為什麼人類對核能的利用還只能停留在用它煮開水的能量轉換級別上？下一階段對核能的利用將會是什麼方式？

01-08

剛開始玩知乎，第一次提問，還在摸清狀況的階段，感謝各位熱心回答，我根據各位熱心回答來重新歸納一下我的困惑，再次請教各位。
1.我了解核能的威力，就像大家舉例的核彈，我主要的問題在，核能產生的巨大能量，是因為哪些問題，而不能更加直接的利用？
2.我以前看過一個節目說，一根樹枝，燃燒產生的能量很小，但是如果把這根樹枝的核能能夠變成可以利用的能源的話，可以供全人類用很久。那這中間，要達到什麼樣的技術，才能實現這種可能？

3.能實現在星際間航行的宇宙核動力飛船，怎麼樣才可能被建造出來？
謝謝！

零碎地講一點吧。

1. 核彈里的核反應是不可控的。就是鏈式反應開始後核彈會劇烈爆炸。現在的重核裂變，也就是原子彈原理的核反應，是可以做到可控的，然後主要就是通過熱能進行利用。

你所說的「煮開水」的能量，或者說熱能/內能，本質是（我自己亂下定義）「將構成物質的分子的宏觀動能去除後系統內部的分子動能」。涉及到熱能的都有一個問題，就是能量可以轉入但不容易轉出。這很好理解。無論機械能化學能電能光能以及各類勢能，都是「有序」的能量（勢能可以認為是演勢場梯度有序的），轉化為分子內部隨機方向運動很容易。但熱能這種分子自由運動的能量，由於其自由性，你很難讓其自發轉化為有序的能量。這就是熱力學定律中關於自發不自發、卡諾定律克勞修斯不等式之類的由來。

而熱能只能煮開水嗎？只能通過工質循環轉化為其他high grade energy嗎？

不是的。

感興趣的可以搜thermophotovoltaic, thermo-ionizer, thermoelectricity等關鍵詞。我不詳細說了。

回到核能。核能發電下一步進步是怎麼樣的？現在還很難定論。但比較可能的是可控的輕核聚變，也就是氫彈的原理。

為什麼核能會成為熱能？因為核裂變後能量轉變為動能，碎片會沿相反方向運動。而後碎片會與自由運動的原子碰撞，逐漸的這些因為核裂變獲得「不均勻」的高動能的原子的動能就會在碰撞後逐漸回到「均勻速度分布」狀態，伴隨的是溫度的提升。

那麼核能能轉化為其他能量嗎？理論上當然是可以的。比如利用這些高速原子形成新的分子之類的，核能就會形成化學能。另外比如裂變還伴隨光能，可以用半導體轉化為電能。

但這些現在基本只是說理論上可行。實際上就單什麼手段或材料能在核反應的極端情況下正常工作實現這些能量轉化方式就是一個大問題。

2. 涉及的就是質能方程E=mc^2. 而達到什麼樣的技術。。。首先燃燒正如我上面一點提到，是將分子中鍵能，或者說原子間靜電勢能轉化為系統內部分子平動能。所以原子還是在的。而你要實現將樹枝變成那麼多能量。。。那比核反應還要更下一層，你得把質子中子變沒了。所以先別想太多了。

3. 這個問題比前兩個都要奇怪。你想要求的只是滿足「星際間航行」還是要求飛船無限續航？而且個人認為要讓飛船可以「星際」（是指星系間？）航行，最重要的是先得有近光速飛船吧。

微型核電池的話，原理如下。

大多數核電池通過固態半導體截獲帶電粒子，因為粒子的能量非常高，所以半導體隨著時間的推移將受到損傷，為了能讓電池長期使用，核電池被製造的非常大。正因為不易將核電池變小，所以它就很難在小型或微型電子設備上派上用場。對此，科學家想出了為核電池「瘦身」的妙計，他們把核電池內易受損的固態半導體換成了不易受損的液體半導體，這樣不但能完成收集帶電粒子的使命，還可以大幅度「瘦身」，可謂一舉兩得。按照新思路研發出的圓形核電池直徑為1.95cm，厚1.55mm，僅僅比1美分硬幣大一點，但其電力卻是普通化學電池的100萬倍。

核能本質上是原子核內部質子和中子強相互作用累積的勢能，以目前的反應堆為例，核能的釋放在微觀上是原子核裂變，一個鈾235原子核裂變以後，大部分了能量集中在裂成兩半的原子核（裂變產物）上（少部分為伽瑪輻射和中子中微子的動能，在反應堆中除中微子外大部分轉化為熱能，少部分轉化為新核反應產物的核能），而裂變產物原子核的動能在宏觀上的表現，無疑就是內能增加，溫度升高。然後我們可以通過熱機、熱電溫差轉換、熱離子發射等手段將其轉換為機械能和電能（人類目前最常見使用方式）——熱機是效率最高、最有力於大型化的方法。水是核反應堆良好的慢化劑和冷卻劑，也是人類打交道最多的熱機工質之一，自然大部分熱中子堆就變成燒開水的核鍋爐了。當然也有使用布雷頓循環熱機（燃氣輪機原理）的核反應堆熱機設計，如高溫氣冷堆或氣冷快堆，限於反應堆設計、經濟性等因素沒有發展得起來。空間核反應堆或核熱電池可以使用熱電溫差轉換、熱離子發射的方法生產電力，部分核電池可以利用原子核衰變釋放的帶電粒子流直接轉化為電能，但是都是小功率的東西。

至於利用樹枝里的核能，由於樹枝當中的大部分原子都是原子序數比鐵低的，利用其核能可實現的方法大致是兩種，將其聚變成鐵原子核，或者採用反物質湮滅的路線，後者可以實現完全的質能轉換。但是咱們現在都沒轍——原子核聚變需要打破庫侖勢壘，現有技術無法實現能量的正輸出，哪怕是最容易的氘氚聚變；我們也沒本事把正常物質直接簡單地變成反物質。

核動力火箭發動機目前是有過發展歷史的，冷戰期間美蘇都發展過核熱火箭發動機，其比沖可以達到最好的化學能火箭的兩倍（核熱火箭發動機約900s比沖），但是其在近地軌道活動中推重比、安全性和運行時間與化學能火箭沒有優勢；美蘇還分別發展的同位素核熱電池和空間核反應用於衛星、深空探測的電源。這些技術如果發展完善是可以滿足人類現有的太陽系無人探測和火星的載人探測所需要的航行動力需求的。

但是這都不是能夠實現恆星際核推進的動力。恆星際飛船需要大推力、超高比沖、低質量的火箭發動機，大概需要比人類研發過的最高比沖的核火箭發動機高4個數量級（人類手中最好的離子火箭發動機高1～3個數量級），如果實現星際載人航行（光速的1/10的世代飛船，帶有維持人類長期生活的生態圈），那麼至少需要能使一個最簡單生態圈系統加速度達到1個重力加速度推力，也就是數萬至數十萬噸推力（比最好的化學能火箭發動機高3個數量級）。這個技術，反正我孫子能在其有生之年看到就很令人讚歎了。

扯點跑題的。

作為一名能源動力專業的學生……

從報志願開始……

「你家孩子報什麼專業呀？」

「能源動力。」

「呀，能源呀！有前途！」

心裡就會吐槽其實就是燒鍋爐……

錄取階段同上。

開學了。

班主任:「同學們，你們對我們這個專業有什麼了解嗎！」

同學們:「燒鍋爐~~~」

班主任:「呃你們第一堂課就把我的話給搶了，其實吧說燒鍋爐也沒錯，我燒鍋爐都燒到博士了，也就是會燒更值錢的鍋爐而已……」

所以愉快地做一個鍋爐工吧= =

順便黑一下核工程與核技術，他們是燒核鍋爐的。

我本科是學核物理的，現在是研究生在讀，應該能夠稍微回答一下，還在學習中，有不對的地方還望大家指正。

第一個問題

核能產生巨大的能量這一點毋庸置疑，為何不能直接的利用，首先得弄清楚它的能量是以何種形式體現的。現在主流的反應堆採用的是以鈾235為主的核燃料，裂變過程大致是，熱中子轟擊到鈾235靶核上發生核裂變，靶核「炸裂」變成兩個或更多的裂變碎片，同時發生質量虧損，虧損的質量轉化成能量，這部分能量大部分由裂變碎片的動能和輻射出射線的能量組成，大小大概在200MeV左右。為什麼不能直接利用？我想你應該清楚了。

目前主流的冷卻劑有：輕水（就是普通的水）、重水、氣體（如氦氣）、熔融金屬（液態鈉、鉛鉍合金等）等等，所要達到的目的即是將所產生的熱量傳導出來，推動汽輪機去發電。其中輕水是最容易獲得，最便宜的一種冷卻劑，並且還可以充當慢化劑，節省成本，所以應用最為廣泛。也就他們說的燒水的問題…

第二個問題

我不得不說，在我的認知範圍內，這種說法是沒錯的，但在技術上，起碼目前是不可能實現的。並不是所有元素都能發生核反應，裂變反應目前只有少數放射性重核能發生，如鈾235，鈾233，鈈239等等。木頭主要由碳氫氧等元素構成，不具備發生裂變反應的可能，至於聚變，光是氫元素間的可控聚變反應都還沒實現，就暫時更別想了。

第三個問題

這個問題應該涉及到反應堆動力堆的設計問題，要實現反應堆的小型化、持久化、能量轉換高效化等等，每一個問題都是一個大課題… 能夠星際穿越的宇宙飛船，裂變堆我個人覺得是沒戲了，多少年後看可控聚變堆能不能實現吧，哈哈

補充一個對核能非常不主流的利用方式：氚燈

氚燈是通過在玻璃管中充入氚氣，利用氚原子beta衰變放出的電子激發熒光粉發光，效果大概是這樣：

直接利用衰變產物激發核外電子躍遷到高能級發光，是不是聽起來比燒鍋爐高級多了，是不是符合您的期望？而且這個東西和前面談到的鍋爐，核彈相比有一個重大好處：可以在淘寶上買到，當鑰匙鏈用什麼的絕對亮騷（當然還是有點貴的）。

謝邀 ? ???? ????? ???

正兒八經能量就只有一種：動能。

電能是電子的動能，內能是微觀的動能，運動旋轉是宏觀的動能。

能量（好吧，內能）歸根結底只能用來煮開水，地球人拿來煮開水，外星人也拿來煮開水。

在宏觀上，大量的能量轉換，特別是大量能量從微觀到宏觀的轉換，也就煮開水最靠譜。

所以，同學還是別想太多了，擼擼睡吧。

不全是煮水，還可以煮金屬，另外呢，衛星上面用的核電池直接利用衰變變成電能來使用。

he3-he3, p-b11 等無中子熱核反應

charged particle 直接轉換成電能

參見:

Aneutronic fusion

A Fusion Thruster for Space Travel

1.我了解核能的威力，就像大家舉例的核彈，我主要的問題在，核能產生的巨大能量，是因為哪些問題，而不能更加直接的利用？

請問：更加直接的利用是什麼意思？

2.我以前看過一個節目說，一根樹枝，燃燒產生的能量很小，但是如果把這根樹枝的核能能夠變成可以利用的能源的話，可以供全人類用很久。那這中間，要達到什麼樣的技術，才能實現這種可能？

按這理論，人類能不能進化到一定的程度，用手指就能將原子核挫骨揚灰，直接提取其中的能量？

3.能實現在星際間航行的宇宙核動力飛船，怎麼樣才可能被建造出來？

按這理論，需要吧地球的核資源都給挖空了吧？

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核裂變的速度非常地快，異常難以控制。（省略幾萬字）

更加直接的利用？字面上來將，直接將核能轉化為熱能，光能，電能，動能，內能等等？

題主，這裡你會不會嘲笑你自己的智商呢？

更進一步來講，蓄能裝置是不是也要跟進呢？需要熱蓄能設備，光蓄能設備，電蓄能設備，動能蓄能設備，內能。。（編不下去了）

蓄熱設備，這個是不是類似巨大的熱水壺呢？據我所知，水的比熱是最大的，要多少水才能蓄能1kg核燃料產生的能量？

（還是省略幾萬字吧）

目前的核能利用，是通過核能-&>內能-&>動能-&>電能來轉換的，為什麼不直接轉化為電能？fml，電能是通過閉合線圈切割磁感線的，這核能能直接推動發電機么？

算了，我編不下去了。題主看看就好

作為一名鍋爐行業的新人，我很能理解題主是有多看不起煮開水，哈哈，鍋爐不就是煮開水的么。

嗯，不錯，其實題主可以改一下題目，怎麼讓核能直接轉換成電能更直接。煮開水很LOW，那汽輪機不就是風車么更LOW。順便解釋下熱電站的三大主要部分：鍋爐（煮開水），汽輪機（大風車），發電機。發電的過程就是：核能—熱能—機械能—電能

咱就光說說煮開水吧，水蒸氣臨界壓力是22Mpa，也就是220個大氣壓，此時開水溫度也就370度吧，經過過熱器達到個五六百度不成問題。而且目前還有超臨界鍋爐，超超臨界鍋爐。他們只是煮開水的，不過就是開水的溫度高了點。

蒸汽機帶動了第一次工業革命，在幾百年前它是黑科技，而在現在好多人覺得很低端，煮開水的么

哈哈沒這個煮開水的你還真用不上電。

現在能見到的能量，熱能—機械能—電能。

主要就是這個過程，有一部分不用熱能的，都是清潔能源了。當然電能之後的應用就很多了，差不多所有的用到能源的地方都在這裡面。

隨便舉例子，核潛艇，熱能變機械能，汽車拖拉機神馬的都這樣。

風力發電，機械能變電能

火力發電

核能發電

潮汐發電

這模式是我們現今絕大多數的能源獲取和使用方式，不是這個模式的都還是小眾中的小眾，太陽能啊，中間沒有機械能，燃料電池啊，中間沒有機械能。

結論就是，我們現在獲取能源的途徑絕大多數是燃燒獲取熱能，能源的使用則主要是機械能和電能，非常的單一，所以不是不想，是好多事情都做不到，我們其實遠遠沒有我們想像的那麼先進。

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關於題主的問題呢，

第一個，核能的威力，質量變能量是質量x光速的平方，看起來很多哈，原子彈能讓0.7%的質量變為能量，氫彈呢，要比原子彈高點，具體多少我也不知道，他聚變要先吸收能量，達到「點火」條件之後，才能繼續聚變，然後就「自給自足」了。還有一種據說叫湮滅，質量能量轉化率100% 可能吧，相關研究都還很少，我不敢想像這玩意研究出來有多猛，100萬噸的原子彈用這種技術就變成1.4億噸了………這才是科幻級別的武器。所以原子彈根本就是個小學生。

但是！現在我們只能做到利用原子彈的核技術來發電，前提還是用稀釋的核燃料在用石磨吸收中子讓裂變反應緩慢的進行，就這還要在反應堆的外麵包上里三層外三層，還要用大量的水來冷卻，不然就會發生切爾諾貝利事件。核聚變的溫度比這個更高，到現在還沒有神馬好辦法來約束它，只能做到爆炸。至於湮滅………連面都還沒見過呢。所以為啥不能直接利用？原因就是我們的科技水平還不足以掌握這種級別的能量。

第二個，你說的這個讓樹枝完全「燃燒」，就是相當於湮滅了，100%物質轉化為能量。我覺得比湮滅還要高端，湮滅好歹是特定的正反物質才能實現，直接讓樹枝全部轉化為能量，上帝都不一定有這本事。就像我們現在的氫彈用的還是氫的同位素，至於為什麼我也不懂，不過肯定是為了降低核聚變的難度，不然幹嘛那麼費勁提純同位素，但是發生在太陽上的聚變就是直接用嗯氫！難度肯定不可同日而語。

第三個，咱們現在的飛船技術，還是火箭思路，就是通過相反方向噴出東西來推進的，在地球附近轉悠還行，但要想深入宇宙，肯定不行，宇宙航行，動不動就是光年來算距離，全靠慣性航行不現實，帶多少燃料都不帶夠的，其他推進技術，我們甚至連理論都沒有，什麼反重力推進啊，暗物質引擎什麼的都是科幻小說里的東西，所以星際飛船這貨，壓根就什麼也沒有呢，就算掌握了核能技術，讓核能轉變成什麼能量利用都不知道，電？熱能？還是什麼，連最基礎的理論知識都還沒有呢。

親煮開水也得看效率啊！用柴火煮、用煤煮、用核能煮，看起來一回事，背後有多少不一回事啊！煮相同多的開水，需要多少物料、人力，背後有多少污染、安全問題，不是一句兩句說得清但是你肯定懂的。你所說的「落後」/先進，我不明白你判斷的標準啊(?? . ??)

核能的利用目前主要在醫療、勘探、工業生產、軍事等方面，你非要找不煮開水的，核彈算不？？←_←

那個，電力方面下一步主要是研究用核聚變煮開水………………你會不會很撕望╮(╯_╰)╭

（目前是利用核裂變煮開水………）

核能目前主要的利用方式是通過重核裂變，把核燃料(比如最常提的鈾)的原子能轉化為熱能。民用輕核聚變仍然遙遙無期，低溫可控聚變還在研究，但是不可控聚變——氫彈已經實現。人類現在技術無法利用如題主所說的木棍中的核能，因為碳原子比結合能高，難以聚變裂變。核動力宇宙飛船，以及微型核電池等，依賴可控性和安全性的保障。

本科能源動力專業的路過，這個問題，剛進大學，我也思考過，說一下個人一點淺見:在容易獲取且無毒害的化學物質中，水的比熱容較大，相同質量的情況下，可以集聚更多的能量，且水的液氣兩相變化相跨溫度較小，易於受熱膨脹做功。

很多年不搞能源專業了，如果有錯誤，歡迎各位批評指正。

誰說的？

速食麵吃過嗎

脫水蔬菜就是核照射的產物

核燃機？

細思極恐。

我以前看過一個節目說，一根樹枝，燃燒產生的能量很小，但是如果把這根樹枝的核能能夠變成可以利用的能源的話，可以供全人類用很久。那這中間，要達到什麼樣的技術，才能實現這種可能？

中國2013年發電量52451億千瓦時等於1.88e19 J

假設樹枝重一公斤，反物質構成，E =mc^2，核能釋放（這還算核能么！）9e16 J

不知道全人類用很久是什麼概念……

我不知道用什麼樣的技術能實現這種可能，反正反物質是不行。

學個燒開水就用了老子四年時間

所以蒸汽機的發明才顯得那麼重要