如果有人告訴你，一個直徑為4.66厘米、只比乒乓球稍大的某種金屬球體，可釋放的能量等同于45節火車車皮滿載標準煤燃燒后釋放的能量，你可能很難相信。但確實存在這種金屬，它就是鈾-235。
核裂變過程示意圖
鈾分三種：鈾-238、鈾-235和鈾-234。其中，只有鈾-235的原子核會發生裂變，同時釋放出200兆電子伏特能量。1克鈾-235中包含的鈾原子數量很多。1克鈾-235中所有原子核都裂變時，釋放的能量可達820億焦耳。
而煤是以燃燒的形式提供能量。1千克標準煤燃燒后釋放的熱量折合29310千焦。二者相比較，同等質量時，鈾的能量密度是煤的270多萬倍。這就是一個1千克鈾-235球體和45節火車皮煤炭能量相當的理論依據。
鈾-235受到某種外力時，會發生裂變，而鈾-238和鈾-234則不會。這種外力就是中子。
當一個中子轟擊鈾-235的原子核時，原子核會破碎，分裂成兩個質量較小的原子核，同時釋放出約200兆電子伏特的能量。這個過程稱為鈾核裂變，簡稱裂變；產生的能量被稱為原子能或核裂變能，簡稱核能。更奇妙的是，如果新產生的中子，恰好又轟擊到另一個鈾-235原子核，便會引發另一個新的裂變；以此類推，如果裂變反應不斷地持續下去，核能就會連續不斷地被釋放出來。這就是鈾核裂變鏈式反應。在鏈式反應中，當大量的鈾原子不受控制地發生裂變時，就會產生核爆炸。同樣，當鏈式反應得到控制，溫和而穩定地進行時，鈾-235就可以產生民用核能。
不過，這樣的鏈式反應不會隨便發生，需要很多條件，最基本的是純度和質量。其一，核電站燃料所需鈾-235的純度要在3%至5%之間；其二，所含鈾-235總量要足夠多，即質量要足夠大，起碼在25千克以上，這是鈾核裂變鏈式反應的臨界質量。
1942年12月，科學家利用裂變原理，在美國建成了芝加哥一號反應堆，實現了人類歷史上第一次可控核鏈式反應試驗。此后，蘇聯科學家發明了第一個民用核電站，于1954年6月正式投入運行，凈功率為5000千瓦，開辟了全球和平利用核能之路。
目前，全世界運行的核電機組共計438臺。中國2020年核發電量躍居全球第二位。據世界核能協會的數據，2021年，全球核電機組發電量總量為26530億千瓦時，占全球發電總量的10.3%。
鈾-235在天然鈾中只占0.7%。在用于核電站反應堆使用前，鈾-235必須通過濃縮，將其純度增加到3%至5%之間，再送到燃料制造廠，被轉化為二氧化鈾粉末，然后將其壓縮成小的燃料顆粒，并加熱制成堅硬的陶瓷材料。這些顆粒一般為直徑10毫米、高10毫米的小圓柱體。隨后，這些顆粒被插入到名為燃料棒的細管中，燃料棒再組合成燃料組件。每個組件中有90個以上的燃料棒。一旦裝載，燃料會在其中停留數年。
1000兆瓦電力壓水反應堆每年需要約27噸鈾——約1800萬個燃料顆粒裝在5萬多個燃料棒中。相比之下，同等規模的燃煤發電站需要超過250萬噸的煤炭來產生同樣多的電力。
從含碳角度看，核能是無碳能源，而煤是高碳能源；從技術全生命周期內的碳排放角度看，核電為9至70克/千瓦時，為低碳排放，而煤電為230至800克/千瓦時，是碳排放大戶；從占地面積看，每1000兆瓦電力，核電占地面積為3.4平方千米，太陽能占地面積和風電占地面積分別約是核電占地面積的75倍和360倍。這也是大多數國家在利弊權衡后，對核電投下贊同票的重要原因。我國要實現“雙碳”目標，大力發展核電是一個重要途徑。
（作者單位：中國地質調查局天津地質調查中心）
