盖茨畅谈核能未来：裂变与聚变将改变世界

我有幸能够亲身了解世界上一些最前沿的技术。在人工智能成为日常工具之前很久，我就见过人工智能在AP生物考试中取得优异成绩。我见过能够阻止疟疾传播的转基因蚊子。我还见过深入地表以下15,000英尺的地热井。

但如果要我选择工作中最酷的事情，很难有比利用原子能为世界提供动力更令人兴奋的了。

理解核能基础。在深入了解盖茨讨论的具体技术之前，先全面了解核能基础知识。

裂变能和聚变能都是通过改变原子核来释放大量能量。裂变已经在世界各地提供安全、可靠、清洁的电力，我相信聚变也很快会实现这一目标。两者都将在满足人类日益增长的能源需求同时消除碳排放方面发挥关键作用。

这两种技术经常被混为一谈，考虑到它们在表面上看起来多么相似，这是可以理解的。但现实是，在许多方面，裂变和聚变是对立的。了解每种技术的工作原理以及它们为何不同，对于理解它们在未来几十年中将发挥的作用至关重要。

[图片：比尔·盖茨是微软联合创始人，比尔及梅琳达·盖茨基金会主席，负责制定全球战略以提高美国和世界各地的公平性。自2008年从微软退居二线以来，他一直专注于慈善事业和创新，推动健康、气候变化、清洁能源、阿尔茨海默病研究、教育和技术方面的工作。通过盖茨风险投资公司和突破能源公司，他支持下一代企业家和技术来解决世界上一些最紧迫的挑战，包括能源的未来。]

裂变如何工作

当人们谈论“核能”时，几乎总是在谈论裂变。自1954年（我出生前一年！）以来，裂变一直在为世界各地的家庭供电。尽管这些年来技术已经发展了很多——并且还在不断改进，正如我将解释的那样——但基本物理原理保持不变。

每个原子的原子核都由称为质子和中子的亚原子粒子组成。一些原子，如铀-235，具有异常大而重的原子核，使其不稳定。如果你向铀-235原子发射一个中子，其原子核会分裂成更小的原子——以热的形式释放能量。（释放的能量是巨大的：原子质量的变化乘以光速的平方。你可能知道这是E=mc²。）

当原子核分裂时，它也会释放出中子。这些中子以惊人的速度反弹，直到一些最终与其他原子核碰撞。这引发了一个链式反应，因为每次碰撞都会释放更多的热量和更多的中子。

这种链式反应产生的热量被用来将水转化为蒸汽。然后蒸汽被用来转动涡轮机，将运动转化为电力。这种电力通过电网输送到家庭和企业——所有这些都不会向大气中释放任何有害排放物。

这些步骤构成了所有裂变发电的基础，但除了核心反应之外，建造核电站还有很多不同的方法。大多数使用加压水来保持堆芯处于稳定温度。其他使用二氧化碳气体或称为重水的物质。我在2008年创办的核能公司TerraPower使用液态钠。

TerraPower的Natrium反应堆技术内部。了解TerraPower创新的钠冷反应堆设计如何解决盖茨描述的安全和效率挑战。

二十年前，当我问我的一些聪明的物理学家朋友是否有更好的建造核电站的方法时，我第一次对裂变产生了兴趣。核能有很多优势，但也面临一些挑战：电站建造成本高昂，人为错误可能导致事故。我们需要解决这些问题的下一代核技术，这就是TerraPower的用武之地。

该公司的Natrium反应堆比任何现有电站都安全得多，其温度由物理定律控制，而不是可能犯错的人类操作员。它具有更短的建设时间线，运行成本更低，并且可以由前化石燃料电站工人以最少的再培训来操作。而且，当电站在2030年投入运行时，它将可靠地提供全天候的稳定电力。

裂变能是一项我们正在努力改进的成熟技术。相比之下，从聚变发电是全新的东西。

聚变如何工作

裂变是关于分裂原子，而聚变是关于结合原子。聚变是为太阳和恒星提供动力的反应，但在地球上重现这些强烈条件是一个长达数十年的挑战。现在它已经触手可及，原因我将解释，但首先，你需要了解聚变是如何工作的。

你从简单的气体如氢气开始。如果你在它处于称为等离子体的带电状态时使其变得异常热，粒子开始移动得如此之快，以至于它们相互碰撞并融合在一起。

当氢原子融合时，它们变成氦。在这个过程中，它们释放大量热量。这种反应是为太阳提供动力的反应，它可以用来将水转化为蒸汽，推动涡轮机并发电。

挑战在于使氢粒子足够热以发生聚变。因为太阳如此之大，其核心的重力压力创造了大约1500万摄氏度的令人难以置信的温度。在地球上，达到合适温度的一种方法是通过将等离子体包含在磁场中——尽管这很难做到而不消耗比你产生的更多的能量。科学家们正在试验不同类型的装置，包括环形托卡马克和扭曲螺旋仿星器。

一旦聚变反应启动并运行，它就完全安全。没有链式反应会失控，因为一旦你停止供应燃料或关闭包含等离子体的装置，聚变就会停止。（有趣的事实：聚变机器被归类为与MRI机器相同的技术类别。）此外，燃料便宜且丰富。使用的两种类型的氢是从海水中提取并在聚变机器内部产生的。

研究人员自1950年代以来一直在追逐商业聚变发电的梦想。尽管他们在这个过程中学到了很多关于科学的知识，但聚变发电仍然难以捉摸——直到2022年。那时加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家实现了所谓的“点火”：聚变过程产生的热量有助于维持反应的时刻，这是朝着商业聚变能源释放比输入更多能量的要求迈出的关键一步。