新世紀(jì)的物理學(xué)如何應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境問題(Ⅱ)核能篇

作者簡介：周善貴，中國科學(xué)院理論物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師。兼任中國科學(xué)院理論物理所學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、中國核物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國核物理學(xué)會(huì)核結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)副主任。1992年7月畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；1995年7月畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系，獲理學(xué)碩士學(xué)位；1998年7月畢業(yè)于北京大學(xué)技術(shù)物理系，獲理學(xué)博士學(xué)位；2002年1月至2003年12月在德國海德堡馬普核物理研究所做博士后。1998年7月至2004年4月在北京大學(xué)技術(shù)物理系工作，2004年5月至今在中國科學(xué)院理論物理研究所工作，主要從事原子核理論和量子多體理論方法研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，被引用700多次。

何為核能

質(zhì)能關(guān)系——質(zhì)量即能量；

物質(zhì)轉(zhuǎn)化——能量釋放或吸收；

原子核衰變、裂變和聚變——大量能量的轉(zhuǎn)移。

1905年，愛因斯坦提出了質(zhì)能關(guān)系：E＝mc²，其中c為光速，E為能量，m為質(zhì)量。這個(gè)關(guān)系告訴我們，物質(zhì)和能量是等價(jià)的?；蛘哒f，能量是物質(zhì)存在的一種方式。因此，物質(zhì)在不同形式之間的轉(zhuǎn)換必然伴隨著能量的吸收或釋放。例如，植物生長過程中，吸收太陽能，并通過光合作用將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在體內(nèi)；植物秸桿燃燒成為灰燼和二氧化碳，釋放出化學(xué)能。表面看來，在這些過程中，物質(zhì)形式發(fā)生了很大的變化。但實(shí)際上，這些變化只涉及到物質(zhì)的化合形式的改變，占物質(zhì)絕大部分質(zhì)量的原子核并未改變。

物質(zhì)由原子組成，原子由原子核與繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子組成，原子核由中子和質(zhì)子組成。對(duì)于穩(wěn)定的原子核，其質(zhì)子數(shù)目與核外電子的數(shù)目相等，而中子數(shù)目一般等于或大于質(zhì)子數(shù)。由于質(zhì)子或中子的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的兩千倍，作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)微觀層次，原子核儲(chǔ)存著物質(zhì)世界的絕大部分能量。因而，原子核的變化，伴隨著巨大能量的釋放或吸收。

原子核的變化方式主要有衰變、裂變和聚變。衰變是指不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核或同一種原子核的另一種狀態(tài)。原子核衰變過程中，會(huì)釋放射線和能量。裂變是指一個(gè)原子核分裂為兩個(gè)或更多個(gè)原子核。原子核的裂變分為自發(fā)裂變和誘發(fā)裂變。裂變過程中，一般釋放出中子和大量能量。聚變是指兩個(gè)較輕的原子核在一定條件下融合為一個(gè)較重的原子核。聚變過程是吸收還是釋放能量，取決于發(fā)生聚變的兩個(gè)原子核的種類。

目前，人類已經(jīng)成功并大量應(yīng)用原子核的誘發(fā)裂變能。常用的裂變材料是鈾-235，由92個(gè)質(zhì)子和143個(gè)中子組成。當(dāng)中子撞擊鈾-235時(shí)，一個(gè)鈾-235吸收一個(gè)中子而裂變?yōu)閮蓚€(gè)較輕的原子核，產(chǎn)生2到3個(gè)中子，同時(shí)釋放能量。新產(chǎn)生的中子會(huì)繼續(xù)引起裂變，產(chǎn)生更多的中子，從而實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，釋放出巨大的能量。如果這些能量在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，即原子彈爆炸，會(huì)產(chǎn)生巨大的危害。為和平利用裂變產(chǎn)生的核能，需要通過受控的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)將核能緩慢地釋放出來，即反應(yīng)堆。

核能與人類社會(huì)的發(fā)展

人類目前面臨能源、環(huán)境與生態(tài)等方面的問題；

核能，是解決這些問題，尤其是能源問題的重要途徑之一。

目前，人類社會(huì)的發(fā)展面臨著很多亟待解決的問題，包括能源問題、環(huán)境問題、生態(tài)問題等。從能源的角度看，“能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是當(dāng)今國際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、外交關(guān)注的焦點(diǎn)?！庇捎谑?、煤炭等化石能源日漸枯竭，而新的能源體系尚未建立，這將對(duì)交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)、國防等方面的發(fā)展造成一系列問題。同時(shí)，這些傳統(tǒng)能源的大量使用，不可避免地會(huì)對(duì)人類生存的環(huán)境和生態(tài)造成嚴(yán)重的破壞。例如，“燃燒化石燃料向大氣排放大量的‘溫室氣體二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物，并排放大量的煙塵，這些有害的物質(zhì)對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞?！?/p>

何祚庥先生曾強(qiáng)調(diào)，“物理學(xué)的發(fā)展從來都是為能源問題開辟新道路，尋求新方向”?！艾F(xiàn)在世界石油資源面臨枯竭，煤和天然氣呈現(xiàn)短缺，將出現(xiàn)世界性的能源危機(jī)。我國去年遭遇嚴(yán)重雪災(zāi)，為中國未來可能出現(xiàn)的能源危機(jī)，提前發(fā)布了‘警報(bào)!我國再不能僅依靠‘節(jié)能減排來緩解能源的緊張，而是必須大力調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。用新能源，用‘核能+可再生能源，取代煤、石油、天然氣等化石能源。”

上個(gè)世紀(jì)，核能的利用和發(fā)展對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響。當(dāng)前，面對(duì)能源、環(huán)境和生態(tài)等方面的困境，核能仍然是解決這些問題，尤其是能源問題的重要途徑之一。首先，原子核儲(chǔ)存著宇宙間可以釋放的絕大部分能量。1千克鈾－235裂變釋放出的能量，相當(dāng)于2735噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。其次，核能同風(fēng)能、水能、太陽能等一樣，不產(chǎn)生有害環(huán)境的二氧化碳等溫室氣體。第三，同其他能源相比，核能是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用、可以大規(guī)模替代化石燃料的能源。以發(fā)電量統(tǒng)計(jì)，2006年，核能提供了全球16％的電力。而據(jù)國際能源組織預(yù)測，即使持續(xù)地加大投入，到2030年，風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿葷崈裟茉匆矁H能提供全球所需電力的6％。

核能的發(fā)展現(xiàn)狀

世界上第一座商用核電站于上世紀(jì)50年代啟用；

目前世界上有四百多座核電站正在運(yùn)行，提供總發(fā)電量的16％；

2007年，法國的核電比例最高，占總發(fā)電量的76.9％；

2007年，我國大陸核電只占總發(fā)電量的1.9％，臺(tái)灣為19.3％；

我國需要培養(yǎng)大量的核物理人才。

1942年12月2日，恩里科·費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)幾十位科學(xué)家，在美國芝加哥大學(xué)成功啟動(dòng)了世界上第一座核反應(yīng)堆，功率僅為0.5瓦。從此，人類進(jìn)入了利用核能的時(shí)代。但在此后的若干年內(nèi)，核能利用僅限于軍事應(yīng)用，對(duì)世界局勢帶來了巨大影響。到了上個(gè)世紀(jì)50年代，人類開始和平利用核能。1954年，蘇聯(lián)建成了世界上第一座小型的核能發(fā)電站。此后，世界上很多國家開始建造反應(yīng)堆，掀起了和平利用核能的高潮。

根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，當(dāng)前全世界正在運(yùn)行的核電站有439個(gè)。2006年，核能已占全世界一次能源消耗的5.8％，核電總裝機(jī)容量為370,000兆瓦，生產(chǎn)電力占全球總發(fā)電量的16％。2007年，核電占本國總發(fā)電量比例最高的國家是法國，為76.9％，其次是立陶宛，達(dá)到64.4％，斯洛伐克和比利時(shí)也超過了50％。蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生事故后，意大利在1987年經(jīng)過公民投票，決定關(guān)閉、停止所有的核電站及其活動(dòng)。目前，意大利是世界八大工業(yè)國中唯一不擁有核電的國家，也是歐盟國家中少數(shù)幾個(gè)不擁有核電的國家之一。今年，意大利經(jīng)濟(jì)發(fā)展部長克勞迪奧斯卡約拉宣布，由于核電具有“成本競爭力”，可以減少對(duì)化石燃料進(jìn)口的依賴，而且它可以對(duì)氣候變化引起的挑戰(zhàn)做出重大貢獻(xiàn)，意大利將在2013年前開始建設(shè)新的核電站。

改革開放前，我國核電發(fā)展長期處于探索階段，先后組織開發(fā)了高溫氣冷堆、熔鹽堆、壓水

堆、釷增殖堆等技術(shù)，但一直未能實(shí)現(xiàn)突破。1978年12月4日，鄧小平在會(huì)見法國外貿(mào)部長弗朗索瓦后宣布：“中國決定向法國購買兩座核電站設(shè)備”。1982年，經(jīng)過反復(fù)論證，國務(wù)院批準(zhǔn)建設(shè)廣東大亞灣核電站。大亞灣核電站從1987年開工建設(shè)，1994年建成投入商業(yè)運(yùn)行。目前，我國共有11座核電站正在運(yùn)行，9座核電站在建設(shè)中。200 6年，我國核能占一次能源的比重僅0.7％。2007年，我國大陸核電只占總發(fā)電量的1.9％，臺(tái)灣為19.3％。何祚庥先生強(qiáng)調(diào)，顯然需要大力拓展核能。

按2007年11月國務(wù)院批準(zhǔn)并公布的《國家核電發(fā)展專題規(guī)劃(2005－2020年)》，預(yù)計(jì)到2020年，我國將建設(shè)30多座核電站，期望達(dá)到4000萬千瓦～4800萬千瓦的容量，核電比重將提高到4％。研制“兩彈一星”時(shí)我國很重視核科學(xué)，后來學(xué)科慢慢萎縮，很多高校都取消了相關(guān)專業(yè)，因此我國現(xiàn)在人才短缺。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅核電工業(yè)每年需要約4000名本科以上在校學(xué)生，而目前在校生尚不足1000人。據(jù)日本核物理學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，日本有900多名核物理學(xué)家，而我國可能只有日本的一半左右。在投人上，日本也是我國的10倍或更多。如2007年開始運(yùn)行的日本理化學(xué)研究所的放射性核束工廠，僅一期就耗資約4億美元。隨著需求的增加，核科學(xué)人才培養(yǎng)重現(xiàn)生機(jī)。到2007年，我國已建立20多個(gè)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院；同時(shí)，我國唯一的國家核物理理科人才培養(yǎng)基地在北京大學(xué)建立；我國第一個(gè)核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在北京大學(xué)籌建；2009年新年伊始，中國科大也宣布成立核科學(xué)技術(shù)學(xué)院。

核能的未來

核能利用的弊端——核燃料儲(chǔ)量有限，產(chǎn)生大量的核廢料；

快堆——提高天然鈾的利用率，新型核燃料——釷－232，潔凈核能系統(tǒng)；

聚變能——ITER(國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆)，衰變能——長壽命同核并能態(tài)。

目前，核能利用也存在一些嚴(yán)重問題，主要有10個(gè)方面：(1)資源利用率低。工業(yè)應(yīng)用的是熱中子反應(yīng)堆核電站，雖然其發(fā)電成本低于煤電，但它以鈾－235為燃料，天然鈾中占99.3％的鈾一238無法利用。(2)燃燒后的燃料中除鈾235及钚－239外，剩余的高放射性廢液含大量“少數(shù)錒系核素”及“裂變產(chǎn)物核素”，其中有一些半衰期長達(dá)百萬年以上，成為危害生物圈的潛在因素，其最終處理技術(shù)尚未完全解決。在我國，天然鈾資源短缺的問題尤為突出?！鞍ㄎ磥砜赡芴矫骱涂赡苓M(jìn)口的優(yōu)質(zhì)天然鈾資源，僅能支撐約6000萬千瓦的各類熱中子堆發(fā)電站——包括壓水堆、重水堆、高溫氣冷堆、熔鹽堆等先進(jìn)核反應(yīng)堆——運(yùn)行40年!也許還能發(fā)現(xiàn)某些低品位的鈾礦床，仍要用來支持各種熱中子堆發(fā)電站的持續(xù)發(fā)展。所以，我國核電站的限額是6000萬千瓦!”

針對(duì)上述問題，目前已有一些解決方案。利用快中子增殖堆可以使天然鈾中的鈾一238轉(zhuǎn)化為钚－239，成為裂變?nèi)剂?。用钚?39或鈾－235裝料啟動(dòng)運(yùn)行數(shù)十年后，此系統(tǒng)可以靠鈾－238達(dá)到“自持”，鈾資源利用率可提高60～70倍。這將有利于資源的利用。我國已在原子能科學(xué)研究院投入26億元，預(yù)期將在2009年，建成快中子堆試驗(yàn)電站，年發(fā)電25萬千瓦。我國還和俄羅斯洽談進(jìn)口快中子堆核電裝置，以加速快中子堆核電站的進(jìn)程，預(yù)期將在2035年，也有可能在2030年走向商業(yè)化。此外，充分利用豐富的釷資源，借助中子俘獲，將釷－232轉(zhuǎn)換為鈾－233，進(jìn)而利用鈾－233這種裂變?nèi)剂祥_發(fā)核能，也是緩解鈾資源不足的有效方案。

目前，世界核科技界正在大力研究放射性“潔凈”的核能系統(tǒng)。最有可能實(shí)現(xiàn)的“潔凈”核能系統(tǒng)是加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)(Acceleralor Driven Sub-critical System，簡稱ADS)。ADS是利用加速器加速得到的高能質(zhì)子與重靶核(如鉛)發(fā)生散裂反應(yīng)，一個(gè)質(zhì)子引起的散裂反應(yīng)可產(chǎn)生幾十個(gè)中子，用散裂產(chǎn)生的中子作為中子源來驅(qū)動(dòng)次臨界包層系統(tǒng)，使次臨界包層系統(tǒng)維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，以便得到能量，并利剛多余的中子增殖核材料和嬗變核廢物。ADS可將危害環(huán)境的長壽命核廢物嬗變?yōu)槎虊勖暮藦U物，這樣可以降低放射性廢物的儲(chǔ)量及其毒性。

人類已經(jīng)廣泛開發(fā)利用裂變能。但為宇宙間包括太陽在內(nèi)的所有恒星提供能量來源的聚變能的開發(fā)則需要?dú)v經(jīng)長期的、非常艱苦的過程?！霸谒械暮司圩兎磻?yīng)中，氫的同位素——氘和氚的核聚變反應(yīng)(即氫彈中的聚變反應(yīng))是相列比較易于實(shí)現(xiàn)的。氘氚核聚變反應(yīng)也可以釋放巨大能量。氘在海水中儲(chǔ)量極為豐富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300公升汽油的能量；氚可在反應(yīng)堆中通過鋰再生，而鋰在地殼和海水中都大量存在。氘氚反應(yīng)的產(chǎn)物沒有放射性，中子對(duì)堆結(jié)構(gòu)材料的活化也只產(chǎn)生少量較容易處理的短壽命放射性物質(zhì)。聚變反應(yīng)堆不產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，不釋放溫室效應(yīng)氣體。再考慮到聚變堆的固有安全性，可以說，聚變能是無污染、無長壽命放射性核廢料、資源無限的理想能源。受控?zé)岷司圩兡艿拇笠?guī)模實(shí)現(xiàn)將從根本上解決人類社會(huì)的能源問題?！比祟愐呀?jīng)邁出了受控聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步——開始了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃。ITER計(jì)劃是目前世界上僅次于國際空間站的又一個(gè)國際大科學(xué)工程計(jì)劃。這一計(jì)劃將集成當(dāng)今國際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)和技術(shù)成果，首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)室，將研究解決大量的技術(shù)難題。

作為儲(chǔ)存能量的一種方式，原子核的同核異能態(tài)也受到了越來越多的關(guān)注。自然界中存在很多壽命長至幾天、幾年甚至幾十年的同核異能素。這些同核異能素可能具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。同核異能素儲(chǔ)存的能量為該態(tài)的激發(fā)能，從每個(gè)原子核幾十干電子伏到幾個(gè)兆電子伏或更高。如果同核異能素可以在受控觸發(fā)下衰變，我們就可以按需釋放它們已儲(chǔ)存的能量。因此，核的同核異能態(tài)是一種潛在的能源，它的有效利用將至少在以下幾方面產(chǎn)生重大的戰(zhàn)略意義：(1)由于衰變產(chǎn)物一般不再有放射性，因此，這是一種新型、潔凈的核能源；(2)發(fā)展小型、高強(qiáng)度的新型核武器；(3)產(chǎn)生伽馬射線激光。然而，真正實(shí)現(xiàn)同核異能素的可控衰變是相當(dāng)困難的。目前，一些國家已經(jīng)在這方面投入了一定的人力物力進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究。

小結(jié)

核能是物理學(xué)的傳統(tǒng)領(lǐng)域；

物理學(xué)應(yīng)在ET(能源和環(huán)境)發(fā)展中大有可為。

進(jìn)入21世紀(jì)，人類面臨的ET方面的挑戰(zhàn)愈來愈烈。國際能源組織發(fā)布的《2006年世界能源展望》報(bào)告對(duì)到2030年為止全球的能源需求形勢進(jìn)行全面評(píng)估。報(bào)告指出，人類正在面臨一個(gè)難以協(xié)調(diào)的矛盾：一方面，人類對(duì)能源的需求持續(xù)增長；另一方面，人類必須盡快采取行動(dòng)遏制溫室氣體排放量的增加，以防止地球變暖給環(huán)境造成巨大傷害。

“物理學(xué)的發(fā)展從來都強(qiáng)烈地影響著能源的發(fā)展?！焙四艿睦煤瓦M(jìn)一步開發(fā)將有助于解決人類面臨的能源、環(huán)境、生態(tài)乃至經(jīng)濟(jì)等方面的困境。物理學(xué)應(yīng)該也能夠在ET發(fā)展中大有作為。

(欄目編輯廖伯琴)