自人类诞生以来，就没有停止过对能源的探索。在过去几十年的高速发展中，我们建立了一个对于化石燃料极度依赖的社会。
根据国际能源署的报告显示，2021年全球因能源燃烧和工业过程而产生的二氧化碳排放量再创新高，达到36.3Gt。即使是在可再生能源大力发展的今天，化石燃料仍然提供了60%以上的电力。但是，化石燃料并不是取之不尽，用之不竭的。根据能源报告估算，石油将在2052年（约30年后）用完，天然气将在2060年（约40年后）用完，煤炭资源将持续到2090年（约70年后）。
因此，受限于有限的化石燃料和降低碳排放的需求，大力发展可再生清洁能源成为未来的发展方向，包括太阳能、风能等等，而这些能源大都来源于太阳。
但有一种例外，它是完全由人类控制的，可以24小时连续供电的替代系统，无碳的清洁能源，他就是核能。
提到它，有人谈之色变，甚至想将其完全封存；有人为它奔走呼号，恨不能一步千里。片面的认知造成了这种矛盾的现实。那么它到底是什么？它又是如何发展的呢？
诞生
距今80年前，第一个完全自主的链式核反应堆在芝加哥大学建成。而核第一次被人们所熟知，是在广岛爆炸的“小男孩”。不到一公斤的铀-235进行裂变，却释放了相当于13000吨的TNT的能量。
而这巨大能量的来源，就是核裂变。
当一个铀-235原子核被一个中子撞击时，分裂成两个更小的原子核，如一个钡原子核、一个氪原子核和两个或三个中子。这些额外的中子将撞击周围其他铀-235原子，这些铀-235原子也将以倍增效应分裂并产生额外的中子，从而在瞬间产生链式反应。
正如爱因斯坦的质能方程所揭示的那样，在上述撞击过程中，存在质量损失，而这一质量被直接转化成了大量的能量。
而核最初的发展大部分都集中在原子弹上，而随着战争的结束，在发展核武器的过程中，人们逐渐意识到这一过程中产生的巨大热量既可以直接利用，也可以用来发电。
发展
随着各国政府对核能的不断重视及研究的深入，第一代核电站应运而生。
1954年，世界上第一台核动力发电机在苏联奥布宁斯克开始运行，其可以产生约5MW的电力。在1956年，第一个商用核电站——卡德霍尔核电站并网运行，其初始容量为每个反应堆50MW（总共200MW）。
由于第一代核电站大多具有双重用途，即核武器和发电，限制了其经济性能。同时，与传统燃煤发电相比，其并不具有经济优势。
直到20世纪60年代末期，随着科技的不断发展，具有更高经济性能及安全性的第二代核电站登场，其包括压水堆（PWR）、沸水堆（BWR）、石墨慢化沸水反应堆（RBFK）等等。
沸水堆是以脱矿水作为冷却剂和中子减速剂，反应堆堆芯的核裂变产生能量，使得冷却水沸腾，产生蒸汽。这蒸汽被直接用于驱动汽轮机，然后在冷凝器中冷却并转换成液态水，返回反应堆，完成循环。
而压水堆是一种结构更复杂但更安全可靠的结构。其拥有两条水回路，主泵将120~160个大气压的一回路冷却水送入堆芯，把核燃料放出的热能带出堆芯，而后进入蒸汽发生器，通过传热管把热量传给二回路水，使其沸腾并产生蒸汽；一回路冷却水温度下降，进入堆芯，完成一回路水循环；二回路产生的高压蒸汽推动汽轮机发电，再经过冷凝器和预热器进入蒸汽发生器，完成二回路水循环。
全球核电装机总量在这段时期快速增长，从1960年的不足1GW，到70年代末已达100GW。而70年代的两次石油危机，更是让一些国家进一步把目光转向核能，如法国和日本。截至2019年，法国71%的电力来自于核电，这是全世界最高的比例。
徘徊
但是核能的发展并不是一帆风顺的，在20世纪60年代初，美国出现了一些反对核能的声音。这些反核关切涉及核事故、核扩散以及核废料等等。70年代初，德国怀尔的核电站建设计划就因大规模的反核抗议而被迫搁浅，这一成功也激起了欧洲其他地区以及北美对核能的反对。在70年代中期，反核运动获得了越来越大的影响力，而公众对核能的强烈敌意也导致了更长的许可证采购过程、法规和对安全设备的更高要求，这使得新核电站的建设成本更高。
而之后发生的几次重大核事故，更是进一步打击了发展中的核电产业，使其陷入长期的不景气之中。
1979年3月28日，位于美国宾州的三哩岛核电站2号反应炉供水泵故障，缺少为燃料棒降温的冷却水，炉心持续增温，造成堆芯熔毁。而这场美国历史上最严重的核电站事故，来源于人为疏失、设计缺失与零组件故障的共同作用。这一事故造成了在几天之内共计14万人搬离，幸运的是，由于压水堆的三重防护机制，放射性物质大都被限制在第二层的压力容器和第三层的安全壳中，并没有对周围的环境及人体造成明显的影响。
然而，这一事件并没有引起全球人们的重视，仅仅在7年后，历史上最严重的核电事故——切尔诺贝利核事故发生。
这次事故源于一次紧急停机的后备供电测试。但是，由于工作人员的操作失误及反应堆本身的设计缺陷，使得输出功率急剧增加，核心温度过高使得部分燃料棒变形，而高热进一步产生蒸汽气泡，促使燃料棒破裂融化，且蒸汽压力迅速增加。而切尔诺贝利核电站所采用的反应堆为RBMK，为了节省费用，其只有单一保护层，这令放射性污染物在反应堆压力容器发生蒸汽爆炸而破裂之后直接进入了大气。而这些放射性物质甚至随风影响了大半个欧洲。直到如今，当地人们仍然努力应对三十多年前核事故的遗害。
这两次严重的核事故沉重打击了发展中的核电产业，民众的“反核运动”与“反核能”声音也日益高涨，这也使得一些国家开始转变核电政策。例如，意大利自此开始逐步淘汰核电站，并在1988年关闭了所有的核电站。美国关于核电站的审查过程变得更加复杂与漫长，对于纠正安全问题和设计缺陷的要求变得更加严格，大量获准建设的核电站中只有少部分完工，而自事故发生开始，直到2012年，都没有新的核电站获准建设。
自此以后，各国开始对现有核电站进行严格的安全检查，核电行业度过了风平浪静的二十年。
直到2011年，日本海岸发生里氏9.0级地震，海啸越过堤岸，进入福岛第一核电站，并进入柴油发电机房。由于备用电源全部失效，过热的燃料融化，下沉到反应堆底部，并破坏了反应堆容器，导致熔毁。这一意外也是自切尔诺贝利灾难以来，第二个被定为7级的核事故。
面对天灾人祸，核电似乎毫无抵抗之力，那我们是否应该将其封存呢？
复苏
上述发生核事故的核电站都是第二代核电站。
事实上，在20世纪90年代，人们开始了第三代核电站的研发。在1996年，第一个第三代核电站在日本建成，这是核能开始复苏的迹象。第三代反应堆技术的改进旨在获得更长的运行寿命、更高的效率以及更低的成本，并且在安全性方面也具有提升。
第三代核电站主要有两种类型：改进型电厂（如EPR）和非能动型电厂(如AP1000)。其中改进型利用增加冗余度来提高安全性，如给每个回路设立单独的安全系统等。即提升安全系统的复杂性和多重性，来提高安全系统的负荷并提高容错率。而非能动型则是利用自然特性，如重力、对流等来实现自然冷却，简化了安全系统，减少了人工因素。
而随着福岛第一核电站核泄漏意外的发生，更多的额外措施被加入来避免这种灾难。比如在核反应堆之中加一个堆芯捕捉器。如果燃料外壳和反应堆容器及相关管道融化时，融化物会落入堆芯捕捉器中，这个捕捉器会保存融化物并冷却它。这反过来保护了外层的密封建筑屏障。
2015年5月7日，“华龙一号”全球首堆工程5号机组正式落地福建福清，使中国成为继美国、法国、俄罗斯之后，又一个具有完全自主知识产权三代核电技术的国家。
华龙一号采用的独特的177堆芯，这不仅可以使核电机组的发电功率提升5%至10%，同时也增强了核电站的安全性。除此以外，华龙一号设计了5层的纵深防御，不仅设置了双层的安全壳（内壳厚度1.3m，外壳厚度1.8m），可以抵御各种极端的自然灾害，包括台风、飞射物，甚至大飞机的撞击；华龙一号还配备了应急柴油发电机组，也设计采用了非能动安全系统，达到甚至超过了全球的最高标准。
与此同时，华龙一号也成为了代表国家核心竞争力的“国之重器”走向世界。卡拉奇，巴基斯坦最大的城市，华龙一号海外首堆就建在市区不到25公里的海边。两个机组全部建成之后，每年发电量将超过180亿度，可以支撑起巴基斯坦近三分之一的电力缺口。
未来
除了核电站的安全问题，核废料的处理依然是当前核电站都面临的重大问题。
2011年福岛第一核电站发生核泄漏之后，由于地下水和雨水不断流入被摧毁的福岛第一核电站建筑物内，这些被核污染的冷却水每天都在增加之中，每天新增150吨，这些被污染的废水被抽出后，经过处理后储存在储水罐中。截至2021年3月，福岛核电站已经装满了近9成的储水罐，所储存的核废水超过120万吨，其预计将于2022年秋天占满。日本政府已经宣布将把经处理和稀释后的核废水排入太平洋。
而目前的第三代核电站，虽然对各种可能发生的意外情况都进行了严防死守，但似乎并不能减少核废料的产生。
因此，第四代核电站开始拿过接力棒，迈向核电的下一阶段。
第四代反应堆大都还停留在实验堆层面，其主要有六种最具潜力的堆型：高温气冷堆（HTGR）、熔盐堆（MSR）、超临界压水堆（SCWR）、气冷快堆（GFR）、钠冷快堆（SFR）以及铅冷快堆（LFR）。其中，后三种反应堆都是快堆。
全球首座球床模块式高温气冷堆在石岛湾核电站建成，这是世界首台具备第四代核能系统安全特性的商用气冷核电机组。
快堆利用钚-239作为燃料，其裂变时产生的中子使得外部的铀-238转变为钚-239，从而使得核燃料越烧越多。其通过使用不受慢化器减速的“快”中子，从燃料中生产出的能量比典型热堆可高出80倍，大大增强了核能的可持续性。它们还可以显著减少最终放射性废物的体积、毒性和寿期。
但是，有另一种方式，它完全不产生这些放射性废料，那就是核聚变。
就像钢铁侠的战衣，就是胸前那小小的反应堆，为其源源不断的供给大量能量。而这就是可控核聚变，但在现实中，这仍然是一个梦想。
与核裂变不同的是，核聚变是由两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量，就像它在太阳上发生的一样。
但是，这并不像想象中的那么简单。
由于原子核里存在带正电的质子，其库仑力的存在，要使得两个原子核发生核聚变，需要满足三个条件：高温、高密度、高约束时间。
高温使得原子核和电子分离，形成等离子体；高压减少了原子核之间的间距，大大提升了其相撞的概率。但是，由于太阳的引力相比地球来说大得多，因此我们在地球上要实现核聚变，需要更高的温度。但是，光有概率还不够，我们还需要让这高温高压持续足够长的时间，从而让更多的原子发生反应，产生更多的能量。
但是地球上没有物质能承受这么高的温度，因此我们需要一种方法让氘和氚悬空运动。磁约束(MCF)就是常用的方法之一，而托克马克装置就是最被看好的磁约束装置之一。
由变压器引起的电场驱动电流（红色大箭头）通过等离子体柱，产生一个极向磁场，将等离子体电流弯曲成一个圆形（绿色垂直圆圈）。另一个围绕圆圈长度的磁场被称为环形磁场（绿色水平圆圈）。这两个场结合形成一个类似螺旋结构（黑色所示）的三维曲线，等离子体在其中受到高度约束。
但是，磁约束看起来是一个可行的方案，但真正实现仍然面临着许多问题。
要把氘和氚加热到1亿度，以及创造和维持强大的磁场都需要巨大的能量投入。如果核聚变不能维持足够长的时间，导致输出的能量还没有投入的能量多，那似乎就得不偿失了。此外，稳定性以及成本等等也应该纳入考虑。
即便困难重重，科学家们仍在不懈努力。2021年5月，中国科学院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。
除了磁约束之后，还有惯性约束（ICF）以及磁惯性约束（MCF）等等。上海科技大学的Y.C. Francis Thio教授就致力于等离子喷射驱动磁惯性聚变（PJMIF）的研究，这个方案兼具了磁约束和惯性约束的优势，但也面临着两者的挑战。
在人类与核的短短80年历史中，它带给我们灾难，也带动我们发展，但是在一代代人的努力下，核能越来越接近我们想象中的样子。
毋庸置疑，好的事情总会到来。而当它来晚时，也不失为一种惊喜。
参考资料及图片、数据来源:
[封面] Shutterstock/vlastas
[1] https://www.iea.org/data-and-statistics
[2] https://www.iaea.org/zh/newscenter/news/cn2021110301
[3] https://www.sohu.com/a/466057602_99951505
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power
[5] https://zh.wikipedia.org/wiki/轻水反应堆
[6] https://www.greenpeace.org/taiwan/update/28534/三哩島、車諾比、福島歷史上三大核電事故，現在/
[7] https://www.youtube.com/watch?v=bmpb1aj1MTo
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Chernobyl_disaster
[9] https://pris.iaea.org/pris/
[10] http://www.xinhuanet.com//world/2016-06/01/c_129033658.htm
[13] https://www.youtube.com/watch?v=V5bN95vjv6M
[14] http://www.caea.gov.cn/n6758881/n6758890/c6813907/content.html
[15] http://www.caea.gov.cn/n6758881/n6759299/c6813226/content.html
[16] https://j.eastday.com/p/161836837677016665
[17] http://finance.people.com.cn/n1/2021/1220/c1004-32312534.html
[20] https://www.iaea.org/zh/newscenter/news/shi-yao-shi-he-ju-bian
[21] https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/yong-tuo-qia-ma-ke-he-fang-xing-qi-shi-xian-ci-ju-bian-yue-shu
[22] http://www.bjnews.com.cn/opinion/2018/11/14/521462.html
