子有非常好的慢化效果,所以,如果使用重水當核電站的慢化劑和冷卻劑,那是最好不過了,而這樣的反應堆,就叫做“重水堆”。

但是重水很難提煉因此很貴,加上其他原因,所以只能退而求其次,使用咱們平時喝的白開水(當然這是要多次提純的),使用普通水的反應堆叫做“輕水堆”。而咱們前面說的壓水堆,它其實只是輕水堆的一種而已。

鈾 235 不怎麼喜歡快中子,但是對於鈾 238 來說卻是一個寶,它吸收一個快中子後會變成什麼呢?

當然是鈾 239 了!

鈾 239 是不穩定的,經過幾天時間,因自身衰變後,會變成鈽 239,而鈽 239 跟鈾 235 一樣,很容易發生裂變,且放出的能量比鈾 235 還要大那麼一點兒。

鈾 238“吃”進一個快中子後,變成鈾 239,再經過幾次衰變最終變成鈽 239

瞧,原來這裡的關鍵是快中子!

可是鈾 235 不喜歡快中子呀!

怎麼辦?

其實,快中子之所以不能讓鈾 235 維持鏈式反應,這不是因為鈾 235 絕對不吸收快中子,而是吸收的機率比較小而已。

機率比較小,那就增加機率嘛!

對頭,在核燃料中增加鈾 235 的濃度,如此,快中子與它反應的機率,也就是反應截面就增加了。

現在,鏈式反應可以維持了。

快中子也有了。

每一個鈾 235(或者鈽 239)裂變會產生 2 到 3 個快中子,這些中子呢,有的去維持下一步的裂變反應,剩下的中子被鈾 238 吸收,於是,反應堆中,每消耗一個鈾 235(或者鈽 239),就會產生一個以上的鈽 239,瞧,核燃料不是越燒越少,而是越燒越多,它居然還能增殖!

於是,這樣的反應堆就叫做“增殖反應堆”,又因為堆內主要是快中子,所以又叫“快中子增殖反應堆,”簡稱快堆。而前面咱們介紹的壓水堆,它可以歸類到“熱堆”裡面,因為它使用的是熱中子。

快堆的優勢

現在的核電站對鈾資源的利用率不足 1%,而如果快堆技術成熟後,那麼對鈾資源的利用率將達到 70% 左右,又因為利用率提高了,那麼,之前根本不具備開採價值的貧鈾礦,甚至是海洋中的鈾資源也變得值得開採了,如此,世界上可開採的鈾資源將提高千倍。而我國鈾資源少的問題也將迎刃而解。

我國的快堆

我國的“華龍一號”屬於先進的第三代反應堆,而“快堆”技術則屬於各國爭相發展的第四代反應堆。距離天安門直線距離不到 40 千米的房山有一座實驗性質的快堆——中國實驗快堆,2011 年 7 月 21 日成功實現併網發電,發電功率 20 兆瓦。

瞧,這也從另一個角度反駁了一些人的觀點:核電那麼安全,怎麼不建在北京去?

只要各方面條件合適,比如佔地少等等,這不就建了嗎?

圖為中國實驗快堆外景

中國實驗快堆採用金屬鈉作為冷卻劑,它屬於鈉冷快堆;同理,使用氦氣作為冷卻劑的叫做氣冷快堆。

行波堆

比爾蓋茨為了實現其理想,籌資建立了一個能源公司,發展一種叫做“行波堆”的反應堆技術。雖然很多細節上跟目前世界上主流的快中子增殖反應堆有所不同,但其出發點還是實現對核燃料鈾 238 的充分利用。

上圖為行波堆示意圖,黃色的為正在反應的核燃料,綠色的為待增殖的核燃料,執行時,一邊消耗核燃料一邊又生產核燃料,核燃料利用率很高,燃燒和增殖就像一個波一樣,從反應堆的一端慢慢移動到另外一端,所以叫做行波堆。裂變區的移動速度很慢,數十年不用換燃料。

無疑,不管是比爾蓋茨看好的這種難度很大的“行波堆”技術,還是目前世界主流的快堆技術,任何一個在未來獲得成功都是全人類的福音。

雖然快堆技術令人嚮往,但還是有人不這麼看,他們的觀點是:我家住在四季如春的地方,夏天不用開空調,連風扇也不用,冬天不用電取暖,我們並不需要那麼多電。

好吧,我們暫時認為這樣的人間美地是存在的,但是,你總得消費,而你消費的每一樣東西都會有電力的成本在裡面,你買到的任何商品都直接或間接地包含了電價,電力供應不足,電就會漲價,商品的成本也會跟著漲。反之,若電力能極其廉價地生產出來,那麼絕大部分商品的價格也會跟著降。

雖然我們對運營商有這樣那樣的埋怨,但一個事實卻無法否認:十幾年前,誰要是聽說誰家安裝了兩兆的寬頻,都會一臉羨慕的表情,而現在,普通家庭的寬頻可以到 20 兆,50 兆頻寬也在逐年增多,但是價錢,卻還沒有以前的兩兆寬頻貴,這是技術帶來的。

能源消費只有兩種趨勢,要麼越來越貴,要麼越來越便宜。而現在的趨勢是越來越貴,放心,它一點兒也影響不了那些有錢人,但我們普通大眾就不同了。

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