浅谈形形式式的发电装置

闲云野鹤

公元前600年，古希腊人就发现了电的存在，由于当时的条件限制，并没有引起人们的兴趣和重视。直到两千年后的公元1600年，英国医生威廉.艾尔伯特在自己卧室脱去羊皮大衣时产生了放电现象，并用拉丁文描述了两件衣服因摩擦生电的现象后，在欧洲引起了一股研究电的热潮。美国人富兰克林，意大利人沃尔，法国人法拉第等近乎痴迷的投入到电学研究领域，并取得一些研究成果。1887年，美国人爱迪生发明了电灯泡，首次打开了电力应用的大门。于是以电力为动力的第二次工业革命浪潮席卷全球。

我们知道电是由发电厂产生的，然后通过变压器，电力传输线路输送到千家万户的，发电厂是电力产生的源头。通过各种信息渠道，大家也知道有多种发电厂和发电装置，如：火力发电厂，水力发电厂，太阳能和风能发电厂，核能发电厂等，可大家是否知道这些形形式式的发电厂，他们的工作原理是什么样的呢？他们是如何产生电力的呢？本菜鸟君今天就与大家科普一下。

在科普之前我先向大家介绍下电的基本知识。

19世纪初，法国人安培发现，当一个金属导体在一个磁场中做切割磁力线的运动时，金属导体上便能产生感生电流，根据这个原理，美国人爱迪生便发明了简易的发电机。其原理是让一个缠绕线圈的转子在磁场中旋转，这个转子上线圈的两端便会产生感生电流，于是，世界上第一台实用的发电机诞生了，随着技术的发展和进步，发电机的构造越来越先进，发电量越来越强大。

火力发电机组的工作原理是将煤炭燃烧产生的热能将锅炉的水加热成高压水蒸气，再通过管道将水蒸气输送到汽轮机组，通过高压水蒸气冲击汽轮机组高速转动带动发电机组发电。因而，火力发电是将煤炭的化学能转化成热能，再将热能通过蒸汽使汽轮机组高速转动做功，形成机械能，再把机械能转化成电能。

水里发电原理。由于水电站都有混凝土大坝，大坝的功能是拦截水流形成上下游水位落差，这样，通过高速水流冲击水轮机组，再带动发电机发电。其理论描述就是将高速水流带动水轮机组做功，产生机械能，再将机械能通过发电机组转换成电能。

风能发电机组是将风能通过发电机转换成电能。光能发电站是将光能通过感光材料转换成电能。

核电厂工作原理。核电又分为裂变电厂和聚变电厂。我们首先谈谈裂变电厂。所谓裂变就是核裂变，原理就是原子弹，大家都知道原子弹的威力，曾经让小日本的两座城市化为废墟。裂变反应的原理是什么呢？为何有如此巨大的威力？

19世纪，瑞典和丹麦的科学家发现，大质量元素的原子核（如铀，钋等）由于质量太大，存在不稳定性，一旦受到高速运动的中子轰击就会破裂成两个较小的原子核，并释放两到三个中子，释放出的中子又去轰击其他原子核，就这样不断的进行下去，直到这块重金属完全分崩离析，而这个由中子不断轰击原子核分裂的过程就叫链式反应，在链式反应过程中会释放出原子核内部强大的能量。他们的理论公布以后，科学家们便很快想到了其军事用途，他们认为，人类很快便能拥有一种威力巨大的核能炸弹。可要真正想制造这样一枚炸弹还需要至关重要的理论支持。真是要什么有什么，就在科学家一筹莫展的时候，逃亡美国的天才科学家爱因斯坦得出了一个轰动科学界的研究成果——质能转换方程。E＝mc²。其中E是能量，单位是焦耳，m是一个物质的质量，单位是千克，c是光速，单位是3亿米/秒。爱因斯坦认为，能量可以转化成物质，物质也可以转化成能量。科学家们在进行核裂变反应的实验中发现，核材料在进行裂变的反应前后会出现质量损失，起初，谁也不知道其损失的那部分物质到底去哪了？在看了爱因斯坦因的质能方程后，科学家才恍然大悟，原来那些损失掉的质量在核反应后完全转化成了能量。因而，核裂变才有了如此巨大的威力。至此，研制原子弹的理论困惑便迎刃而解。

原子弹的一系列链式反应是瞬间完成的，因此才有其空前的破坏力。而核电站里核材料的裂变反应是在受控的情形下慢慢发生的，不然的话，整个核电厂连同周围建筑都会被夷为平地。那么，科学家们是怎么控制核材料裂变的速度呢？原来，科学家们将核材料制造成一个个金属棒，并将这些核材料金属帮分别插入核反应堆中，在这些核材料棒之间插入一些的石墨棒来吸收中子，使得核反应变慢。然后再在核反应堆附近加入冷却水（水也能吸收一部分中子），核反应加热水成为蒸汽，接下来原理和火力发电站一样，蒸汽推动汽轮机组，汽轮机组再带动发电机组发电。

现在我们就来探讨核聚变发电站。此时有人会迫不及待的说，你别科普了，我们懂了，核聚变发电站就是将核聚变反应变慢，然后将水加热成蒸汽，蒸汽推动汽轮机组，再带动发电机组发电，Ok了。

我要说，我很佩服你的学习能力，对你的举一反三的联想能力是佩服的一塌糊涂。然而，然而我要说，你错了，大错特错了。

要想了解核聚变发电站的工作原理，我还是先跟大家先聊聊核聚变的科学原理吧。

正当科学家们为掌握了核裂变，并有可能制造出人类有史以来威力最大的武器而欢欣鼓舞时，有位科学家却在思考另一个科学设想。他觉得既然大质量元素的原子核能发生裂变，那么小质量元素的两个或多个原子核能不能发生聚合反应呢？答案是可能的。全世界的顶尖物理学家们通过各种实验得出结论，达成小质量元素的原子核发生聚变反应的条件是高温高压。就拿当时元素周期表中最轻的元素——氢来说，如果温度达到1500万度，压力达到几百万兆大气压的情况下，四个氢原子可以聚合成一个氦原子，同时释放比原子弹大的多的能量。由于条件太苛刻，科学家通过艰苦努力，后来用核聚变条件相对低一些的氢的同位素氕和氘来做核聚变材料。于是氢弹产生了，他的爆炸威力是原子弹的几万倍，几十万倍，甚至几百万倍，当时被认为是人类的终极武器。

那么，核聚变发电站的发电原理是什么样的呢？当然核聚变发电站还在研究之中，还没有用于商业发电。原因是核聚变发电站的复杂程度超乎人类的想象，不过科学家正在努力攻克每一道难关，已经取得巨大成果，相信在50年或70年后就能看到商业运营的核聚变发电站。

核聚变反应是比核裂变反应猛力的多的核反应，而且两者核反应机理完全不同，极难控制。一个原子弹爆炸后的中心温度大概在几十万度，造成核裂变反应的动因是高速运动的中子，因而受控核裂变可以用能吸收中子的石墨棒和冷却水。而氢弹爆炸后，其中心温度可以达到几千万度，最高可到几亿度，核聚变反应的动因是高温高压，与中子无关，所以，要想控制核聚变反应速率，只能另辟蹊径，且难度和复杂程度非受控核裂变可比。首先，核聚变产生的几千万度高温就是一个莫大的拦路虎，没有一种容器在承受如此高温下而完好无损。然而科学家们并没有畏缩不前，他们想到了用能量控制能量的构想。就是用超强的磁场控制核聚变反应，以及用磁场能量控制其释放的热能。

这套装置叫托卡玛克装置，是前苏联科学家托卡马克提出来的。其工作原理是首先用一组强磁场将核聚变材料（氢或氢的同位素）变成等离子体（其原理就类似于我们的家用电池炉，其能量相当于几千万个我们家的电池炉），然后用另一组磁场将这些等离子体悬浮于容器中间，使其不能接触到容器壁，然后将几束高能激光轰击容器中间的等离子体，激光温度达到几千万度，另外激光又有超强的轰击压力，通常能达到几百万兆大气压，这样等离子体就会发生核聚变反应，4个氢原子聚合成一个氦原子，等离子体在发生核聚变的同时会发生极强的放电现象，这时有一个新装置就派上用场了，它就是接闪器，接闪器的功能就是用来收集等离子体释放的电能。目前做的最好的是中国合肥的核聚变发电装置，能使等离子体有1000秒的放电时间，打破了等离子体放电时间记录。好了，说到这里大家应该明白了，核聚变发电原理绝不是用蒸汽带动发电的，而是直接接收等离子体放电所产生巨大的电能来发电的。

核聚变发电站的前景是非常令人类期待的，他的发电效能是惊人的，一个核聚变发电站可以供应几十个超大型城市的用电量，而且其核聚变材料是取之不尽，用之不竭的，光地球上所蕴藏的核聚变材料就够人类用上几十亿年，一旦研制成功人类将再也不用为能源紧缺而发愁，它将给人类带来无限福祉。