军事天地
2022年
是世界上第一座人工核反应堆
诞生80周年
星球研究所特别制作此文
希望能够解答你关于核能的疑问
自人类诞生以来
我们便从未停止过对能源的探索
煤炭、石油、天然气、太阳能、风能
归根结底
人类所利用的能源
几乎都来自太阳
（日出下的海上风电场，拍摄于辽宁大连海王九岛，摄影师@NoOne晓东）
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然而有一种例外
它是人类真正独立掌握的
生产能源的伟大技术
它如此伟大
甚至可以创造出太阳本身
它就是
核能
（受控核聚变装置，可以产生与太阳内部一样的核聚变反应，也被称为“人造太阳”，制图@罗梓涵/星球研究所）
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有人追捧它
为它奔走呼号
有人恐惧它
几乎谈之色变
放眼整个能源史
没有什么能源可以比它更高效
但似乎也没有什么能源可以比它更“危险”
（2010年4月24日，据媒体报道，在德国布罗克多夫核电站附近的一次“反核”游行中，总计有12万人参加，排成的队伍足足有120公里长，图片来源@人民视觉）
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实际上
大多数人也并不了解它
片面的认知
造就了如今这般矛盾的现实
那么
核能的真面目到底是什么？
为了利用这种能量
我们都经历了什么？
01
初识
1945年
伴随着一阵惊天巨响
万米高的蘑菇云腾空而起
日本广岛顷刻间沦为火海
人类首颗在实战中使用的原子弹引爆
核能
第一次向世人展示了它无与伦比的威力
（原子弹轰炸广岛，升起巨大的蘑菇云，图片来源@Wikimedia Commons）
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这颗原子弹释放的能量
相当于一次里氏6级的地震
距爆炸中心7公里内的建筑被严重损毁
伤亡人员比例高达53%
但其中
只有不到1千克的燃料进行了反应
这种特殊的燃料
叫做“铀”
（铀元素及铀矿石，图片来源@视觉中国，制图@罗梓涵/星球研究所）
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从地球诞生之初起
铀就已经形成了
它与多种元素结合形成的矿物
往往呈现出绚丽的色彩
因此甚至一度被用作染色剂
用来制作精美的器皿
（19世纪的铀玻璃制品，图片来源@视觉中国，制图@罗梓涵/星球研究所）
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然而
在美丽的外表之下
还有另一种看不见的“色彩”
直到1896年才被人类发现
作为自然界中最重的元素
铀原子并不稳定
它的原子核会自动蜕变成另一种
质量更小、更稳定的原子核
这个过程被称为“衰变”
衰变会释放出热量以及各种射线
因此这种特性也被称为“放射性”
相比于释放射线
通过衰变实现不同元素间的转化
对渴望“点石成金”的人类来说
显然更具吸引力
然而
原子数目衰减一半所花费的时间
即所谓的“半衰期”
动辄长达数亿年
只靠天然的衰变实现大规模的“点石成金”
仍是一个不切实际的梦想
人们必须想方设法寻找其他途径
完成原子的改造
最常用的是
利用组成原子核的一种微小粒子
中子
作为“炮弹”轰击原子核
令其分裂成两个新核
实现“裂变”
更重要的是
它还给我们带来了一个意外的“惊喜”
裂变后原子核质量减少
正如爱因斯坦的质能方程所揭示的那样
这些减少的质量直接转换成了能量
在这个著名的方程中
由于光速的数值十分庞大
因此哪怕微小的质量变化
也会产生巨大的能量
这无疑是一个振奋人心的发现
它意味着
如果人们能够驾驭这种能量
那么只需百余吨核燃料
便可产生满足北京市一年的用电量
（供北京市全年用电所需的低浓缩铀与其他燃料对比，此处按北京市2020年全年用电量1140亿千瓦时估计，制图@罗梓涵/星球研究所）
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这为人类能源的发展
指明了一个全新的方向
人类终于可以摆脱
燃烧
这种依靠拆装化学键获得能量的方式
真正触碰到了原子核本身
进入了用质量直接换取能量的
“原子时代”
不仅如此
核能不受天气和季节的影响
其释放过程也不产生任何温室气体
更不会排放烟尘污染环境
可以说是相当理想的清洁能源
（浙江秦山第二核电站，一般也称秦山二期，摄影师@邵帅/中核集团）
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但是
原子核看不见也摸不着
要驯化它
又谈何容易？
02
驯化
实际上
早在原子弹诞生之前
人类就率先建造出了
第一座实现可控核裂变反应的装置
核反应堆
尽管它最初的功率只有0.5瓦
甚至不足以点亮一盏家用电灯
但正是它
开启了人类掌控核能的新时代
随后
各式各样的核反应堆相继建成
发电功率也越来越大
第一代核电站
正式登上能源的舞台
核能
以电力的形式走进了千家万户
（法国希农核电站1号机组，建成于1963年，1973年关停，如今已经被开发成了一座博物馆；如无特别说明，本文所说的核电站建成时间均指该核电站首台机组正式并网发电的时间）
比如
建成于1954年的世界上第一座核电站
苏联奥布宁斯克核电站
其发电功率仅为5000千瓦
只能支撑几座工厂的运行
美国希平港核电站
将发电功率提升到了6万千瓦
大约可以满足6万人口的用电需求
加拿大道格拉斯角核电站
发电功率则高达20万千瓦
足以为一座小型城市的运转提供全面保障
（世界核电站分布示意图，第一代核电站现在基本已永久关停，目前运行中的187座核电站绝大部分都是1970年之后建成的，加上永久关停的103座核电站与建设中的15座核电站，全世界现在一共有305座核电站，制图@郑艺/星球研究所）
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作为一种实验性的技术
第一代核电站种类繁多
但在大多数情况下
它们都是利用高温水蒸气
驱动汽轮机旋转
进而带动发电机产生电能
与常规的火电厂相差无几
但不同的是
火电厂利用煤炭燃烧将水加热
而在核电站中
则是利用原子核的裂变反应
提供足够的热量
在火电厂中
为了保证煤炭的持续燃烧
需要充足的空气和足够高的温度
而在核反应堆里
需要的则是一定数目的中子
人们发现
有些元素裂变的同时会产生多个中子
从而继续引发其他原子裂变
称为“链式反应”
只有这样的元素才能被用作核燃料
最常用的便是铀元素的一种
铀235
然而
相比煤炭的燃烧
原子核的“燃烧”则困难重重
一方面
引发反应的中子数量
不能太多也不能太少
否则会导致反应太过剧烈甚至爆炸
或太过微弱直至“熄火”
只有当每次有且只有1个中子参与下次裂变时
反应才会稳定地进行下去
于是
人们在核反应堆中加入了
控制棒
它由容易吸收中子的材料制成
通过调节控制棒的位置
便可以改变核反应堆中的中子数量
（工作人员正在进行控制棒驱动机构的安装，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团）
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另一方面
中子的速度还不能太快
否则很容易与原子核“擦肩而过”
从而降低反应效率
于是
人们又在核反应堆中加入了
慢化剂
利用慢化剂的原子与中子碰撞
便可以实现中子的减速
以增大与原子核反应的机会
（核反应堆内部结构示意，其中将核裂变产生的热量带出的介质称为冷却剂，冷却剂和慢化剂可以为同一种物质，比如图中的水既是慢化剂，也是冷却剂；另外，并不是所有的核电站都需要慢化剂，需要慢化剂的核反应堆统称为“热中子反应堆”，制图@郑伯容/星球研究所）
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正是因为比煤炭燃烧更复杂
核电站的建设难度也大大增加
作为核能发电的先驱
第一代核电站的成本十分高昂
甚至可以达到火电厂的10倍之多
直到20世纪60年代后期
随着技术的进步
核电才终于具备了超越火电的经济优势
功率更大、成本更低的
第二代核电站
隆重登场
（美国圣奥诺弗雷核电站，建成于1967年，其中第一台机组已于1992年退役，图片来源@图虫创意）
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经历了第一代核电站的百花齐放
只有少数几种类型的核电站
在激烈的市场竞争中脱颖而出
比如
结构简单、造价低廉的
沸水堆核电站
在这种核电站中
驱动发电机的蒸汽
是由流经核反应堆的水直接沸腾产生
但这将不可避免地携带放射性物质
进而污染整个回路
因此必须对所有机组设置防护
又如
结构复杂但更安全可靠的
压水堆核电站
这种核电站
同时拥有两条水回路
一条流经核反应堆
用于提供热量
一条则流向发电厂房
用于推动汽轮机旋转
而为了提高
两条回路间的传热效率
流经核反应堆的水
被施加了很高的压力
这让其中的水流在高温下
仍然可以保持液体状态而不沸腾
“压水堆”由此得名
这样一来
相比沸水堆核电站
压水堆核电站的发电厂房
能与核反应堆完全分离
进而隔绝放射性物质
大大降低了设备检修的难度
除此之外
根据慢化剂和冷却剂的不同
还有重水堆、石墨气冷堆、石墨沸水堆等等
它们共同构成了现代核电站的大家族
（常见核电站分类图，该图只展示了需要使用慢化剂的热中子反应堆，制图@罗梓涵/星球研究所）
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20世纪70年代
接连发生的两次石油危机
让核电的价格优势愈发明显
核电站建设从此进入
突飞猛进的黄金年代
在美国
核电装机总量超过6000万千瓦
占到了全球的1/3
在日本
核能发电量在短短十年内
就经历了超过11倍的快速增长
在法国
核电占比更是从第一次石油危机前的8%
一路飙升到了近50%
（上文提到的美国为1983年的数据，日本和法国均为1973年到1983年间的数据；下图为法国东部的卡特农核电站，其中冒白气的是核电站的冷却塔，地处内陆的核电站因缺少冷源，所以需要建造冷却塔，而沿海核电站可以靠海水冷却，因此通常没有冷却塔，图片来源@中国核电网）
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大量核电站
如雨后春笋一般冒了出来
核电的春天仿佛就要来了
但就在这个时候
突如其来的两次灾难
将核电直接拖入严冬
原子核
真的被我们驯化了吗？
03
失控
1979年3月28日凌晨
正式运行仅3个月的
美国三哩岛核电站2号机组
突然响起了警报
核反应堆的主供水系统意外断开
本应投入工作的辅助供水系统
却由于几天前维修人员错误关闭阀门
导致冷却水无法到达核反应堆
令堆芯温度急剧上升直至熔毁
（美国三哩岛核电站，建成于1974年，发生事故的为2号机组，相邻的1号机组一直工作到2019年才退役，图片来源@Wikimedia Commons）
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这是核电史上
第一次发生如此严重的事故
尽管没有发生爆炸
但有约5万人紧急撤离
让民众如此惶恐不安的
正是伴随核反应产生的各种射线
即“辐射”
它们会对人体的分子结构造成破坏
从而导致器官损伤甚至死亡
由于辐射不能被肉眼所见
因此一开始并没有被人类重视
开创放射性理论的居里夫人
由于在实验中长期接触放射性物质
最终因过量辐射导致的恶性贫血症逝世
（神舟十三号航天员翟志刚、王亚平正在返回天和核心舱，航天员穿着厚重的航天服，可以抵挡来自宇宙的辐射；本文所说的辐射均指电离辐射，图片来源@中国载人航天）
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作为一个大型辐射源
核电站一旦发生事故
后果将不堪设想
但好在三哩岛核电站
作为一座合格的压水堆核电站
具备相对完善的安全措施
首先
是从内到外的三道实体屏障
第一道屏障
是包裹着核燃料的金属管
它由耐高温、耐腐蚀的锆合金制成
以避免核燃料与冷却水接触
导致放射性物质外泄
（以下是核燃料组件及内部结构，图@摄影师@过东海/中核集团）
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第二道屏障
是包裹着堆芯的压力容器及管道
如果第一道屏障被突破
放射性物质也能被密封在回路当中
（江苏田湾核电站压力容器吊装，摄影师@伍家春/中核集团）
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第三道屏障
是包裹着所有反应装置的
混凝土安全壳
即使堆芯熔毁
也可以保证放射性物质
不会释放到环境中
（广东岭澳核电站[二期]安全壳穹顶吊装，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团）
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除此之外
还有自动插入控制棒、快速“刹车”的
紧急停堆系统
自动向堆芯注水、快速降温的
应急堆芯冷却系统等
各类安全控制系统
为核电站的安全运行层层设防
（压水堆核电站三道安全屏障示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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在三哩岛核事故中
事故发生仅8秒后
这些安全措施便逐一启用
尽管第一道安全屏障被突破
但从中泄漏的放射性物质
基本都被锁定在了
由压力容器把守的第二道屏障
和安全壳形成的第三道屏障中
因此并没有对环境造成太大影响
（如今的三哩岛核电站及周边，图片来源@图虫创意）
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这次事故最终只是虚惊一场
但彷佛是在为人类敲响警钟
可人类并没有重视这次警告
仅仅七年之后
麻痹大意让危机再一次降临
这一次
人类没有幸免
切尔诺贝利核电站
曾是苏联最大的核电站
但在1986年的春天
这个“神话”被无情打破
（切尔诺贝利核电站，拍摄于2015年9月29日，当年事故发生后人们便用黏土、硼砂和铅等封闭核反应堆，并在外面搭建金属和混凝土结构，称为“石棺”，远处是正在修建的新“石棺”，图片来源@人民视觉）
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事故的起因
不过是一次停机检修期间
进行的普通试验
由于此前已有多次经验
这次试验并没有被严肃对待
草草制定的试验方案
甚至明确要求
断开部分安全控制系统
而随后的一系列错误操作
再加上核反应堆本身的设计缺陷
让核电站彻底失控
短短4秒内
反应堆功率就暴涨至最大值的100倍
包裹着核燃料的金属管熔化
冷却水急剧蒸发
继而引发连续爆炸
更糟糕的是
切尔诺贝利核电站采用的
石墨沸水堆结构
并没有压水堆核电站那样的
第二道和第三道屏障
剧烈的爆炸直接将屋顶炸飞
大量放射性物质由此进入大气
数十万人受到过量辐射的影响
曾经繁华的城市一夜之间沦为“地狱”
（如今切尔诺贝利核电站周围荒凉的城市，远处依稀可见被新“石棺”包裹的核电站，图片来源@图虫创意）
接连发生的两次事故
给核电站打上了危险的标签
强烈的“恐核”、“反核”情绪
让核电陷入了举步维艰的境地
（1954-2020全球核电机组数量变化，可以看到，在三哩岛核事故后，全球核电机组数量增长速度并未放缓，直到切尔诺贝利核事故后，才明显降低，制图@罗梓涵/星球研究所）
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但放弃核电并不是一件容易的事
例如在核电占比几乎过半的瑞典
关闭核电站后只能向丹麦购买火电
以弥补巨大的电力空缺
核电
还有出头之日吗？
04
重生
自切尔诺贝利核事故之后
石墨沸水堆便退出了历史的舞台
世界各国都对现有的核电站
进行了全面排查
防护系统也进一步升级
此后二十余年都风平浪静
直到2011年
一场里氏9级的特大地震
打破了太平洋的平静
由此引发的海啸甚至高达40米
数万人因此遇难
（日本3·11地震后被海啸淹没的城市，图片来源@图虫创意）
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受到地震影响的
还有曾经全世界最大的核电站
日本福岛核电站
在地震和海啸的双重打击下
核电站的所有备用电源全部失效
导致安全防护系统均无法发挥作用
最终造成堆芯熔毁
放射性物质大量泄漏
（事故后的福岛第一核电站，附近摆放了大量储存核废水的储水罐，拍摄于2021年4月8日，图片来源@“吉林一号”宽幅01星/长光卫星）
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在天灾面前
我们真的束手无策吗？
事实上
早在20世纪90年代
人们就开始发展
安全性更好、故障率更低
且功率更大、寿命更长的
第三代核电站
专门为极端事件准备了预案
（广东台山核电站，其中的1号机组是全球首台具备商业运行条件的EPR[欧洲先进压水堆]三代核电机组，摄影师@周维欣/中国广核集团）
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比如在每个回路设置独立的安全系统
采用双层安全壳作为第三道安全屏障
或者直接采用无需能源驱动的
“非能动安全系统”
只要利用重力、对流等自然现象
便可以自动冷却核反应堆
防止堆芯熔化、放射性物质外泄
（非能动系统示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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2021年1月30日
中国自己的第三代核电机组
“华龙一号”
正式投入商业运行
我国成为全球第四个
真正掌握第三代核电技术的国家
作为当今核电市场上
接受度最高的三代机型之一
“华龙一号”不仅配备了双层安全壳
1.3米厚的内壳和1.8米厚的外壳
可同时抵御内部的爆炸和外部的撞击
还配备了先进的非能动系统
即使是遇到福岛核电站那样
所有备用电源都失效的极端情况
也可以应对自如
（福建福清核电站5号机组，全球首台“华龙一号”机组，摄影师@过东海/中核集团）
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今天
中国的“华龙一号”
不仅在国内大放异彩
同时也走出国门
成为中国制造的新名片
（巴基斯坦卡拉奇核电站，“华龙一号”海外首堆，摄影师@王进杰/中核集团）
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而在三十年前
中国第一座自行设计建造的核电站
浙江秦山核电站
刚刚开始并网发电时
全世界的核电机组数量
已经超过400台
在没有任何先例可循的情况下
中国核工业人
硬是靠着微缩胶片中的技术资料
开拓了中国核电的荒野
（请横屏观看，秦山核电基地全景，包括秦山核电站[也称秦山一期]、秦山第二核电站[也称秦山二期]、秦山第三核电站[也称秦山三期]和方家山核电站，摄影师@邵帅）
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从几乎完全依赖进口的
广东大亚湾核电站
（广东大亚湾核电站，1993年建成，中国大陆首座百万千瓦级大型商用核电站，引进法国的核岛技术和英国的常规岛技术建造，图片来源@赖虔瑜/中国广核集团）
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到首个自主研发的大型核电站
广东岭澳核电站（二期）
（广东岭澳核电站[二期]，2010年建成，是我国“十二五”期间唯一开工的核电项目，也是我国第一个全面实现自主设计、建造和运营的百万千瓦级核电站，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团）
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再到首次装备“华龙一号”的第三代核电站
福建福清核电站
（福建福清核电站及远处的海上风电场，以及各机组位置，摄影师@过东海/中核集团）
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如今
17座核电站
共计52台机组
在中国大地上组成了
一道特殊的能源“海岸线”
当前发电总量已经高居世界第二
（中国核电站分布示意图，本地图仅展示了中国大陆地区已投入运行的核电机组，制图@郑艺/星球研究所）
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但是
这就是终点了吗？
05
未来
今天
如果想要查阅
居里夫人当年的笔记本
你需要穿上专门的防护服
从特制的铅盒中将其取出
这是因为这些笔记本仍然具有放射性
而这种放射性还将持续至少1500年
（居里夫人手稿，图片来源@Wikimedia Commons，制图@罗梓涵/星球研究所）
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这也是核电发展到今天
依然存在的最大问题
核废料
它们虽是核燃料使用后的残余
但仍然具有强烈的放射性
长久以来
我们也只能经过复杂的处理后
将其埋入地下
依靠时间的力量消除辐射
尽管第三代核电站
对可能发生的泄漏
进行了严防死守
但如果不能从根本上杜绝事故的发生
或者减少甚至消除核废料
核电站的争议就将永远持续下去
于是
这项光荣而艰巨的使命便交到了
第四代核电站手里
2021年12月20日
全球首台第四代商用核电机组
在中国山东石岛湾核电站
实现并网发电
它采用的高温气冷堆结构
核泄漏的概率完全为
零
因为这座核电站的燃料
被包覆在特殊材料制成的球体中
即使在高达1600℃的温度下也不会破损
而这远远超过了
核反应堆能够达到的最高温度
也就是说
这是一道真正牢不可破的屏障
（高温气冷堆球形燃料结构示意，制图@郑伯容/星球研究所）
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而另一种第四代核电站
快中子反应堆核电站
则从根本上减少了核废料的产生
它使用的燃料钚239
在裂变时释放的中子
可以使外围的铀238变成钚239本身
也就是说核燃料“越烧越多”
核废料自然就越来越少
相比传统的压水堆核电站
燃料利用率可提高到60%以上
此外
第四代核电站还有
熔盐堆、超临界水冷堆等其他类型
尽管目前大部分尚处于实验阶段
但在不远的将来
无论是经济性、安全性还是可靠性
它们都将是能源市场上最有力的竞争者
（山东石岛湾核电站，是全球首座球床模块式高温气冷堆核电站，也是世界上第一座具有第四代核能系统安全特性的核电站，图片来源@中国华能）
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但这还不是最清洁的能源技术
有另外一种核反应
可以真正实现“零废料”
它便是让太阳熊熊燃烧的
核聚变
核聚变是指两个较轻的原子核
结合成一个较重的原子核
同等质量的原子核
通过聚变释放的能量
是裂变的4倍之多
并且在这个过程中
不会产生任何危险的放射性物质
但核聚变的实现
比核裂变更加困难
至少要加热到
100000000℃以上
才可能发生
而聚变武器氢弹
也只有依赖原子弹爆炸产生的高温
才得以引爆
（1967年6月17日，我国第一颗氢弹在新疆罗布泊爆炸试验成功，工作人员纵情欢呼，图@人民画报1967年6期新闻公报《我国第一颗氢弹爆炸成功》）
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而如何约束上亿摄氏度的原子核
并将这些能量可控且持续地释放出来
则是人类面临的另一项挑战
就在2021年的5月28日
中国的受控核聚变实验装置
位于合肥的“人造太阳”
全超导托卡马克（EAST）
首次实现1.2亿℃下持续“燃烧”101秒
一举打破由韩国保持的世界纪录
仅仅半年之后
它又将7千万℃下运行的纪录提高到了1056秒
尽管核聚变的商业应用依然遥远
但这些不断突破的纪录也意味着
人类距离核聚变的能源时代
又近了一步
（中国的核聚变实验装置，上图为位于合肥的全超导托卡马克装置[EAST]，也被称为“东方超环”，图片来源@人民视觉；下图为位于成都的中国环流器二号M装置[HL-2M]，它是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，摄影师@郑铁流/中核集团）
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从蹒跚起步
到大起大落
再到绝处逢生
人类驯化原子核的道路
可谓一波三折
它曾给我们带来伤痛
也曾给我们带来欣喜
但在无数先驱的努力下
曾经“放荡不羁”的原子核
也越来越接近我们心中的
理想能源
尽管我们不知道
明天还有多少艰难的挑战
但回看核能
这段不到百年的发展历程
我们有理由相信
一个坎坷但注定光明的未来
正如诺贝尔和平奖获得者
阿尔贝特·施韦泽说过
“我忧心忡忡地看待未来，
但仍满怀美好的希望。”
核能亦如此
（工作人员正在进行核燃料更换，摄影师@赖虔瑜/中国广核集团）
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