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失控的核裂变或热核反应具有巨大的破坏作用，然而可控的核反应能够非常有效地解决人类面临的能源问题，即用人为的方法控制核反应的强度和规模，使原子核温和持久地释放能量，为人类提供所需能源。
从原子核中取得能量产生电力，是人类和平利用核能的成功探索。虽然早在1942年费米已在第一个核反应堆中成功地获得可控制的核能，但利用核能发电还需解决一系列复杂的问题，需发明许多新技术，使核能利用安全、可靠、经济。
到目前为止，人类发明了多种用于发电的核能转换装置，它们的基本原理与费米当年的反应堆一样，都使用铀235通过链式反应产生热量，用可减慢中子速度的物质产生维持链式反应所必需的慢中子，用可吸收中子的镉棒控制反应强度，但运行方式各不相同。而今，成功的核电模式有三种。
第一种，用天然铀作为“燃料”，采用在密封管道中循环的重水作为冷却剂，把反应堆产生的热量传递到热交换器中，加热在另一套管道中循环流动的普通水，使其产生蒸汽推动汽轮机发电。重水是氢的同位素氘与氧的化合物，其物理与化学性质同普通水相近，然而它能显著地减缓铀235裂变释放的中子运动速度，提高链式反应效率。反应堆运行时，封闭循环的重水压力达90个大气压，温度达300℃。这种反应堆简称“重水堆”。
第二种，采用低浓度铀235作为“燃料”，其中铀235含量大约3%，采用普通水作为冷却剂（因为重水成本很高）。它又分两种工作方式：一种采用石墨作中子减速剂，作为冷却剂的普通水被核燃料加热之后，成为热水和蒸汽的混合物，通过分离器将热蒸汽导入汽轮机直接发电，留下的热水则继续循环，从堆芯中取得能量再次产生蒸汽，这种装置简称“沸水堆”。沸水堆运行时，作为冷却剂的普通水压力低于70个大气压，温度约285℃。这种方式的优点是设备比较简单，然而进入汽轮机的蒸汽带有放射性，会污染发电系统。1986年4月，苏联切尔诺贝利核电站发生事故的就是这种“沸水堆”。另一种工作方式采用封闭的循环系统，使作为冷却剂的普通水与汽轮机发电系统隔离，水中加入硼的化合物，利用它减缓中子速度。运行时，冷却剂管道中压力高达120～160个大气压，温度高于300℃，在这样高的温度和压力下，水不能变成蒸汽，通过管道加热另一套循环系统中的水，使其成为蒸汽推动汽轮机发电。这种装置可以提高热量转换高效率，减少放射性物质对发电系统污染，它简称为“压水堆”。目前世界上许多核电站都采用这种设计。
第三种，仍然是采用低浓度铀235作为燃料，但是不再采用水作为冷却剂。由于水自身的物理特性，其工作温度和传送热量的效率都受到一定的限制，故人们改用气体作为冷却剂。在这种反应堆中，采用石墨作中子减速剂，以二氧化碳或氦气作为冷却剂。目前人们更倾向于采用氦，因为氦传热特性非常好、热转换效率高，而且由于氦是惰性气体，原子核结构非常稳定，在反应堆里不会产生放射性物质污染热交换系统。在封闭系统中循环的氦从堆芯中获得热量，自身工作温度高达750℃以上，通过热交换器加热普通水，产生蒸汽推动汽轮机发电，简称“高温气冷堆”。
建立在核反应堆基础之上的一系列后续发明，迅速地使核电实用化。1945年，美国建造了第一艘核动力潜艇，利用核能发电驱动电动机推动潜艇航行。这种发电方式不消耗潜艇中的氧，燃料本身自重很轻，可以长时间在水下潜行。1954年，苏联建成第一座核电站，功率为5000千瓦，能够为一个6000人的小镇供电。2004年，全球用于发电的核反应堆已达441座，总发电量超过2.6万亿千瓦时，已占全球总发电量的16%。其中，法国核电已经超过全国总发电量的78%，美国超过20%。
2005年，全世界核电提供的能量，已经相当于燃烧10亿吨煤产生的电力。
人们选择核电，既有经济原因也出于对环境的考虑。1千克铀235裂变释放的能量，相当于燃烧2400吨标准煤产生的热量。一座百万千瓦级的火力发电厂，每年消耗300万吨煤，产生60万吨灰渣，排放10万吨二氧化硫、3万吨氮氧化物、3500吨烟尘与1000万吨二氧化碳，会造成大面积酸雨，破坏生态；烟尘中则含有各种各样对人体有害的物质（例如重金属和砷）。运送这些煤每天都需要100节火车皮，运灰渣每天要用30个车皮；而发出同样电力的核电厂，每年需要铀燃料大约30～40吨，只要一节车皮就够用，它每年产生11.6吨核废料，深埋之后对环境不会产生危害。核电站在运行过程中，不产生污染环境的物质，不向大气中排放温室气体，只要人们精心设计安全保障体系、妥善处理核废料，核电即是一种比较理想的能源。人们做过一个调查，燃煤的火力发电厂排出的各种废物对人体健康的伤害，比同等规模核电厂产生的各种物质对人体的损害大830倍。
有人估计，按照目前人类消耗石油和煤的速度，石油大约还可用60年，煤大约可用200～300年，寻找新的替代能源已经迫在眉睫。
不久前，人们发明一种新的核反应堆，有望解决未来相当长一段时期内人类面临的能源问题。这种核反应堆同时采用铀235和钚239作为“燃料”，在核燃料外面放置不能发生裂变反应的铀238。铀235与钚239在快中子作用下发生裂变释放能量，同时使铀238在快中子照射下变成钚239。在这种反应堆里，能量的释放和积聚异常迅速，水或气体都难以把核反应产生的热量带出去；人们采用液态金属钠或钾作为冷却剂，在密闭的循环系统中，金属钠或钾被“堆芯”加热后，与外部的水交换热量产生高温蒸汽发电。由于液态钠或钾的传热能力比水大几十倍，可使反应堆输出巨大能量，同时保障运行安全。由于使用快中子激发铀和钚发生裂变反应，人们称之为“快中子堆”，简称“快堆”，还由于这种反应堆运行的时候，能够使从前无法使用的铀238源源不断地变成新的裂变材料，因而又称为“增殖堆”。
“增殖堆”可把天然铀中60%～70%的铀238变成核燃料钚239，而1克钚239裂变产生的热量相当于3吨煤。目前已探明的世界铀矿储量大约为460万吨，如果经过“增殖堆”处理，那么可以换算成13.8万亿吨煤，相当于目前世界已探明的煤储量约6000亿吨的20倍，可供人类使用数千年。
人们更希望实现可以控制的核聚变，因为地球上核聚变原料氘和氚极为丰富。1升海水含氘0.03克，经聚变产生的能量相当于300升汽油燃烧发出的热量。地球上的总水量大约为140万亿亿立方米，其中海水占99.3%，有氘大约40万亿吨。另一种聚变原料氚，因其具有放射性且迅速发生衰变，早在宇宙诞生时已变成其他物质，但是人们可以利用元素锂的同位素锂6（原子核中有3个质子和3个中子），在中子照射下发生核反应变成氦和氚。地球上锂的储量虽然没有氘多，但估计仍有大约2000亿吨，这些核聚变原料足够人类使用上百亿年。
然而，实现可以控制的热核反应远比用原子弹引爆氢弹困难。其困难主要在于两点：一是必须有足够高的温度，使氘原子核和氚原子核获得的速度足以克服原子核之间巨大的静电排斥力，相互间充分接近，由此发生核聚变。据初步估算，其所需温度高达5000万℃，目前尚无任何一种物质制成的容器可以承受如此高温。二是必须使发生聚变的氘原子核和氚原子核密集地出现在反应的空间，并且长时间保持这种状态，不致四处逃逸。在发生核聚变的太阳内部，这两个条件都不成问题，太阳的质量比地球大33万倍，其巨大的引力可使参与聚变反应的原子核紧紧地团聚在一起，在巨大的空间范围同时发生核聚变，因而太阳很容易产生稳定的高温，使这种反应持续进行。若在地球上做太阳里发生的事，对人类的能力是巨大的挑战。
20世纪后半期以来，随着激光技术的进展，人们已经可以利用超强激光束，在很小的空间范围，瞬间达到氘和氚发生聚变所需高温。在高温下，氘和氚迅速变成电子与原子核分离的一堆正负电荷混杂的粒子，人们称之为等离子体。而随着材料科学的进步，人们能够利用电阻几乎为零的超导体材料做成线圈，通过巨大的电流产生超强的磁场，使氘原子核和氚原子核以及游离的电子无法外逃，等离子体紧紧地约束在与容器内壁隔离的狭小空间，为核聚变创造必要的条件。沿着这个方向，人们有望逐渐接近实现可控核聚变的目标。
当能源危机一步一步逼近人类之时，核能使人们看到走出困境的希望。科学智慧有可能帮助人类获得这种永不枯竭的能源。然而，人类亦需要更高的智慧涤荡笼罩世界的核战争阴云，使人类的未来宁静与和平。（未完待续）
从原子核中取得能量产生电力，是人类和平利用核能的成功探索。虽然早在1942年费米已在第一个核反应堆中成功地获得可控制的核能，但利用核能发电还需解决一系列复杂的问题，需发明许多新技术，使核能利用安全、可靠、经济。
到目前为止，人类发明了多种用于发电的核能转换装置，它们的基本原理与费米当年的反应堆一样，都使用铀235通过链式反应产生热量，用可减慢中子速度的物质产生维持链式反应所必需的慢中子，用可吸收中子的镉棒控制反应强度，但运行方式各不相同。而今，成功的核电模式有三种。
第一种，用天然铀作为“燃料”，采用在密封管道中循环的重水作为冷却剂，把反应堆产生的热量传递到热交换器中，加热在另一套管道中循环流动的普通水，使其产生蒸汽推动汽轮机发电。重水是氢的同位素氘与氧的化合物，其物理与化学性质同普通水相近，然而它能显著地减缓铀235裂变释放的中子运动速度，提高链式反应效率。反应堆运行时，封闭循环的重水压力达90个大气压，温度达300℃。这种反应堆简称“重水堆”。
第二种，采用低浓度铀235作为“燃料”，其中铀235含量大约3%，采用普通水作为冷却剂（因为重水成本很高）。它又分两种工作方式：一种采用石墨作中子减速剂，作为冷却剂的普通水被核燃料加热之后，成为热水和蒸汽的混合物，通过分离器将热蒸汽导入汽轮机直接发电，留下的热水则继续循环，从堆芯中取得能量再次产生蒸汽，这种装置简称“沸水堆”。沸水堆运行时，作为冷却剂的普通水压力低于70个大气压，温度约285℃。这种方式的优点是设备比较简单，然而进入汽轮机的蒸汽带有放射性，会污染发电系统。1986年4月，苏联切尔诺贝利核电站发生事故的就是这种“沸水堆”。另一种工作方式采用封闭的循环系统，使作为冷却剂的普通水与汽轮机发电系统隔离，水中加入硼的化合物，利用它减缓中子速度。运行时，冷却剂管道中压力高达120～160个大气压，温度高于300℃，在这样高的温度和压力下，水不能变成蒸汽，通过管道加热另一套循环系统中的水，使其成为蒸汽推动汽轮机发电。这种装置可以提高热量转换高效率，减少放射性物质对发电系统污染，它简称为“压水堆”。目前世界上许多核电站都采用这种设计。
第三种，仍然是采用低浓度铀235作为燃料，但是不再采用水作为冷却剂。由于水自身的物理特性，其工作温度和传送热量的效率都受到一定的限制，故人们改用气体作为冷却剂。在这种反应堆中，采用石墨作中子减速剂，以二氧化碳或氦气作为冷却剂。目前人们更倾向于采用氦，因为氦传热特性非常好、热转换效率高，而且由于氦是惰性气体，原子核结构非常稳定，在反应堆里不会产生放射性物质污染热交换系统。在封闭系统中循环的氦从堆芯中获得热量，自身工作温度高达750℃以上，通过热交换器加热普通水，产生蒸汽推动汽轮机发电，简称“高温气冷堆”。
建立在核反应堆基础之上的一系列后续发明，迅速地使核电实用化。1945年，美国建造了第一艘核动力潜艇，利用核能发电驱动电动机推动潜艇航行。这种发电方式不消耗潜艇中的氧，燃料本身自重很轻，可以长时间在水下潜行。1954年，苏联建成第一座核电站，功率为5000千瓦，能够为一个6000人的小镇供电。2004年，全球用于发电的核反应堆已达441座，总发电量超过2.6万亿千瓦时，已占全球总发电量的16%。其中，法国核电已经超过全国总发电量的78%，美国超过20%。
2005年，全世界核电提供的能量，已经相当于燃烧10亿吨煤产生的电力。
人们选择核电，既有经济原因也出于对环境的考虑。1千克铀235裂变释放的能量，相当于燃烧2400吨标准煤产生的热量。一座百万千瓦级的火力发电厂，每年消耗300万吨煤，产生60万吨灰渣，排放10万吨二氧化硫、3万吨氮氧化物、3500吨烟尘与1000万吨二氧化碳，会造成大面积酸雨，破坏生态；烟尘中则含有各种各样对人体有害的物质（例如重金属和砷）。运送这些煤每天都需要100节火车皮，运灰渣每天要用30个车皮；而发出同样电力的核电厂，每年需要铀燃料大约30～40吨，只要一节车皮就够用，它每年产生11.6吨核废料，深埋之后对环境不会产生危害。核电站在运行过程中，不产生污染环境的物质，不向大气中排放温室气体，只要人们精心设计安全保障体系、妥善处理核废料，核电即是一种比较理想的能源。人们做过一个调查，燃煤的火力发电厂排出的各种废物对人体健康的伤害，比同等规模核电厂产生的各种物质对人体的损害大830倍。
有人估计，按照目前人类消耗石油和煤的速度，石油大约还可用60年，煤大约可用200～300年，寻找新的替代能源已经迫在眉睫。
不久前，人们发明一种新的核反应堆，有望解决未来相当长一段时期内人类面临的能源问题。这种核反应堆同时采用铀235和钚239作为“燃料”，在核燃料外面放置不能发生裂变反应的铀238。铀235与钚239在快中子作用下发生裂变释放能量，同时使铀238在快中子照射下变成钚239。在这种反应堆里，能量的释放和积聚异常迅速，水或气体都难以把核反应产生的热量带出去；人们采用液态金属钠或钾作为冷却剂，在密闭的循环系统中，金属钠或钾被“堆芯”加热后，与外部的水交换热量产生高温蒸汽发电。由于液态钠或钾的传热能力比水大几十倍，可使反应堆输出巨大能量，同时保障运行安全。由于使用快中子激发铀和钚发生裂变反应，人们称之为“快中子堆”，简称“快堆”，还由于这种反应堆运行的时候，能够使从前无法使用的铀238源源不断地变成新的裂变材料，因而又称为“增殖堆”。
“增殖堆”可把天然铀中60%～70%的铀238变成核燃料钚239，而1克钚239裂变产生的热量相当于3吨煤。目前已探明的世界铀矿储量大约为460万吨，如果经过“增殖堆”处理，那么可以换算成13.8万亿吨煤，相当于目前世界已探明的煤储量约6000亿吨的20倍，可供人类使用数千年。
人们更希望实现可以控制的核聚变，因为地球上核聚变原料氘和氚极为丰富。1升海水含氘0.03克，经聚变产生的能量相当于300升汽油燃烧发出的热量。地球上的总水量大约为140万亿亿立方米，其中海水占99.3%，有氘大约40万亿吨。另一种聚变原料氚，因其具有放射性且迅速发生衰变，早在宇宙诞生时已变成其他物质，但是人们可以利用元素锂的同位素锂6（原子核中有3个质子和3个中子），在中子照射下发生核反应变成氦和氚。地球上锂的储量虽然没有氘多，但估计仍有大约2000亿吨，这些核聚变原料足够人类使用上百亿年。
然而，实现可以控制的热核反应远比用原子弹引爆氢弹困难。其困难主要在于两点：一是必须有足够高的温度，使氘原子核和氚原子核获得的速度足以克服原子核之间巨大的静电排斥力，相互间充分接近，由此发生核聚变。据初步估算，其所需温度高达5000万℃，目前尚无任何一种物质制成的容器可以承受如此高温。二是必须使发生聚变的氘原子核和氚原子核密集地出现在反应的空间，并且长时间保持这种状态，不致四处逃逸。在发生核聚变的太阳内部，这两个条件都不成问题，太阳的质量比地球大33万倍，其巨大的引力可使参与聚变反应的原子核紧紧地团聚在一起，在巨大的空间范围同时发生核聚变，因而太阳很容易产生稳定的高温，使这种反应持续进行。若在地球上做太阳里发生的事，对人类的能力是巨大的挑战。
20世纪后半期以来，随着激光技术的进展，人们已经可以利用超强激光束，在很小的空间范围，瞬间达到氘和氚发生聚变所需高温。在高温下，氘和氚迅速变成电子与原子核分离的一堆正负电荷混杂的粒子，人们称之为等离子体。而随着材料科学的进步，人们能够利用电阻几乎为零的超导体材料做成线圈，通过巨大的电流产生超强的磁场，使氘原子核和氚原子核以及游离的电子无法外逃，等离子体紧紧地约束在与容器内壁隔离的狭小空间，为核聚变创造必要的条件。沿着这个方向，人们有望逐渐接近实现可控核聚变的目标。
当能源危机一步一步逼近人类之时，核能使人们看到走出困境的希望。科学智慧有可能帮助人类获得这种永不枯竭的能源。然而，人类亦需要更高的智慧涤荡笼罩世界的核战争阴云，使人类的未来宁静与和平。（未完待续）