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    【核科普】核能的过去与未来

    时间: 2020-10-02 来源: 中国核网 作者:

    核能是20世纪人类的一项伟大发现,并已取得了十分重要的成果。

    1938年,哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变现象;1942年12月2日,著名科学家费米领导几十位科学家,在美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆,标志着人类从此进入了核能时代。

    在这以前人类利用的能源,只涉及到物理变化和化学变化,当核能进入人们的生产和生活后,一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生。  

    应用:

    可大规模替代化石燃料

    第一座反应堆首次启动时,功率仅为0.5瓦。60多年后的2008年,核电已占全世界总发电量的15%。据国际原子能机构统计数据,截至2009年6月,全世界共有436台核电机组在运行,总装机容量达到372.5 GWe(千兆瓦),在建核电机组45座,装机容量39.95 GWe。目前,核发电量占本国总发电量比例最高的国家是法国,2004年其核电发电量占到总发电量的78%。日本、德国、美国等国家也是核电大国,核电所占比例均在20%以上,而中国核电目前仅占到总发电量的1.3%。

    当前,世界上的主要能源是煤、石油、天然气这些化石燃料,化石燃料不是可再生能源,用掉一点儿就少一点儿。燃烧化石燃料向大气排放大量的“温室气体”二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮氧化物,并排放大量的烟尘,这些有害的物质对环境造成了严重的破坏。核能不产生这些有害物质。1987年,曾任世界卫生组织总干事的布伦特兰领导的世界环境和发展委员会提出了“可持续发展”的概念,就是“既满足当代人的需求,又不危及后代人满足其需求的发展”。为了实现可持续发展,人类迫切地需要新的替代能源。目前,惟一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源,就是核能。

    核能分为核裂变能和核聚变能两种。核裂变能是通过一些重原子核发生“链式裂变反应”释放出的能量;核聚变能则是由两个轻原子核结合在一起形成更重的原子核时释放出的能量。核聚变又叫“热核反应”。氢的同位素氘(重氢,质量数为2)是主要的核聚变材料,其以重水的形式大量存在于海水中,氘同位素占总氢量的0.015%。1升海水中的氘通过核聚变释放出的能量相当于300升汽油燃烧释放出的能量。据推算,全世界海水中所含的氘通过核聚变释放的聚变能,可供人类在很高的消费水平下使用50亿年,因此可认为聚变能是一种不会枯竭的能源。

    然而,迄今为止成功实现工业应用规模的核能只有核裂变能。由于达到核聚变的条件非常苛刻,目前还没有非常有效的手段实现可控核聚变,按照目前的研究进度,人类大规模利用核聚变发电可能还需要等待几十年的时间。

    历史:

    可追溯到19世纪末

    核能问世的准备时期,可以追溯到19世纪末至20世纪初。

    19世纪末,英国物理学家汤姆逊发现了电子;1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线;1896年,法国物理学家贝克勒尔首次发现了天然铀的放射性;1898年,居里夫人又发现了新的放射性元素钋和镭;1902年,她经过4年的艰苦努力成功分离出毫克级的高纯镭;1905年,爱因斯坦提出了著名的质能转换公式E=mc2(c为光速,E为能量,m为转换成能量的质量)。

    1914年,英国物理学家卢瑟福通过实验,确定氢原子核是一个正电荷单元,称为质子。1932年,英国物理学家查得威克发现了中子。1938年,德国科学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象。有些元素可以自发地放出射线,这些元素叫做放射性元素。放射性元素可以放出3种看不见的射线。一种是α射线,就是氦原子核。一种是β射线,就是高速电子。一种是γ射线,就是高能电磁波。其中γ射线的穿透能力最强。当中子撞击铀原子核时,一个铀核吸收了一个中子而分裂成两个较轻的原子核,同时发生质能转换,放出很大的能量,并产生两个或3个中子,这就是举世闻名的核裂变反应。

    在一定的条件下,新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变,这样一代代传下去,像链条一样环环相扣,所以科学家将其命名为链式裂变反应。1946年,在法国居里实验室工作的我国科学家钱三强、何泽慧夫妇发现了铀原子核的“三裂变”、“四裂变”现象。链式裂变反应释放出巨大的核能,1千克铀235裂变释放出的能量,相当于2500吨标准煤燃烧产生的能量。只有铀233、铀235和钚239这3种核素可以由能量为0.025电子伏的热中子引起核裂变。它们都可用作核燃料,其中只有铀235是天然存在的,而铀233、钚239是在反应堆中人工生产出来的。铀235在天然铀中的含量仅为0.7%。

    未来:

    确保安全是前提

    反应堆是通过受控的链式裂变反应,将核能缓慢地释放出来的装置,是和平利用核能的最主要设施。

    反应堆的种类繁多,一般是根据用途分为动力堆、生产堆和研究堆。动力堆是利用核裂变释放的能量来产生动力,进行发电、供热、推动船舰等。生产堆是利用中子生产新的核燃料。研究堆是利用中子进行基础科学和应用科学的研究。

    为了实现核能的进一步发展,当前世界许多国家的核科学家正在研究与发展先进的核反应堆,进一步提高反应堆的安全性和经济性。我国目前正在研发多种先进反应堆。例如,由清华大学核能与新能源技术研究院承担研发的高温气冷堆具有安全性好、发电效率高、用途广等诸多特点,其10MW高温气冷实验堆已于2003年1月实现满功率并网发电,目前正在建设更高功率的商业示范核电站;在引进、消化吸收的基础上,通过自主创新,国家核电技术公司正承担具有非能动特点的大型先进压水堆的研发工作。上述两种反应堆的研发工作已经纳入了国家中长期科技发展规划的重大专项研究计划。另外,中国原子能科学研究院承担的中国实验快堆于2010年7月首次达到临界,这是中国核电领域的重大自主创新成果,意味着中国第四代先进核能系统技术实现了重大突破。快堆可大大提高铀资源的利用率,从目前轻水堆的1%左右提高到60%—70%。

    3月11日,日本大地震使得其位于福岛核电站的多个机组相续发生爆炸并导致一定程度的放射性泄漏,增加了人们对核电安全性的担忧,也给当前世界核电快速发展的格局增添了变数,例如,德国就及时搁置了其延迟多座核电站使用寿命的议案讨论。但是,需要指出的是,发生事故的福岛核电站建于上世纪六七十年代,所采用的沸水堆被认为是第二代(或一代半)堆型,相关设计及电站辅助设备相对较为落后,因此在破坏力极强的地震及海啸作用下发生较为严重的事故。目前,随着世界各国对核电安全性的进一步重视以及核电技术的快速进步,世界上运行的老旧堆型正在逐步退出历史舞台,未来核电将转向新一代的具有固有安全性的先进反应堆,人们能够在确保安全的情况下享受核电给我们带来的益处。

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