核能

發(fā)展簡史

　　核能(nuclear energy)是人類歷史上的一項偉大發(fā)現(xiàn)，這離不開早期西方科學(xué)家的探索發(fā)現(xiàn)，他們?yōu)楹四艿膽?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　19世紀(jì)末英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子。

　　1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。

　　1896年法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性。

　　1898年居里夫人與居里先生發(fā)現(xiàn)新的放射性元素釙。

　　1902年居里夫人經(jīng)過三年又九個月的艱苦努力又發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳。

　　1905年愛因斯坦提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式。

　　1914年英國物理學(xué)家盧瑟福通過實驗，確定氫原子核是一個正電荷單元，稱為質(zhì)子。1935年英國物理學(xué)家查得威克發(fā)現(xiàn)了中子。1938年德國科學(xué)家奧托·哈恩用中子轟擊鈾原子核，發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象。1942年12月2日美國芝加哥大學(xué)成功啟動了世界上第一座核反應(yīng)堆。

　　1945年8月6日和9日美國將兩顆原子彈先后投在了日本的廣島和長崎。

　　1954年蘇聯(lián)建成了世界上第一座核電站------奧布靈斯克核電站。

　　在1945年之前，人類在能源利用領(lǐng)域只涉及到物理變化和化學(xué)變化。二戰(zhàn)時，原子彈誕生了。人類開始將核能運用于軍事、能源、工業(yè)、航天等領(lǐng)域。美國、俄羅斯、英國、法國、中國、日本、以色列等國相繼展開對核能應(yīng)用前景的研究。

核能發(fā)電

　　簡介

　　利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進行發(fā)電的方式。它與火力發(fā)電極其相似。只是以核反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器來代替火力發(fā)電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學(xué)能。除沸水堆外（見輕水堆），其他類型的動力堆都是一回路的冷卻劑通過堆心加熱，在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推動汽輪發(fā)電機。沸水堆則是一回路的冷卻劑通過堆心加熱變成70個大氣壓左右的過飽和蒸汽，經(jīng)汽水分離并干燥后直接推動汽輪發(fā)電機。

　　核能發(fā)電利用鈾燃料進行核分裂連鎖反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，將水加熱成高溫高壓，利用產(chǎn)生的水蒸氣推動蒸汽輪機并帶動發(fā)電機。核反應(yīng)所放出的熱量較燃燒化石燃料所放出的能量要高很多（相差約百萬倍），比較起來所以需要的燃料體積比火力電廠少相當(dāng)多。核能發(fā)電所使用的的鈾235純度只約占3%－4%，其馀皆為無法產(chǎn)生核分裂的鈾238。

　　舉例而言，核電廠每年要用掉80噸的核燃料，只要2支標(biāo)準(zhǔn)貨柜就可以運載。如果換成燃煤，需要515萬噸，每天要用20噸的大卡車運705車才夠。如果使用天然氣，需要143萬噸，相當(dāng)于每天燒掉20萬桶家用瓦斯。換算起來，剛好接近全臺灣692萬戶的瓦斯用量。

　　過程

　　核能→水和水蒸氣的內(nèi)能→發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能→電能。

　　歷史

　　簡史核能發(fā)電的歷史與動力堆的發(fā)展歷史密切相關(guān)。動力堆的發(fā)展最初是出于軍事需要。1954年，蘇聯(lián)建成世界上第一座裝機容量為5兆瓦(電)的奧布寧斯克核電站。英、美等國也相繼建成各種類型的核電站。到1960年，有5個國家建成20座核電站，裝機容量1279兆瓦（電）。由于核濃縮技術(shù)的發(fā)展，到1966年，核能發(fā)電的成本已低于火力發(fā)電的成本。核能發(fā)電真正邁入實用階段。1978年全世界22個國家和地區(qū)正在運行的30兆瓦（電）以上的核電站反應(yīng)堆已達(dá)200多座，總裝機容量已達(dá)107776兆瓦（電）。80年代因化石能源短缺日益突出，核能發(fā)電的進展更快。到1991年，全世界近30個國家和地區(qū)建成的核電機組為423套，總?cè)萘繛?.275億千瓦，其發(fā)電量占全世界總發(fā)電量的約16%。中國大陸的核電起步較晚，80年代才動工興建核電站。中國自行設(shè)計建造的30萬千瓦（電）秦山核電站在1991年底投入運行。大亞灣核電站于1987年開工，于1994年全部并網(wǎng)發(fā)電。

　　發(fā)展進程

　　第一代核電站。核電站的開發(fā)與建設(shè)開始于20世紀(jì)50年代。1954年前蘇聯(lián)建成發(fā)電功率為5兆瓦的實驗性核電站；1957年，美國建成發(fā)電功率為9萬千瓦的ShipPingPort原型核電站。這些成就證明了利用核能發(fā)電的技術(shù)可行性。國際上把上述實驗性的原型核電機組成為第一代核電機組。

　　第二代核電站。20世紀(jì)60年代后期，在實驗性和原型核電機組基礎(chǔ)上，陸續(xù)建成發(fā)電功率30萬千瓦的壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核電機組，他們在進一步證明核能發(fā)電技術(shù)可行性的同時，使核電的經(jīng)濟性也得以證明。目前，世界上商業(yè)運行的400多座核電機組絕大部分是在這一時期建成的，習(xí)慣上稱為第二代核電機組。

　　第三代核電站。20世紀(jì)90年代，為了消除三里島和切爾諾貝利核電站事故的負(fù)面影響，世紀(jì)核電業(yè)界集中力量對嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解進行了研究和攻關(guān)，美國和歐洲先后出臺了《先進輕水堆用戶要求文件》，即URD文件和《歐洲用戶對輕水堆核電站的要求》，即EUR文件，進一步明確了預(yù)防與緩解嚴(yán)重事故，提高安全可靠性等方面的要求。國際上通常把滿足URD文件或EUR文件的核電機組稱為第三代核電機組。對第三代核電機組要求是能在2010年前進行商用建造。

　　第四代核電站。2000年1月，在美國能源部的倡議下，美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷共10個有意發(fā)展核能的國家，聯(lián)合組成了“第四代國際核能論壇”，與2001年7月簽署了合約，約定共同合作研究開發(fā)第四代核能技術(shù)。

　　原理

　　核能發(fā)電的能量來自核反應(yīng)堆中可裂變材料(核燃料)進行裂變反應(yīng)所釋放的裂變能。裂變反應(yīng)指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片，同時放出中子和大量能量的過程。反應(yīng)中，可裂變物的原子核吸收一個中子后發(fā)生裂變并放出兩三個中子。若這些中子除去消耗，至少有一個中子能引起另一個原子核裂變，使裂變自持地進行，則這種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。實現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。

　　優(yōu)點

　　1．核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。

　　2．核能發(fā)電不會產(chǎn)生加重地球溫室效應(yīng)的二氧化碳。

　　3．核能發(fā)電所使用的鈾燃料，除了發(fā)電外，暫時沒有其他的用途。

　　4．核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，故核能電廠所使用的燃料體積小，運輸與儲存都很方便，一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料，一航次的飛機就可以完成運送。

　　5．核能發(fā)電的成本中，燃料費用所占的比例較低，核能發(fā)電的成本較不易受到國際經(jīng)濟情勢影響，故發(fā)電成本較其他發(fā)電方法為穩(wěn)定。

　　缺點

　　1．核能電廠會產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過之核燃料，雖然所占體積不大，但因具有放射線，故必須慎重處理，且需面對相當(dāng)大的政治困擾。

　　2．核能發(fā)電廠熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環(huán)境裏，故核能電廠的熱污染較嚴(yán)重。

　　3．核能電廠投資成本太大，電力公司的財務(wù)風(fēng)險較高。

　　4．核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉(zhuǎn)。

　　5．興建核電廠較易引發(fā)政治歧見紛爭。

　　6．核電廠的反應(yīng)器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，如果在事故中釋放到外界環(huán)境，會對生態(tài)及民眾造成傷害。

微型裝置

　　世界各地的研究人員正在開發(fā)寬度小于人的頭發(fā)的微型裝置，用于從生化傳感器到醫(yī)學(xué)植入體的各種用途。但這方面存在著一個障礙：現(xiàn)在還沒人能拿出一種與這么小的微型機械裝置相匹配的能源。

　　任何一個隨身攜帶過使用五磅重電池、而自重僅一磅的便攜式電腦的人都該明白這句話的意思。為了實現(xiàn)這些裝置的全部潛在用途，需要有這樣一種能源，它既能提供強大的動力，又要小得足以安裝在同一塊芯片上。

　　威斯康星大學(xué)的一組工程師相信他們也許找到了正確的方法。他們已經(jīng)開始了一個利用核能來提供能量的項目，但這些發(fā)電機將與向家庭和工廠提供電力的帶穹頂?shù)暮穗姀S完全不同。

　　這些微型裝置的能源不是靠轉(zhuǎn)動的渦輪機來發(fā)電，而是利用微量的放射性物質(zhì)，通過它們的衰變來產(chǎn)生電能。以前也有過這種做法，但規(guī)模要大得多。人們曾用這種方法給從心臟起搏器到探索太陽系外層黑暗空間的航天器等各種裝置提供能源。

　　威斯康星大學(xué)的核能工程教授詹姆斯·布蘭查德說：“以前還從沒在我們現(xiàn)在所討論的規(guī)模上做過這種事。”布蘭查德所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正設(shè)法開發(fā)這項技術(shù)，這項研究得到了美國能源部一項45萬美元的撥款。

　　盡管單單提起核能就會使一些人的后背生出絲絲涼氣，但研究人員稱他們的發(fā)電機只使用極少的放射性物質(zhì)，安全應(yīng)該不是問題。布蘭查德說，最適合這種技術(shù)的元素是1898年由居里夫婦發(fā)現(xiàn)的釙。

　　放射性物質(zhì)已廣泛應(yīng)用在許多裝置中，包括煙霧探測器。另外一些復(fù)印機上也使用條狀的放射性物質(zhì)消除紙張間的靜電。但如果核電要成為未來的微型“機器”的能源，這項技術(shù)必須縮小到微觀水平。布蘭查德說，用放射性材料發(fā)電可以有兩種方法。放射性材料衰變時發(fā)出的熱量可以使一些物質(zhì)放出電子，從而形成電能。但研究小組傾向于一種更直接的方法。

　　布蘭查德說：“當(dāng)放射性同位素衰變時，它會釋放出帶電粒子，這樣你就能直接俘獲這些帶電粒子，利用它們產(chǎn)生電能。”他說，相對于這些裝置的規(guī)模而言，這些粒子產(chǎn)生的電壓是非常高的。布蘭查德說，他的研究小組并沒有直接考慮這些微型裝置的用途。他認(rèn)為，一旦有了一種合適的能源，其他人將會想出許多用途來。事實上，世界各地有數(shù)十個實驗室已經(jīng)在研制被稱作MEMS的微型機電設(shè)備，它是當(dāng)今高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵課題之一。

　　布蘭查德在這個項目中的同事、電氣工程學(xué)教授阿米特·拉爾說，一旦有了合適的能源，將會產(chǎn)生“以前根本不可能的許多用途”。

　　這項技術(shù)最直接的應(yīng)用很可能是用來研制各種各樣的微型傳感器。一種合適的能源能夠用無線聯(lián)絡(luò)的方式把數(shù)以百計的微型傳感器聯(lián)系起來，這是一項在軍事上很有潛力的用途。這樣的傳感器小至肉眼無法看到，可以在惡劣環(huán)境中探測化學(xué)物質(zhì)的存在。布蘭查德說：“假如它們發(fā)現(xiàn)了它們不喜歡的化學(xué)物質(zhì)，它們能向某個中心位置發(fā)回信號，這樣人們不用到現(xiàn)場就能找到這些化學(xué)武器了。”這些傳感器也能用來探測工廠內(nèi)微量的有害化學(xué)物質(zhì)和氣體。一個有趣的前景是我們可以把這些傳感器造得很小，把它們混入重型機械上使用的潤滑油中，以便探測什么時候需要對機器進行保養(yǎng)。

　　拉爾說：“最大的影響可能是把這些傳感器系統(tǒng)結(jié)合到日常系統(tǒng)中，從而使日常系統(tǒng)變得更加可靠、安全和智能。”

海洋核能

　　核能是人類最具希望的未來能源。目前人們開發(fā)核能的途徑有兩條：一是重元素的裂變，如鈾的裂變；二是輕元素的聚變，如氘、氚、鋰等。重元素的裂變技術(shù)，己得到實際性的應(yīng)用；而輕元素聚變技術(shù)，也正在積極研制之中?？刹徽撌侵卦剽櫍€是輕元素氘、氚，在海洋中都有相當(dāng)巨大的儲藏量。

　　鈾是高能量的核燃料，1千克鈾可供利用的能量相當(dāng)于燃燒2050噸優(yōu)質(zhì)煤。然而陸地上鈾的儲藏量并不豐富，且分布極不均勻。只有少數(shù)國家擁有有限的鈾礦，全世界較適于開采的只有100萬噸，加上低品位鈾礦及其副產(chǎn)鈾化物，總量也不超過500萬噸，按目前的消耗量，只夠開采幾十年。而在巨大的海水水體中，卻含有豐富的鈾礦資源。據(jù)估計，海水中溶解的鈾的數(shù)量可達(dá)45億噸，相當(dāng)于陸地總儲量的幾千倍。如果能將海水中的鈾全部提取出來，所含的裂變能可保證人類幾萬年的能源需要。不過，海水中含鈾的濃度很低，1000噸海水只含有3克鈾。只有先把鈾從海水中提取出來，才能應(yīng)用。而要從海水中提取鈾，從技術(shù)上講是件十分困難的事情，需要處理大量海水，技術(shù)工藝十分復(fù)雜。但是，人們已經(jīng)試驗了很多種海水提鈾的辦法，如吸附法、共沉法、氣泡分離法以及藻類生物濃縮法等。

　　60年代起，日本、英國、聯(lián)邦德國等先后著手研究從海水中提取鈾，并且逐漸建立了從海水中提取鈾的多種方法。其中，以水合氧化鈦吸附劑為基礎(chǔ)的無機吸附方法的研究進展最快。目前，評估海水提鈾可行性的依據(jù)之一是一種采用高分子粘合劑和水合氧化鉆制成的復(fù)合型鈦吸附劑?，F(xiàn)在海水提鈾已從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向開發(fā)應(yīng)用研究的階段。日本已建成年產(chǎn)10千克鈾的中試工廠，一些沿海國家也計劃建造百噸級甚至千噸級工業(yè)規(guī)模的海水提鈾廠。

　　氘和氚都是氫的同位素。它們的原子核可以在一定的條件下，互相碰撞聚合成較重的原子核--氦核，同時釋放巨大的核能。一個碳原子完全燃燒生成二氧化碳時，只放出4電子伏特的能量，而氘-氚反應(yīng)時能放出1780萬電子伏特的能量。據(jù)計算，1公斤氫/燃料，至少可以抵得上4公斤鈾燃料或l萬噸優(yōu)質(zhì)煤燃料。

　　每升海水中含有0.03克氘。這0.03克氘聚變時釋放出采的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。海水的總體積為13．7億立方公里，共含有幾億億公斤的氘。這些氘的聚變所釋放出的能量，足以保證人類上百億年的能源消耗。而且氘的提取方法簡便，成本較低，核聚變堆的運行也是十分安全的。因此，以海水中的氘、氚的核聚變能解決人類未來的能源需要‘將展示出最好的前景。

　　氘-氚的核聚變反應(yīng)，需要在上千萬度乃至上億度的高溫條件下進行。這樣的反應(yīng)，已經(jīng)在氫彈上得以實現(xiàn)。用于生產(chǎn)目的的受控?zé)岷司圩冊诩夹g(shù)上還有許多難題。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，這些難題正在逐步解決的。

　　1991年11月9日，由l4個歐洲國家合資，在歐洲聯(lián)合環(huán)型核裂變裝置上，成功地進行了首次氘-氚受控核聚變試驗，發(fā)出了1．8兆瓦電力的聚變能量，持續(xù)時間為2秒，溫度高達(dá)3億度，比太陽內(nèi)部的溫度還高20倍。核聚變比核裂變產(chǎn)生的能量效應(yīng)要高600倍，比煤高1000萬倍。因此，科學(xué)家們認(rèn)為，氘-氚受控核聚變的試驗成功，是人類開發(fā)新能源的一個里程碑。在下個世紀(jì)，核聚變技術(shù)和海洋氘、氚提取技術(shù)將會有重大突破。這兩項技術(shù)的發(fā)展和不斷的成熟，將對人類社會的進步產(chǎn)生重大的影響。

　　另外，“能源金屬”鋰是用于制造氫彈的重要原料。海洋中每升海水含鋰15～20毫克，海水中鋰總儲量約為2．5×1011噸。隨著受控核聚變技術(shù)的發(fā)展，同位素鋰6聚變釋放的巨大能量最終將和平服務(wù)于人類。鋰還是理想的電池原料，含鋰的鋁鎳合金在航天工業(yè)中占有重要位置。此外，鋰在化工、玻璃、電子、陶瓷等領(lǐng)域的應(yīng)用也有較大發(fā)展。因此，全世界對鋰的需求量正以每年7%～11%速度增加。目前，主要是采用蒸發(fā)結(jié)晶法、沉淀法、溶劑萃取法及離子交換法從鹵水中提取鋰。

　　重水也是原子能反應(yīng)堆的減速劑和傳熱介質(zhì)，也是制造氫彈的原料，海水中含有2×1014噸重水，如果人類一直致力的受控?zé)岷司圩兊难芯康靡越鉀Q，從海水中大規(guī)模提取重水一旦實現(xiàn)，海洋就能為人類提供取之不盡、用之不竭的能源。

月球核能

　　早在20世紀(jì)60年代末和70年代初，美國阿波羅飛船登月時，6次帶回368.194千克的月球巖石和塵埃?？茖W(xué)家將月球塵埃加熱到3000華氏度時，發(fā)現(xiàn)有氦等物質(zhì)。經(jīng)進一步分析鑒定，月球上存在大量的氦-3?？茖W(xué)家在進行了大量研究后認(rèn)為，采用氦-3的聚變來發(fā)電，會更加安全。

　　有關(guān)專家認(rèn)為，氦-3在地球上特別少，但是月球上很多，光是氦-3就可以為地球開發(fā)1萬-5萬年用的核電。地球上的氦-3總量僅有10-15噸，可謂奇缺。但是，科學(xué)家在分析了從月球上帶回來的月壤樣品后估算，在上億年的時間里，月球保存著大約5億噸氦-3，如果供人類作為替代能源使用，足以使用上千年。

安全核能

　　當(dāng)今，全世界幾乎16%的電能是由441座核反應(yīng)堆生產(chǎn)的，而其中有9個國家的40%多的能源生產(chǎn)來自核能。在這一領(lǐng)域，國際原子能機構(gòu)作為隸屬聯(lián)合國大家庭的一個國際機構(gòu)，對和平利用、開發(fā)原子能的活動積極加以扶持，并且為核安全和環(huán)保確立了相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　國際原子能機構(gòu)的作用相當(dāng)于一個在核領(lǐng)域進行科技合作的政府間中心論壇。作為一個協(xié)調(diào)中心，該機構(gòu)的設(shè)立便于在核安全領(lǐng)域交換信息、制訂方針和規(guī)范以及應(yīng)有關(guān)政府之要求提供如何加強核反應(yīng)堆安全和避免核事故風(fēng)險的方法。國際原子能機構(gòu)還在旨在確保核技術(shù)的運用以求可持續(xù)發(fā)展的國際努力中扮演重要作用。

　　隨著各國的核能計劃增多，公眾日益關(guān)注核安全問題，國際原子能機構(gòu)在核安全領(lǐng)域的職責(zé)也擴大了。為此，國際原子能機構(gòu)制訂了輻射防護基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，并就特定的業(yè)務(wù)類型頒布了有關(guān)條例和業(yè)務(wù)守則，其中包括安全運送放射性材料方面的條例和業(yè)務(wù)守則。依據(jù)《核事故或輻射緊急援助公約》和《及早通報核事故公約》，一旦發(fā)生放射性事故，國際原子能機構(gòu)會立即采取行動，確保向成員國提供緊急援助。

　　國際原子能機構(gòu)還對其他幾個核安全方面的國際條約擔(dān)負(fù)著保存任務(wù)。這些國際條約包括：《核材料實物保護公約》，《維也納核損害民事責(zé)任公約》，《核安全公約》以及《廢燃料管理安全和放射性廢物管理安全聯(lián)合公約》。最后一個公約是針對核安全問題的第一個國際性的法律文書。

　　國際原子能機構(gòu)就各成員國實施原子能計劃提供援助和咨詢意見，并且積極推動各國就科技信息進行交流。該機構(gòu)還幫助各國政府在水、衛(wèi)生、營養(yǎng)及藥物和食品生產(chǎn)等領(lǐng)域和平利用原子能。這方面一個突出的例子是利用核輻射技術(shù)所開展的突變育種工作。通過這一工作，將近2000個新的優(yōu)良作物品種業(yè)已開發(fā)成功。

　　當(dāng)前，圍繞能源選擇的問題爭論不休。這場爭論的起因是國際社會試圖控制二氧化碳向大氣層的排放，因為二氧化碳進入大氣層導(dǎo)致了全球升溫。國際原子能機構(gòu)強調(diào)核能的種種好處，認(rèn)為作為一種重要的能源來源，核能不存在溫室氣體和其他有毒氣體排放的問題。

　　通過其設(shè)在維也納的國際核信息系統(tǒng)，國際原子能機構(gòu)對幾乎所有核科學(xué)和技術(shù)方面的信息進行收集和傳播。國際原子能機構(gòu)還與聯(lián)合國教育、科學(xué)及文化組織合作，在意大利東北部城市的里雅斯特設(shè)立了國際理論物理中心。該中心擁有三個實驗室，開展原子能基礎(chǔ)應(yīng)用方面的研究。國際原子能機構(gòu)還與聯(lián)合國糧農(nóng)組織合作，開展原子能應(yīng)用于糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究。該機構(gòu)還與世界衛(wèi)生組織合作，開展核輻射應(yīng)用于醫(yī)藥和生物學(xué)領(lǐng)域的研究。此外，國際原子能機構(gòu)在摩納哥還設(shè)有海洋環(huán)境實驗室。該實驗室得到了聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和教育、科學(xué)及文化組織的協(xié)助，共同對全球海洋環(huán)境污染的情況進行研究。

 核能知識

　　原子及原子核

　　世界上的一切物質(zhì)都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。原子核包括質(zhì)子和中子，質(zhì)子數(shù)決定了該原子屬于何種元素，原子的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。如一個鈾-235原子是由原子核（由92個質(zhì)子和143個中子組成）和92個電子構(gòu)成的。如果把原子看作是我們生活的地球，那么原子核就相當(dāng)于一個乒乓球的大小。雖然原子核的體積很小，但在一定條件下它卻能釋放出驚人的能量。

　　同位素

　　質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同或者說原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量數(shù)不同的一些原子被稱為同位素，它們在化學(xué)元素周期表上占據(jù)同一個位置。簡單的說同位素就是指某個元素的各種原子，它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)。按質(zhì)量不同通?？梢苑譃橹赝凰睾洼p同位素。

　　鈾同位素

　　鈾是自然界中原子序數(shù)最大的元素。天然鈾的同位素主要是鈾-238和鈾-235，它們所占的比例分別為99.3%和0.7%。除此之外，自然界中還有微量的鈾-234。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。

　　獲取途徑

　　核能，是核裂變能的簡稱。50多年以前，科學(xué)家在的一次試驗中發(fā)現(xiàn)鈾-235原子核在吸收一個中子以后能分裂，在放出2—3個中子的同時伴隨著一種巨大的能量，這種能量比化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量大的多，這就是我們今天所說的核能。核能的獲得途徑主要有兩種，即重核裂變與輕核聚變。核聚變要比核裂變釋放出更多的能量。例如相同數(shù)量的氘和鈾-235分別進行聚變和裂變，前者所釋放的能量約為后者的三倍多。被人們所熟悉的原子彈、核電站、核反應(yīng)堆等等都利用了核裂變的原理。只是實現(xiàn)核聚變的條件要求的較高，即需要使氫核處于6000度以上的高溫才能使相當(dāng)?shù)暮司哂袆幽軐崿F(xiàn)聚合反應(yīng)。

　　重核裂變

　　重核裂變是指一個重原子核，分裂成兩個或多個中等原子量的原子核，引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而釋放出巨大的能量。例如，當(dāng)用一個中子轟擊U-235的原子核時，它就會分裂成兩個質(zhì)量較小的原子核，同時產(chǎn)生2—3個中子和β、γ等射線，并釋放出約200兆電子伏特的能量。如果再有一個新產(chǎn)生的中子去轟擊另一個鈾-235原子核，便引起新的裂變，以此類推，裂變反應(yīng)不斷地持續(xù)下去，從而形成了裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，與此同時，核能也連續(xù)不斷地釋放出來。

　　輕核聚變

　　所謂輕核聚變是指在高溫下(幾百萬度以上)兩個質(zhì)量較小的原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的新核并放出大量能量的過程，也稱熱核反應(yīng)。它是取得核能的重要途徑之一。由于原子核間有很強的靜電排斥力，因此在一般的溫度和壓力下，很難發(fā)生聚變反應(yīng)。而在太陽等恒星內(nèi)部，壓力和溫度都極高，所以就使得輕核有了足夠的動能克服靜電斥力而發(fā)生持續(xù)的聚變。自持的核聚變反應(yīng)必須在極高的壓力和溫度下進行，故稱為“熱核聚變反應(yīng)”。

　　氫彈是利用氘、氚原子核的聚變反應(yīng)瞬間釋放巨大能量這一原理制成的，但它釋放能量有著不可控性，所以有時造成了極大的殺傷破壞作用。目前正在研制的“受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置”也是應(yīng)用了輕核聚變原理，由于這種熱核反應(yīng)是人工控制的，因此可用作能源。

　　聚變應(yīng)用

　　1．可控核聚變的發(fā)生條件

　　產(chǎn)生可控核聚變需要的條件非?？量獭Ｎ覀兊奶柧褪强亢司圩兎磻?yīng)來給太陽系帶來光和熱，其中心溫度達(dá)到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應(yīng)，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲]有一種固體物質(zhì)能夠承受，只能靠強大的磁場來約束。此外這么高的溫度，核反應(yīng)點火也成為問題。不過在2010年2月6日，美國利用高能激光實現(xiàn)核聚變點火所需條件。中國也有“神光2”將為我國的核聚變進行點火。

　　2．核聚變的反應(yīng)裝置

　　目前，可行性較大的可控核聚變反應(yīng)裝置就是托卡馬克裝置。

　　托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。它的名字Tokamak來源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。托卡馬克的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。

　　新能源

　　目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍處于絕對優(yōu)勢，但此種能源不僅燃燒利用率低，而且污染環(huán)境，它燃燒所釋放出來的二氧化碳等有害氣體容易造成“溫室效應(yīng)”，使地球氣溫逐年升高，造成氣候異常，加速土地沙漠化過程，給社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)重影響。與火電廠相比，核電站是非常清潔的能源，不排放這些有害物質(zhì)也不會造成“溫室效應(yīng)”，因此能大大改善環(huán)境質(zhì)量，保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。

　　世界上核電國家的多年統(tǒng)計資料表明，雖然核電站的投資高于燃煤電廠，但是，由于核燃料成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于燃煤成本，相反核燃料反應(yīng)所釋放的能量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石燃料燃燒所釋放出來的能量，而且核燃料取之不盡，這就使得目前核電站的總發(fā)電成本低于燒煤電廠。

　　持續(xù)發(fā)展

　　據(jù)估計，在世界上核裂變的主要燃料鈾和釷的儲量分別約為490萬噸和275萬噸。這些裂變?nèi)剂献憧梢杂玫骄圩兡軙r代。輕核聚變的燃料是氘和鋰，1升海水能提取30毫克氘，在聚變反應(yīng)中能產(chǎn)生約等于300升汽油的能量，即“1升海水約等于300升汽油”，地球上海水中有40多萬億噸氘，足夠人類使用百億年。地球上的鋰儲量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時代使用。況且以目前世界能源消費的水平來計算，地球上能夠用于核聚變的氘和氚的數(shù)量，可供人類使用上千億年。因此，有關(guān)能源專家認(rèn)為，如果解決了核聚變技術(shù)，那么人類將能從根本上解決能源問題。

　　1．核工業(yè)的主要業(yè)務(wù)范圍

　　核工業(yè)的主要業(yè)務(wù)范圍包括：鈾礦勘探、鈾礦開采與鈾的提取、燃料元件制造、鈾同位素分離、反應(yīng)堆發(fā)電、乏燃料后處理、同位素應(yīng)用以及與核工業(yè)相關(guān)的建筑安裝、儀器儀表、設(shè)備制造與加工、安全防護及環(huán)境保護。

　　2．核燃料循環(huán)及其組成

　　核燃料循環(huán)是指核燃料的獲得、使用、處理、回收利用的全過程。它是核工業(yè)體系中的重要組成部分。核燃料循環(huán)通常分為前端和后端兩部分，前端包括鈾礦勘探、鈾礦開采、礦石加工（包括選礦、浸出、提取和沉淀等工序）、精制、轉(zhuǎn)化、濃縮、元件制造等；后端包括對反應(yīng)堆輻照以后的乏燃料元件進行鈾钚分離的后處理以及對放射性廢物進行處理、貯存和處置。

　　3．鈾礦地質(zhì)勘探

　　鈾是核工業(yè)最基本的原料。鈾礦地質(zhì)勘探的目的是查明和研究鈾礦床形成的地質(zhì)條件，總結(jié)出鈾礦床在時間上和空間上的分布規(guī)律，并用此規(guī)律指導(dǎo)普查勘探，探明地下的鈾礦資源。普查勘探工作的程序為區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、普查和詳查、揭露評價、勘探等，同時還要求工作人員進行地形測量、地質(zhì)填圖、原始資料編錄等-系列的基礎(chǔ)地質(zhì)工作。

　　分散在地殼中的鈾元素在各種地質(zhì)作用下不斷集中，最終形成了鈾礦物的堆積物，即鈾礦床。了解鈾礦床的形成過程，對鈾礦普查勘探具有十分重要的指導(dǎo)意義。并不是所有的鈾礦床都有開采、進行工業(yè)利用價值的。據(jù)統(tǒng)計，在已發(fā)現(xiàn)的170多種鈾礦床及含鈾礦物中，具有實際開采價值只有14～18%。影響鈾礦床工業(yè)的兩個主要因素是礦石品位和礦床儲量。此外，評價的因素還有礦石技術(shù)加工性能、礦床開采條件，有用元素綜合利用的可能性和交通運輸條件等。

　　4．鈾礦開采

　　生產(chǎn)鈾的第一步是鈾礦開采。其任務(wù)是從地下礦床中開采出工業(yè)品位的鈾礦石，或?qū)⑩櫧?jīng)化學(xué)溶浸，生產(chǎn)出液體鈾化合物。由于鈾礦有放射性，所以鈾礦開采其特殊方法。常用的主要有三種：露天開采、地下開采和原地浸出。露天開采一般用于埋藏較淺的礦體，方法剝離表土和覆蓋巖石，使礦石出露，然后進行采礦。地下開采一般用于埋藏較深的礦體，此種方法的工藝過程比較復(fù)雜。與以上兩種法方法相比，原地浸出采鈾具有生產(chǎn)成本低，勞動強度小等優(yōu)點，但其應(yīng)用有一定的局限性，僅適用于具有一定地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的礦床。其方法是通過地表鉆孔將化學(xué)反應(yīng)劑注入礦帶，通過化學(xué)反應(yīng)選擇性地溶解礦石中的有用成分--鈾，并將浸出液提取出地表，而不使礦石繞圍巖產(chǎn)生位移。

　　5.鈾礦石的加工

　　鈾礦石加工的目的是將開采出來的具有工業(yè)品位或經(jīng)放射性選礦的礦加工富集，使其成為含鈾較高的中間產(chǎn)品，即通常所說的鈾化學(xué)濃縮物。將此種鈾化學(xué)濃縮物精制，進一步加工成易于氫氟化的鈾氧化物作為下一步工序的原料。

　　鈾礦石加工的主要步驟包括：礦石品位、磨礦、礦石浸出，母液分離、溶液純化、沉淀等工序。

　　為了便于浸出，礦石被開采出來后，必須將其破碎磨細(xì)，使鈾礦物充分暴露。然后采用一定的工藝，借助一些化學(xué)試劑（即浸出劑）或其它手段將礦石中有價值的組分選擇性地溶解出來。浸出方法有兩種：酸法和堿法。由于浸出液中鈾含量低，而且雜質(zhì)種類多，含量高，所以必須將雜質(zhì)去除才能確保鈾的純度。實現(xiàn)這一過程，可以選擇以下兩種方法：離子交換法（又稱吸附法）和溶劑萃取法。水冶生產(chǎn)的最后一道工序是將沉淀物洗滌、壓濾、干燥，然后得到水冶產(chǎn)品鈾化學(xué)濃縮物，又稱黃餅。

　　6．鈾的濃縮

　　為了提高鈾-235濃度所進行的鈾同位素的分離處理稱為濃縮。通過濃縮可以為某些反應(yīng)堆提供鈾-235濃度符合要求的鈾燃料，現(xiàn)今所采用的濃縮方法有氣體擴散法、分離法、激光法、噴嘴法、電磁分離法、化學(xué)分離法等，其中氣體擴散法和離心分離法是現(xiàn)代工業(yè)上普遍采用的濃縮方法。濃縮處理是以六氟化鈾形式進行的。

　　7．核燃料元件

　　經(jīng)過提純或濃縮的鈾，還不能直接用作核燃料。必須經(jīng)過化學(xué)，物理、機械加工等處理后，制成各種不同形狀和品質(zhì)的元件，才能供反應(yīng)堆作為燃料來使用。核燃料元件種類繁多，按組分特征來分，可分為金屬型、陶瓷型和彌散型；按幾何形狀來分，有柱狀、棒狀、環(huán)狀、板狀、條狀、球狀、棱柱狀元件；按反應(yīng)堆來分，可以分為試驗堆元件，生產(chǎn)堆元件，動力堆元件（包括核電站用的核燃料組件）。

　　核燃料元件一般都是由芯體和包殼組成的。由于它長期在強輻射、高溫、高流速甚至高壓的環(huán)境下工作，所以對芯片的綜合性能、包殼材料的結(jié)構(gòu)和使用壽命都有很高的要求?？梢?，核燃料元件制造是一種高科技含量的技術(shù)。

　　8．乏燃料的后處理

　　經(jīng)過輻照的燃料元件，從堆內(nèi)卸出時總是含有一定量未分裂和新生的裂變?nèi)剂?。乏燃料的后處理的目的就是回收這些裂變?nèi)剂先玮?235，鈾-233和钚，利用它們再制造新的燃料元件或用做核武器裝料。此外，回收轉(zhuǎn)換原料（鈾-238，銫-137，鍶-90），提取處理所生成的超鈾元素以及可用作射線源的某些放射性裂變產(chǎn)物（如銫-137，鍶-90等），都有很大的科學(xué)和經(jīng)濟價值。但此項工序放射性強，毒性大，容易發(fā)生臨界事故，所以，在進行乏燃料的后處理時一定要加強安全防護措施。

　　后處理工藝一般分為四個步驟：冷卻與首端處理、化學(xué)分離、通過化學(xué)轉(zhuǎn)化還原出鈾和钚、通過凈化分別制成金屬鈾（或二氧化鈾）及钚（或二氧化钚）。冷卻與首端處理是冷卻將乏燃料組件解體，即脫除元件包殼，溶解燃料芯塊?；瘜W(xué)分離（即凈化與去污過程）是將裂變產(chǎn)物從U-Pu中清除出去，然后用溶劑淬取法將鈾-钚分離并分別以硝酸鈾酰和硝酸钚溶液形式提取出來。

　　9．三廢處理與處置

　　在核工業(yè)生產(chǎn)和科研過程中，會產(chǎn)生一些不同程度放射性的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的廢物，簡稱為“三廢”。在這些廢物中，放射性物質(zhì)的含量雖然很低，危害卻很大。普通的外界條件（如物理、化學(xué)、生物方法）對放射性物質(zhì)基本上不會起作用。因此在放射性廢物處理過程中，除了靠放射性物質(zhì)的衰變使其放射性衰減外，就只能采取多級凈化、去污、壓縮減容、焚燒、固化等措施將放射性物質(zhì)從廢物中分離出來，使?jié)饧派湫晕镔|(zhì)的廢物體積盡量減小，并改變其存在的狀態(tài)，以達(dá)安全處置的目的。這個過程稱為“三廢處理與處置”。

中國核能

　　核電站只需消耗很少的核燃料，就可以產(chǎn)生大量的電能，每千瓦時電能的成本比火電站要低20%以上。核電站還可以大大減少燃料的運輸量。例如，一座100萬千瓦的火電站每年耗煤三四百萬噸，而相同功率的核電站每年僅需鈾燃料三四十噸。核電的另一個優(yōu)勢是干凈、無污染，幾乎是零排放，對于發(fā)展迅速環(huán)境壓力較大的中國來說，再合適不過。2008年1-11月，中國核力發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值22,877，173,000元，比上年同期增長了5.13%；實現(xiàn)累計產(chǎn)品銷售收入22,372，958,000元，比上年同期增長了12.15%；實現(xiàn)累計利潤總額10,548，918,000元，比上年同期增長了78.86%。

　　中國正在加大能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度。積極發(fā)展核電、風(fēng)電、水電等清潔優(yōu)質(zhì)能源已刻不容緩。中國能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主體，清潔優(yōu)質(zhì)能源的比重偏低。

　　中國目前建成和在建的核電站總裝機容量為870萬千瓦，預(yù)計到2010年中國核電裝機容量約為2000萬千瓦，

　　大亞灣核電站(5張)2020年約為4000萬千瓦。到2050年，根據(jù)不同部門的估算，中國核電裝機容量可以分為高中低三種方案：高方案為3.6億千瓦（約占中國電力總裝機容量的30%），中方案為2.4億千瓦（約占中國電力總裝機容量的20%），低方案為1.2億千瓦（約占中國電力總裝機容量的10%）。

　　中國國家發(fā)展改革委員會正在制定中國核電發(fā)展民用工業(yè)規(guī)劃，準(zhǔn)備到2020年中國電力總裝機容量預(yù)計為9億千瓦時，核電的比重將占電力總?cè)萘康?%，即是中國核電在2020年時將為3600-4000萬千瓦。也就是說，到2020年中國將建成40座相當(dāng)于大亞灣那樣的百萬千瓦級的核電站。

　　從核電發(fā)展總趨勢來看，中國核電發(fā)展的技術(shù)路線和戰(zhàn)略路線早已明確并正在執(zhí)行，當(dāng)前發(fā)展壓水堆，中期發(fā)展快中子堆，遠(yuǎn)期發(fā)展聚變堆。具體地說就是，近期發(fā)展熱中子反應(yīng)堆核電站；為了充分利用鈾資源，采用鈾钚循環(huán)的技術(shù)路線，中期發(fā)展快中子增殖反應(yīng)堆核電站；遠(yuǎn)期發(fā)展聚變堆核電站，從而基本上“永遠(yuǎn)”解決能源需求的矛盾。[1]2012年7月，國務(wù)院公布《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出“到2015年，掌握先進核電技術(shù)，提高成套裝備制造能力，實現(xiàn)核電發(fā)展自主化；核電運行裝機達(dá)到4000萬千瓦。包括三代在內(nèi)的核電裝備制造能力穩(wěn)定在1000萬千瓦以上。到2020年，形成具有國際競爭力的百萬千瓦級核電先進技術(shù)開發(fā)、設(shè)計、裝備制造能力”。2012年9月26日中國國家電監(jiān)會透露，截至2011年底，中國已有7個核電站投入運營，總裝機達(dá)到1257萬千瓦，為2002年裝機447萬千瓦的2.8倍。據(jù)統(tǒng)計，目前，中國在建(含擴建)核電站13個，在建裝機容量3397萬千瓦，在建規(guī)模居世界第一。此外，還有一批項目處于前期準(zhǔn)備階段。

反應(yīng)堆

　　要用反應(yīng)堆產(chǎn)生核能，需要解決以下4個問題：

　?、贋楹肆炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)提供必要的條件，使之得以進行。

　　②鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須能由人通過一定裝置進行控制。失去控制的裂變能不僅不能用于發(fā)電，還會釀成災(zāi)害。

　?、哿炎兎磻?yīng)產(chǎn)生的能量要能從反應(yīng)堆中安全取出。

　?、芰炎兎磻?yīng)中產(chǎn)生的中子和放射性物質(zhì)對人體危害很大，必須設(shè)法避免它們對核電站工作人員和附近居民的傷害。

核資源

　　世界上有比較豐富的核資源，核燃料有鈾、釷氘、鋰、硼等等，世界上鈾的儲量約為417萬噸。地球上可供開發(fā)的核燃料資源，可提供的能量是礦石燃料的十多萬倍。核能應(yīng)用作為緩和世界能源危機的一種經(jīng)濟有效的措施有許多的優(yōu)點，其一核燃料具有許多優(yōu)點，如體積小而能量大，核能比化學(xué)能大幾百萬倍；1000克鈾釋放的能量相當(dāng)于2400噸標(biāo)準(zhǔn)煤釋放的能量；一座100萬千瓦的大型燒煤電站，每年需原煤300～400萬噸，運這些煤需要2760列火車，相當(dāng)于每天8列火車，還要運走4000萬噸灰渣。同功率的壓水堆核電站，一年僅耗鈾含量為3%的低濃縮鈾燃料28噸；每一磅鈾的成本，約為20美元，換算成1千瓦發(fā)電經(jīng)費是0．001美元左右，這和目前的傳統(tǒng)發(fā)電成本比較，便宜許多；而且，由于核燃料的運輸量小，所以核電站就可建在最需要的工業(yè)區(qū)附近。核電站的基本建設(shè)投資一般是同等火電站的一倍半到兩倍，不過它的核燃料費用卻要比煤便宜得多，運行維修費用也比火電站少，如果掌握了核聚變反應(yīng)技術(shù)，使用海水作燃料，則更是取之不盡，用之方便。其二是污染少?；痣娬静粩嗟叵虼髿饫锱欧哦趸蚝脱趸扔泻ξ镔|(zhì)，同時煤里的少量鈾、鈦和鐳等放射性物質(zhì)，也會隨著煙塵飄落到火電站的周圍，污染環(huán)境。而核電站設(shè)置了層層屏障，基本上不排放污染環(huán)境的物質(zhì)，就是放射性污染也比燒煤電站少得多。據(jù)統(tǒng)計，核電站正常運行的時候，一年給居民帶來的放射性影響，還不到一次X光透視所受的劑量。其三是安全性強。從第一座核電站建成以來，全世界投入運行的核電站達(dá)400多座，30多年來基本上是安全正常的。雖然有1979年美國三里島壓水堆核電站事故和1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利石墨沸水堆核電站事故，但這兩次事故都是由于人為因素造成的。隨著壓水堆的進一步改進，核電站有可能會變得更加安全。

　　國際原子能機構(gòu)預(yù)測到2030年核動力至少占全部動力的25%。最大的增長可能達(dá)到100%。

開發(fā)價值

　　核能俗稱原子能，它是原子核里的核子——中子或質(zhì)子，重新分配和組合時釋放出來的能量。核能分為兩類：一類叫裂變能，一類叫聚變能。

　　核能有巨大威力。1公斤鈾原子核全部裂變釋放出來的能量，約等于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時所放出的化學(xué)能。一座100萬千瓦的核電站，每年只需25噸至30噸低濃度鈾核燃料，運送這些核燃料只需10輛卡車；而相同功率的煤電站，每年則需要300多萬噸原煤，運輸這些煤炭，要1000列火車。核聚變反應(yīng)釋放的能量則更巨大。據(jù)測算1公斤煤只能使一列火車開動8米；一公斤裂變原料可使一列火車開動4萬公里；而1公斤聚變原料可以使一列火車行駛40萬公里，相當(dāng)于地球到月球的距離。

　　地球上蘊藏著數(shù)量可觀的鈾、釷等裂變資源，如果把它們的裂變能充分利用，可以滿足人類上千年的能源需求。在大海里，還蘊藏著不少于20萬億噸核聚變資源——氫的同位元素氘，如果可控核聚變在21世紀(jì)前期變?yōu)楝F(xiàn)實，這些氘的聚變能將可頂幾萬億億噸煤，能滿足人類百億年的能源需求。更可貴的是核聚變反應(yīng)中幾乎不存在反射性污染。聚變能稱得上是未來的理想能源。因此，人類已把解決資源問題的希望，寄托在核能這個能源世界未來的巨人身上了

　　注：核能為不可再生能源！核能為清潔能源！