原子能及其和平利用

韓延福

摘 要：原子能也稱(chēng)核能，是通過(guò)核反應(yīng)從原子核中釋放的能量，符合阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2。原子能除了能運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域同樣可以大顯身手。比較直接的使用方法有發(fā)電、直接供大型機(jī)械裝置使用、生產(chǎn)放射性同位素三種。

關(guān)鍵詞：原子能 E=mc2 核電 和平利用 放射性同位素

中圖分類(lèi)號(hào)：D815 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）11-0-01

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原子能已經(jīng)不再是軍用領(lǐng)域、高端科技的專(zhuān)利，自1951年加利福尼亞州海邊希平港建成世界上第一座試驗(yàn)性核電站至今，核電作為新型的能源在迅速地發(fā)展。除了發(fā)電，原子能同樣可以用作大型機(jī)械的動(dòng)力來(lái)源，如核動(dòng)力破冰船。此外，產(chǎn)生原子能的反應(yīng)堆同時(shí)可以生產(chǎn)元素同位素應(yīng)用于醫(yī)用領(lǐng)域。

一、原子能簡(jiǎn)介

原子能是指原子核里的核子——中子或質(zhì)子，重新分配和組合時(shí)釋放出來(lái)的能量，符合阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc?。公式中的E指能量，m指質(zhì)量，c指光速。由于光速十分快，所以?xún)H僅需要一點(diǎn)點(diǎn)的質(zhì)量，就會(huì)產(chǎn)生龐大的能量。原子能目前主要有兩種，聚變能與裂變能。當(dāng)今的核燃料主要是鈾，1公斤鈾原子核全部裂變釋放出來(lái)的能量約等于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)所放出的化學(xué)能。地球上的鈾主要分為鈾-238和鈾-235，占比分別為99.7%和0.3%，鈾的儲(chǔ)量很低，適合開(kāi)采的總量約為100萬(wàn)噸，且分布極不均勻。按照世界上目前的消耗來(lái)看，幾十年就可以消耗完。但是在海洋這個(gè)巨大的寶庫(kù)中，含有極為豐富的鈾資源。據(jù)估算，海洋中含鈾達(dá)45億噸，是陸地總儲(chǔ)量的幾千倍，但是海水中的鈾含量是很低的，1000噸的海水中含有3克鈾，也就是說(shuō)，1千克的鈾，需要處理33萬(wàn)多噸的海水。值得一提是原子能同石油一樣是不可再生能源，它們的不同在于原子能是清潔能源。

二、原子能的和平利用

1.核電

提到原子能，核電站絕對(duì)是人們第一個(gè)想到的和平利用方式。自1954年蘇聯(lián)在莫斯科西南奧布寧克斯建成第一個(gè)核電站以來(lái)，核電成為了人類(lèi)能源來(lái)源的重要組成部分。據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)在2011年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球運(yùn)行中的核電機(jī)組共計(jì)442個(gè)，興建中的核電機(jī)組65個(gè)，核電發(fā)電總量占全球電量的16%。核電占據(jù)法國(guó)發(fā)電總量的80%，是法國(guó)電力的主要來(lái)源。據(jù)2016年數(shù)據(jù)，我國(guó)目前運(yùn)行中的核電機(jī)組共計(jì)34臺(tái)，數(shù)量上僅次于美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯，位列全球第四；在建核電機(jī)組20臺(tái)，穩(wěn)居世界首位，占全球在建核電機(jī)組數(shù)量的40%，是世界上核電發(fā)展最快的國(guó)家。

核電站的原理基本與火力發(fā)電站相同，核電站以核反應(yīng)堆來(lái)代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應(yīng)堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，使核能轉(zhuǎn)變成熱能來(lái)加熱水產(chǎn)生蒸汽。利用蒸汽通過(guò)管路進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，其發(fā)電機(jī)組和火力發(fā)電站大同小異，奧妙全在核反應(yīng)堆中。核反應(yīng)堆，又稱(chēng)為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？煽刂屏炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，主要分為四類(lèi)：沸水堆、壓水堆、重水堆和快堆。其中快堆與前三種不同，前三種對(duì)核燃料鈾的利用率只有1%-2%，快堆可以達(dá)到60%-70%，但快堆的技術(shù)相較于前三種還不完善。

核電的優(yōu)點(diǎn)有很多，如不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體、能量密度極高、燃料體積小、運(yùn)輸儲(chǔ)存都比較方便等。1000百萬(wàn)瓦的核電站一年僅需30噸的鈾燃料，一航次的飛機(jī)或是一次汽車(chē)就可以運(yùn)送。如果是燒煤發(fā)電站，一年所需原煤大概300萬(wàn)-400萬(wàn)噸，需列車(chē)2760輛。但是，我們也需要正視核電的缺點(diǎn)：核電站的熱效率低，相較于傳統(tǒng)電廠，將有更多的廢熱直接排放進(jìn)大氣中；核電站的核燃料成本低，但是前期成本十分高；最關(guān)鍵的，核廢料尤其是高放射性的核廢料的處理一直是個(gè)很大很重要的國(guó)際性難題，運(yùn)行中如果產(chǎn)生了事故，造成核泄漏，將對(duì)生態(tài)環(huán)境和民眾造成極大的威脅。歷史上曾有三次比較重大的核事故，分別是三里島事故、切爾諾貝利核電站爆炸和福島核危機(jī)，其中切爾諾貝利事故是歷史上最大的核事故。

2.核動(dòng)力機(jī)械

除了大家熟知的核動(dòng)力航母、核動(dòng)力潛艇這種軍事領(lǐng)域核動(dòng)力的應(yīng)用，其他領(lǐng)域內(nèi)核動(dòng)力也發(fā)揮了很大的作用。破冰船是目前裝備核動(dòng)力比較多的非軍用艦船?！氨睒O”（Arktika）是世界上最大的破冰船，長(zhǎng)134米，寬30米，排水量23000噸，安裝兩座反應(yīng)堆。Arktika是第1艘達(dá)到北極極點(diǎn)的水上艦船。核動(dòng)力商船從上世紀(jì)60年代美國(guó)的Savannab建成以來(lái)，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，僅俄羅斯的破冰集裝箱船Sevmorput獲得成功。與同尺寸的常規(guī)動(dòng)力的商船相比，載貨量極低，船員數(shù)量卻高了2倍，加上培訓(xùn)船員的費(fèi)用，使用起來(lái)是不經(jīng)濟(jì)的。核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械的原理基本與用于發(fā)電的原理相同，區(qū)別只是在于核電站的蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組，核動(dòng)力艦船是帶動(dòng)齒輪箱，傳動(dòng)到螺旋槳。提到蒸汽輪機(jī)，有人戲稱(chēng)人類(lèi)對(duì)原子能的利用還停留在用它燒開(kāi)水的地步。但這是有原因的，水是反應(yīng)堆良好的慢化劑和冷卻劑，也是人類(lèi)使用最多的熱機(jī)工質(zhì)之一，自然大部分熱中子堆就變成燒開(kāi)水的核鍋爐了。

3. 生產(chǎn)放射性同位素

一百年前天然放射性的發(fā)現(xiàn)， 引起了人類(lèi)對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)和知識(shí)更新的一場(chǎng)偉大變革。放射性同位素的主要來(lái)源是核反應(yīng)堆和加速器。目前世界上的反應(yīng)堆中，大概有100多個(gè)反應(yīng)堆會(huì)用約5%多一點(diǎn)的時(shí)間生產(chǎn)一定量的放射性同位素，這之中多數(shù)由研究堆產(chǎn)生。放射性同位素目前的用處之多之廣，不熟悉的人了解之后肯定是相當(dāng)吃驚的。它可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究等。在醫(yī)學(xué)上同位素主要用于顯像、診斷和治療， 另外還包括醫(yī)療用品消毒、藥物作用機(jī)理研究和生物醫(yī)學(xué)研究?！胺暖煛边@個(gè)名詞許多人都應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)過(guò)，這可能是大眾了解最多的一種放射性同位素的使用，主要用于治療癌癥。放射性同位素源源不斷地產(chǎn)生輻射，而這種輻射是低溫消滅真菌、細(xì)菌、病毒等微生物的首選方法。農(nóng)業(yè)上，昆蟲(chóng)不育技術(shù)基于用X輻射使昆蟲(chóng)不育（喪失繁衍能力），現(xiàn)已成功地用于鏟除損害谷物的昆蟲(chóng)種類(lèi)， 而對(duì)于人類(lèi)健康和環(huán)境無(wú)任何副作用?？蒲猩希凰貥?biāo)記原子在遺傳研究中起著越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]吉桂明.核動(dòng)力商船的歷史及其展望[J].熱力動(dòng)力工程，2010，2：140-140.

[2]肖雪夫 張偉華. 核電站反應(yīng)堆的主要堆型簡(jiǎn)介[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2011，05：2-11.

[3] 蔡善鈺. 放射性同位素生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨向[J].同位素.1999，2：49-57.endprint