核能的研究綜述

席 靜，王 靜，梁 斌

(蘭州石化職業(yè)技術學院 應用化學工程學院，甘肅 蘭州 730060)

能源是世界范圍內(nèi)備受關注的熱點問題之一，能源的開發(fā)利用不僅是國民經(jīng)濟的基本支柱，更是人類生存和發(fā)展的基礎。現(xiàn)代社會進入了能源高速消耗的階段，無論是能源儲量問題還是能源安全問題都給能源的開發(fā)利用帶來了極大的挑戰(zhàn)。由于傳統(tǒng)化石能源呈現(xiàn)出日漸枯竭的狀態(tài)，所以再生能源(如氫能，核能，生物質(zhì)能等)也愈來愈受到能源界的關注。核能作為新能源主力軍的一份子，開發(fā)前景良好，但是開發(fā)利用的過程中受到了種種挑戰(zhàn)[1]。

1 核能的概述

1.1 什么是核能

初中化學中已經(jīng)學到，物質(zhì)都是由分子構成的，分子又由原子構成，而原子是由帶正電荷的質(zhì)子、不帶電的中子和帶負電荷的電子三種粒子組成。其中質(zhì)子和中子處在原子的中心，依靠強大的核力緊密地結合在一起構成原子核。而我們所說的核能，就是要將牢固的原子核分裂或者重新組合(聚合)，從而獲得巨大的能量，也可以稱之為原子能[2]。

1.2 核能的產(chǎn)生

核能的理論基礎是由著名科學家愛因斯坦建立的相對論。愛因斯坦相對論用方程式E=MC2表示，該方程式表明，質(zhì)量和能量是成正比的的，其比例常數(shù)是光速的平方。從1905愛因斯坦的相對論公開發(fā)表起，世界各國的科學家都對核能都進行了多方面的探索。

在1939年，科學家們首次嘗試用中子轟擊較大的原子核(重原子核)，將其變成了兩個中等大小的原子核，這個過程稱之為原子核的裂變，不言則明，原子核的裂變會釋放出巨大的能量，這一能量叫做核裂變能。接下來科學家又嘗試用中子轟擊鈾235的原子核，這一過程不僅獲得了巨大的能量，同時還產(chǎn)生幾個新的中子?？茖W家們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的中子會繼續(xù)轟擊其他的鈾核，從而導致一系列鈾核持續(xù)發(fā)生裂變，持續(xù)釋放巨大能量。這一過程被科學家稱之為鏈式反應，但是鏈式反應在瞬間發(fā)生，需要加以控制才能繼續(xù)利用。1942年科學家利用核反應堆第一次實現(xiàn)了可控制的鈾核裂變，這標志著人類從此進入了真正意義上的核能時代[3]。

除了將重核裂變獲得核能之外，也可以將質(zhì)量很小的原子核(輕原子核)結合在一起，這個過程也會釋放出巨大的能量，也就是核聚變能。主要包括氫的同位素氘(2H，重氫)和氚(3H，超重氫)聚合的反應，叫做核聚變。氘核(由一個質(zhì)子和一個中子構成)與氚核(由一個質(zhì)子和兩個中子構成)，在超高溫下結合成氦核，會釋放出更大的核能，而大量氫核的聚變，可以在瞬間釋放出驚人的能量。氫彈就是利用此原理制成的。

除此之外，核衰變也可以獲得能量，即原子核可以在自發(fā)的衰變過程中釋放出能量。但是目前為止。核裂變能和核聚變能是人類利用的主要核能類型，其中核裂變的核燃料主要鈾。

2 核能的開發(fā)利用

在核能利用的理論被科學界建立公開之后，很多國家隨即就開始探索利用核能的方法，典型的利用方法就是核武器的使用和核電站的建立。

2.1 核武器

核武器指利用核反應產(chǎn)生的光熱輻射、沖擊波和感生放射性，造成殺傷和破壞以及大面積放射性污染的后果，從而達到戰(zhàn)略目的的大殺傷力武器[4]。主要包括氫彈、原子彈、中子彈、三相彈、反物質(zhì)彈等。核武器爆炸，不僅釋放的能量巨大，而且核反應過程非常迅速，微秒級的時間內(nèi)即可完成。

1945年7月16日，美國物理學家奧本海默帶領其團隊成員研制的的原子彈成功爆炸，這是人類歷史上的第一顆成功爆炸的原子彈。1952年，美國物理學家泰勒帶領其團隊成員研制的氫彈成功爆炸，這是人類歷史上第一顆成功爆炸的氫彈。1962年，美國物理學家塞姆·科恩帶領其團隊成員研制的中子彈成功爆炸。自第一顆原子彈爆炸開始，核武器產(chǎn)生的巨大的威力，使得在場的科學家們都感到了死神的到來。當今世界擁有核武器的國家有美國，俄羅斯，中國，英國，法國，印度，巴基斯坦，以色列，朝鮮，日本，因此為了維護世界和平，核武器的濫用被禁止[5]。

2.2 核電站

核能發(fā)電是利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能來進行發(fā)電的方式，與火力發(fā)電極其相似。將火力發(fā)電使用的電站鍋爐用核反應堆和蒸汽發(fā)生器來代替，能量由礦物燃料的燃燒能變成了核裂變能。核電的動力堆都是由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(沸水堆除外)[6]。

科學家發(fā)現(xiàn)一塊鈾礦石所釋放的射線能量會持續(xù)極長的時間，并且精確計算出一公斤鈾235完全釋放的能量相當于2700 t的優(yōu)質(zhì)煤所燃燒釋放的能量。1942年12月，意大利物理學家費米團隊首次通過可控制的鏈式反應實現(xiàn)了核能的釋放，并且在美國建立了世界上第一個“核反應堆”的裝置，開啟了核能利用的時代。美國在1952年建成第一座余熱型核電站，隨即前蘇聯(lián)在1954年建成第一座真正意義上的核電站。1987年，我國的第一座核電站—秦山核電站也成功建成。

3 核能開發(fā)利用的優(yōu)點

3.1 潔凈

核能發(fā)電不會產(chǎn)生二氧化碳，因此不會加重地球的溫室效應。而且也不會排放大量的污染物質(zhì)到大氣中，也不會加劇大氣污染。

3.2 原料充足

目前，核能發(fā)電所使用的鈾原料，除了利用其進行核能發(fā)電之外，尚無其他用處，因此可以保證充足的原料。

3.3 燃料成本較低

在核能發(fā)電的成本中，燃料費用所占的比例較低，而且核燃料能量密度能比化石燃料高上幾百萬倍。因此無論是燃料開發(fā)成本，還是運輸，儲存成本都較低。

4 核能開發(fā)存在的問題

核電的投資成本較大，熱污染較嚴重。核電廠雖然產(chǎn)生的三廢較少，但是依然會產(chǎn)生高低階放射性廢料，即使所占的體積不大，但是其具有放射線，故必須慎重處理。而且核電廠的反應器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，若一旦發(fā)生事故泄露帶環(huán)境中，將會對地球生態(tài)及生物造成巨大的傷害。所以興建核電廠較易引發(fā)政治歧見紛爭[7]。從1979年的三里島核事故，到1986年的的切爾諾貝利核災難，使得大家都處于一種“談核色變”的尷尬處境當中。盡管核電站的建立比核武器的使用要安全得多，但是核電站依然是恐怖分子攻擊的對象。曾在2010年，分析計算機蠕蟲病毒發(fā)現(xiàn)，該病毒發(fā)起的網(wǎng)絡攻擊，可以越過物理上的保安人員，直接對控制核電站的系統(tǒng)進行攻擊，這也暴露了核電站的另一個潛在的弱點。

5 核能開發(fā)的前景

即便核能開發(fā)被喻為潘多拉的盒子，但是核能開發(fā)依然存在著其他能源無法比擬的優(yōu)點：在產(chǎn)生相同當量的能量值時，核能所需的原料最少，所產(chǎn)生的“三廢”最少。因此核能的應用前景是不可估量的。主要可以預測的方面有實現(xiàn)“人造小太陽”(可控的核聚變發(fā)電)，建造核裂變型發(fā)電站，研發(fā)核電池，制造核火箭等[8]。據(jù)國際的權威機構預測，在未來25年中，世界范圍內(nèi)將大力興建90～300座1600 MW的反應堆，這意味著全球即將迎來核電站建設的新高峰期。在核電利用技術方面，美國、法國、俄羅斯等國較為成熟，也建立了趨于充分完善的市場培育機制，這些核電大國對待核電的態(tài)度將很大程度上影響到世界核電的發(fā)展趨勢。

6 我國核能利用技術的前景

我國目前建成和在建的核電站總裝機容量為870萬kW，預計到2050年，我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kW(約占中國電力總裝機容量的30%)，中方案為2.4億kW(約占中國電力總裝機容量的20%)，低方案為1.2億kW(約占中國電力總裝機容量的10%)[9]。

我國核電也已經(jīng)由起步進入發(fā)展階段，具有自主設計建造第一代核電的能力，目前對于如何積極推進核電發(fā)展，我國也從政府層面作出了的重大決定，接下來的幾十年我國核電建設的步伐也將迅速加快，并且逐步會提高核電在電力供給中的比重[10]。在我國大力發(fā)展核電,對于改善電力能源結構、緩解環(huán)境污染和保障能源安全，都具有十分重要的作用與意義，這意味著在我國核能利用的發(fā)展前景將越來越廣闊。