1 基本概念
《核能》1 基本概念,页面无弹窗的全文阅读!
什么是能量？什么是功率？
在科学语言中，能量和功率是两个既有区别，又相互联系的概念——功率是能量的变化率。不过在日常语言中，人们通常认为这两个概念是相同的。对于能量的一种理解是：它是做功的能力。例如，把砖块之类的物件从低处搬到高处就要牵涉到做功。为了搬动砖块，泥瓦工人要把体内从食物中获得的化学能转变为身体肌肉运动的能量——动能。然后，肌肉在举升砖块的过程中做功。在此整个过程中，能量既没有产生，也没有被消灭，只是从一种形式转变成另一种形式。所以，对能量的另一种理解是，它是宇宙间的一个基本要素。另一个基本要素是物质——构成我们身体、地球、恒星，以及宇宙中任何物理客体原子的材料。正如我们在本书中将要了解到的，核能是从物质转化来的能量。打个比方，我们可以把物质看成“冻结的能量”，它们在核过程中被融化、被释放为那些人们可以用来做功的能量。
在宇宙中，能量与物质的总量是守恒的，这就是说一次活动，如搬动砖块，在开始时具有的能量与这次活动结束时具有的能量是相同的。但是，不同形式的物质与能量之间的转化是持续不断出现的。在日常语言中，我们常常会说“消耗”能量和“产生”能量。这是不正确的，不过只要我们知道真正发生的是些什么，我们仍然可以继续使用这些通俗的语言。
功率是能量从一种形式转化为另一种形式的改变率，而且是与能量相关联的。所谓的“率”，是表示某一事物随时间变化而变化得快或慢的一个量。因此，功率就是能量除以时间。例如，如果要点亮一只100瓦的灯泡，就需要每秒钟传输100焦耳的能量给这只灯泡。物理学家常用的能量单位是焦耳。正如物理学家理查德·沃尔夫森已经指出的那样，一个中等体力的人努力转动发电机的手柄，能够点亮一只100瓦的灯泡。一个美国人一天一夜的平均用电量约为10000瓦，这包括农业、工业、住宅、政府和交通运输所用的电。因此，一个典型的美国人需要100个“能量奴隶”来转动这些手柄。与此相比，一个典型的欧洲人只需要美国人大约一半的电力。
对于灯泡来说，瓦是一个合适的测量单位，而更为常用的单位千瓦(kilowatt)则是适用于测量家庭电力的单位，兆瓦(megawatt)用于描述发电厂的容量。kilo意为“千”，mega意为“兆”。一座大型核反应堆发出的电力至少是1000兆瓦。这一数量也可用单位吉瓦来表示，这里的吉意为“10亿”。电力账单上是用千瓦时来表示用电量的。千瓦时是一个能量单位，因为它是一个功率单位(千瓦)和一个时间单位(时)的乘积，而功率恰好是能量除以时间。为了让千瓦时形象化一些，请记住1加仑汽油的化学能约等于40千瓦·时。
在本书中，当泛指核能时，“核能”和“核功率”是可以交替使用的。但是请记住能量和功率虽然是有关系的，但却是两个不同的概念。
人类使用的大部分能源来自核能吗？
这个标题看起来虽然有些像奇谈怪论似的，但从技术层面上来讲，却是正确的。虽然本书重点讨论人们通过商业利用裂变和聚变——核能的两个直接来源——来利用核能的潜力，但同时我们应该承认地球上的能量绝大部分来自太阳能，而太阳能来源于核聚变产生的能量。
现今，人类使用的大部分能源是化石燃料：煤、石油和天然气。“化石”一词的意思是，这些是在很久以前形成的能源，它们是由古代生物，如史前动物和植物，腐败变质而形成的。生物主要是由氢、碳和氧元素组成的。氢和碳可以通过化学键联结起来形成碳氢化合物。最简单的碳氢化合物是由1个碳原子与4个氢原子结合而成的。这种化合物叫甲烷，它是天然气的主要组成部分。氢和碳构成的长链组成了石油和煤炭。经过来自地球内部的巨大热量和压力的作用，这些氢和碳发生变化，曾经的生命物质转化成了化石燃料，现今的人们可通过采矿和挖掘得到它们。
然而，化石燃料与核能又有什么关系呢？古代的植物是通过光合作用而生长的，这是一个从空气中吸收二氧化碳并利用太阳光中的能量的过程。太阳利用核能产生光。在太阳内部深处，极高的温度和极大的压力能够使得氢聚合在一起，形成比氢更重的下一个元素氦(如果温度足够高，压力足够大，氦也能经历聚变)。核聚变释放能量。来自核聚变的高能量射线最终在太阳表面发射出可见光，以及其他种类的不可见光。其中一小部分的光登陆地球。
除了化石燃料，它已经捕获了古代的太阳光，人们还可以利用现今的太阳光来发电、驱动车辆和提供热量。例如，太阳能光伏板和聚集太阳光产生蒸汽是利用太阳能发电的两个主要途径。通过光合作用，诸如玉米和甘蔗之类的植物得以生长，经过发酵，可把它们制成生物燃料来为小汽车和大卡车提供能量。太阳能热水器可提供热水给家庭和企业使用。
风能也来源于太阳的核能。当太阳光加热地球表面时，特别是在热带地区，较暖区域的空气密度要比周围较冷区域的空气密度小。空气密度的差别形成了空气的高压区和低压区。风是空气从高压区向低压区流动形成的，因此把较暖区域多余的热量输送到了较冷区域。通过使用涡轮机，人们能够利用风力来发电。
太阳能和风能被认为是可再生能源，只要有太阳光，就可以利用这些能源。预计太阳还能够照耀地球50亿年。人们只利用了一小部分可用的太阳能和风能。可再生能源还有难以采集的地热能，那是来自地球内部的热能。地热能来源于铀和钍等重元素的放射性衰变。放射性衰变产生的能量也是一种核能。
人们可能怀疑是否有不是来源于核能的能源。回答是肯定的。例如，水力是由水流产生的。重力是引起水流动的力。同样，还有那些来源于引力的潮汐力，也可用来发电。