核能

核能

核能(或稱原子能)是通過核反應從原子核釋放的能量,符合阿爾伯特·愛因斯坦的質能方程E=mc² ,其中E=能量,m=質量,c=光速。核能可通過三種核反應之一釋放:1、核裂變,較重的原子核分裂釋放結合能。2、核聚變,較輕的原子核聚合在一起釋放結合能。3、核衰變,原子核自發衰變過程中釋放能量。

  • 中文名稱
    核能
  • 外文名稱
    nuclear energy
  • 別稱
    原子能
  • 分類
    一次能源
  • 首次發現
    1895年

發展簡史

核能

核能(nuclear energy)是人類歷史上的一項偉大發現,這離不開早期西方科學家的探索發現,他們為核能的套用奠定了基礎。19世紀末 英國物理學家湯姆遜發現了電子。

1895年 德國物理學家倫琴發現了X射線。

1896年 法國物理學家貝克勒爾發現了放射性。

1898年 居裏夫人與居裏先生發現新的放射性元素釙。

1902年 居裏夫人經過4年的艱苦努力又發現了放射性元素鐳。

1905年 愛因斯坦提出質能轉換公式。

核能

1914年 英國物理學家盧瑟福通過實驗,確定氫原子核是一個正電荷單元,稱為質子

1935年 英國物理學家查得威克發現了中子。

1938年 德國科學家奧托·哈恩用中子轟擊鈾原子核,發現了核裂變現象。1942年12月2日 美國芝加哥大學成功啓動了世界上第一座核反應堆。

1945年8月6日和9日 美國將兩顆核子彈先後投在了日本的廣島和長崎。

1954年 蘇聯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,人類在能源利用領域隻涉及到物理變化和化學變化。二戰時,核子彈誕生了。人類開始將核能運用于軍事、能源、工業、航天等領域。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套用前景的研究。

核能發電

簡介

核能

利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電的方式。它與火力發電極其相似。隻是以核反應堆及蒸汽發生器來代替火力發電的鍋爐,以核裂變能代替礦物燃料的化學能。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,在蒸汽發生器中將熱量傳給二回路或三回路的水,然後形成蒸汽推動汽輪發電機。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,經汽水分離並幹燥後直接推動汽輪發電機。核能發電利用鈾燃料進行核分裂連鎖反應所產生的熱,將水加熱成高溫高壓,利用產生的水蒸氣推動蒸汽輪機並帶動發電機。核反應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多。核能發電所使用的的鈾235純度隻約佔3%-4%,其餘皆為無法產生核分裂的鈾238。

舉例而言,核電廠每年要用掉80噸的核燃料,隻要2支標準貨櫃就可以運載。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,相當于每天燒掉20萬桶家用瓦斯。換算起來,剛好接近全台灣692萬戶的瓦斯用量。

過程

核能→水和水蒸氣的內能→發電機轉子的機械能電能

歷史

簡史 核能發電的歷史與動力堆的發展歷史密切相關。動力堆的發展最初是出于軍事需要。1954年,蘇聯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)。由于核濃縮技術的發展,到1966年,核能發電的成本已低于火力發電的成本。核能發電真正邁入實用階段。1978年全世界22個國家和地區正在運行的30兆瓦(電)以上的核電站反應堆已達200多座,總裝機容量已達107776兆瓦(電)。80年代因化石能源短缺日益突出,核能發電的進展更快。到1991年,全世界近30個國家和地區建成的核電機組為423套,總容量為3.275億千瓦,其發電量佔全世界總發電量的約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年全部並網發電。

核能

發展進程

第一代核電站。核電站的開發與建設開始于20世紀50年代。1954年前蘇聯建成發電功率為5兆瓦的實驗性核電站;1957年,美國建成發電功率為9萬千瓦的Ship Ping Port原型核電站。這些成就證明了利用核能發電的技術可行性。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60年代後期,在實驗性和原型核電機組基礎上,陸續建成發電功率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電技術可行性的同時,使核電的經濟性也得以證明。目前,世界上商業運行的400多座核電機組絕大部分是在這一時期建成的,習慣上稱為第二代核電機組。

第三代核電站。20世紀90年代,為了消除三裏島和切爾諾貝利核電站事故的負面影響,世紀核電業界集中力量對嚴重事故的預防和緩解進行了研究和攻關,美國和歐洲先後出台了《先進輕水堆使用者要求檔案》,即URD檔案和《歐洲使用者對輕水堆核電站的要求》,即EUR檔案,進一步明確了預防與緩解嚴重事故,提高安全可靠性等方面的要求。國際上通常把滿足URD檔案或EUR檔案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個有意發展核能的國家,聯合組成了“第四代國際核能論壇”,與2001年7月簽署了契約,約定共同合作研究開發第四代核能技術。

原理

核能發電的能量來自核反應堆中可裂變材料(核燃料)進行裂變反應所釋放的裂變能。裂變反應指鈾-235、鈈-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。反應中,可裂變物的原子核吸收一個中子後發生裂變並放出兩三個中子。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,則這種反應稱為鏈式裂變反應。實現鏈式反應是核能發電的前提。

核能

優點

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

2.核能發電不會產生加重地球溫室效應二氧化碳

3.核能發電所使用的鈾燃料,除了發電外,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隻需30公噸的鈾燃料,一航次的飛機就可以完成運送。

5.核能發電的成本中,燃料費用所佔的比例較低,核能發電的成本較不易受到國際經濟情勢影響,故發電成本較其他發電方法為穩定。

缺點

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

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

3.核能電廠投資成本太大,電力公司的財務風險較高。

4.核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉。

5.興建核電廠較易引發政治歧見紛爭。

6.核電廠的反應器內有大量的放射性物質,如果在事故中釋放到外界環境,會對生態及民眾造成傷害。

核能知識

原子及原子核

世界上的一切物質都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉的帶負電的電子構成的。原子核包括質子和中子,質子數決定了該原子屬于何種元素,原子的質量數等于質子數和中子數之和。如一個鈾-235原子是由原子核(由92個質子和143個中子組成)和92個電子構成的。如果把原子看作是我們生活的地球,那麽原子核就相當于一個桌球的大小。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。

核能

同位素

質子數相同而中子數不同或者說原子序數相同而原子質量數不同的一些原子被稱為同位素,它們在化學元素周期表上佔據同一個位置。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性質。按質量不同通常可以分為重同位素和輕同位素。

鈾的同位素

鈾是自然界中原子序數最大的元素。天然鈾的同位素主要是鈾-238和鈾-235,它們所佔的比例分別為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。

核能及其獲取途徑

核能,是核裂變能的簡稱。50多年以前,科學家在的一次試驗中發現鈾-235原子核在吸收一個中子以後能分裂,在放出2—3個中子的同時伴隨著一種巨大的能量,這種能量比化學反應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後者的三倍多。被人們所熟悉的核子彈、核電站、核反應堆等等都利用了核裂變的原理。隻是實現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的核具有動能實現聚合反應。

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,引起鏈式反應,從而釋放出巨大的能量。例如,當用一個中子轟擊U-235的原子核時,它就會分裂成兩個質量較小的原子核,同時產生2—3個中子和β、γ等射線,並釋放出約200兆電子伏特的能量。如果再有一個新產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,裂變反應不斷地持續下去,從而形成了裂變鏈式反應,與此同時,核能也連續不斷地釋放出來。

核能

輕核聚變

所謂輕核聚變是指在高溫下(幾百萬度以上)兩個質量較小的原子核結合成質量較大的新核並放出大量能量的過程,也稱熱核反應。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,很難發生聚變反應。而在太陽等恆星內部,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生持續的聚變。自持的核聚變反應必須在極高的壓力和溫度下進行,故稱為"熱核聚變反應"。

氫彈是利用氘、氚原子核的聚變反應瞬間釋放巨大能量這一原理製成的,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。目前正在研製的"受控熱核聚變反應裝置"也是套用了輕核聚變原理,由于這種熱核反應是人工控製的,因此可用作能源。

核聚變的套用

1.可控核聚變的發生條件

產生可控核聚變需要的條件非常苛刻。我們的太陽就是靠核聚變反應來給太陽系帶來光和熱,其中心溫度達到1500萬攝氏度,另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應,而地球上沒辦法獲得巨大的壓力,隻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。核聚變如此高的溫度沒有一種固體物質能夠承受,隻能靠強大的磁場來約束。此外這麽高的溫度,核反應點火也成為問題。不過在2010年2月6日,美國利用高能雷射實現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.核聚變的反應裝置目前,可行性較大的可控核聚變反應裝置就是托卡馬克裝置。 

核能

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

一種新能源—核能

目前化石燃料在能源消耗中所佔的比重仍處于絕對優勢,但此種能源不僅燃燒利用率低,而且污染環境,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",使地球氣溫逐年升高,造成氣候異常,加速土地沙漠化過程,給社會經濟的可持續發展帶來嚴重影響。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也不會造成"溫室效應",因此能大大改善環境質量,保護人類賴以生存的生態環境

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

核能是可持續發展的能源

據估計,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。這些裂變燃料足可以用到聚變能時代。輕核聚變的燃料是氘和鋰,1升海水能提取30毫克氘,在聚變反應中能產生約等于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,鋰可用來製造氚,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準來計算,地球上能夠用于核聚變的氘和氚的數量,可供人類使用上千億年。因此,有關能源專家認為,如果解決了核聚變技術,那麽人類將能從根本上解決能源問題。

1. 核工業的主要業務範圍

核工業的主要業務範圍包括:鈾礦勘探、鈾礦開採與鈾的提取、燃料元件製造、鈾同位素分離、反應堆發電、乏燃料後處理、同位素套用以及與核工業相關的建築安裝、儀器儀表、設備製造與加工、安全防護及環境保護。

2. 核燃料迴圈及其組成

核燃料迴圈是指核燃料的獲得、使用、處理、回收利用的全過程。它是核工業體系中的重要組成部分。核燃料迴圈通常分為前端和後端兩部分,前端包括鈾礦勘探、鈾礦開採、礦石加工(包括選礦、浸出、提取和沉淀等工序)、精製、轉化、濃縮、元件製造等;後端包括對反應堆輻照以後的乏燃料元件進行鈾鈈分離的後處理以及對放射性廢物進行處理、貯存和處置。

3. 鈾礦地質勘探

鈾是核工業最基本的原料。鈾礦地質勘探的目的是查明和研究鈾礦床形成的地質條件,總結出鈾礦床在時間上和空間上的分布規律,並用此規律指導普查勘探,探明地下的鈾礦資源。普查勘探工作的程式為區域地質調查、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、地質填圖、原始資料編錄等-系列的基礎地質工作。

分散在地殼中的鈾元素在各種地質作用下不斷集中,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意義。並不是所有的鈾礦床都有開採、進行工業利用價值的。據統計,在已發現的170多種鈾礦床及含鈾礦物中,具有實際開採價值隻有14~18%。影響鈾礦床工業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加工性能、礦床開採條件,有用元素綜合利用的可能性和交通運輸條件等。

4. 鈾礦開採

生產鈾的第一步是鈾礦開採。其任務是從地下礦床中開採出工業品位的鈾礦石,或將鈾經化學溶浸,生產出液體鈾化合物。由于鈾礦有放射性,所以鈾礦開採其特殊方法。常用的主要有三種:露天開採、地下開採和原地浸出。露天開採一般用于埋藏較淺的礦體,方法剝離表土和覆蓋岩石,使礦石出露,然後進行採礦。地下開採一般用于埋藏較深的礦體,此種方法的工藝過程比較復雜。與以上兩種法方法相比,原地浸出採鈾具有生產成本低,勞動強度小等優點,但其套用有一定的局限性,僅適用于具有一定地質、水文地質條件的礦床。其方法是通過地表鑽孔將化學反應劑註入礦帶,通過化學反應選擇性地溶解礦石中的有用成分--鈾,並將浸出液提取出地表,而不使礦石繞圍岩產生位移。

5. 鈾礦石的加工

核能

鈾礦石加工的目的是將開採出來的具有工業品位或經放射性選礦的礦加工富集,使其成為含鈾較高的中間產品,即通常所說的鈾化學濃縮物。將此種鈾化學濃縮物精製,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,礦石被開採出來後,必須將其破碎磨細,使鈾礦物充分暴露。然後採用一定的工藝,借助一些化學試劑(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:酸法和鹼法。由于浸出液中鈾含量低,而且雜質種類多,含量高,所以必須將雜質去除才能確保鈾的純度。實現這一過程,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。水冶生產的最後一道工序是將沉淀物洗滌、壓濾、幹燥,然後得到水冶產品鈾化學濃縮物,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堆提供鈾-235濃度符合要求的鈾燃料,現今所採用的濃縮方法有氣體擴散法、分離法、雷射法、噴嘴法、電磁分離法、化學分離法等,其中氣體擴散法和離心分離法是現代工業上普遍採用的濃縮方法。濃縮處理是以六氟化鈾形式進行的。

7. 核燃料元件

經過提純或濃縮的鈾,還不能直接用作核燃料。必須經過化學,物理、機械加工等處理後,製成各種不同形狀和品質的元件,才能供反應堆作為燃料來使用。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、環狀、板狀、條狀、球狀、棱柱狀元件;按反應堆來分,可以分為試驗堆元件,生產堆元件,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境下工作,所以對晶片的綜合性能、包殼材料的結構和使用壽命都有很高的要求。可見,核燃料元件製造是一種高科技含量的技術。

8. 乏燃料的後處理

經過輻照的燃料元件,從堆內卸出時總是含有一定量未分裂和新生的裂變燃料。乏燃料的後處理的目的就是回收這些裂變燃料如鈾-235,鈾-233和鈈,利用它們再製造新的燃料元件或用做核武器裝料。此外,回收轉換原料(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物(如銫-137,鍶-90等),都有很大的科學和經濟價值。但此項工序放射性強,毒性大,容易發生臨界事故,所以,在進行乏燃料的後處理時一定要加強安全防護措施。

後處理工藝一般分為四個步驟:冷卻與首端處理、化學分離、通過化學轉化還原出鈾和鈈、通過凈化分別製成金屬鈾(或二氧化鈾)及鈈(或二氧化鈈)。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。化學分離(即凈化與去污過程)是將裂變產物從U-Pu中清除出去,然後用溶劑淬取法將鈾-鈈分離並分別以硝酸鈾酰和硝酸鈈溶液形式提取出來。

9. 三廢處理與處置

在核工業生產和科研過程中,會產生一些不同程度放射性的固態、液態和氣態的廢物,簡稱為"三廢"。在這些廢物中,放射性物質的含量雖然很低,危害卻很大。普通的外界條件(如物理、化學、生物方法)對放射性物質基本上不會起作用。因此在放射性廢物處理過程中,除了靠放射性物質的衰變使其放射性衰減外,就隻能採取多級凈化、去污、壓縮減容、焚燒、固化等措施將放射性物質從廢物中分離出來,使濃集放射性物質的廢物體積盡量減小,並改變其存在的狀態,以達安全處置的目的。這個過程稱為"三廢處理與處置"。

安全核能

當今,全世界幾乎16%的電能是由441座核反應堆生產的,而其中有9個國家的40%多的能源生產來自核能。在這一領域,國際原子能機構作為隸屬聯合國大家庭的一個國際機構,對和平利用、開發原子能的活動積極加以扶持,並且為核安全和環保確立了相應的國際標準。

國際原子能機構的作用相當于一個在核領域進行科技合作的政府間中心論壇。作為一個協調中心,該機構的設立便于在核安全領域交換信息、製訂方針和規範以及應有關政府之要求提供如何加強核反應堆安全和避免核事故風險的方法。國際原子能機構還在旨在確保核技術的運用以求可持續發展的國際努力中扮演重要作用。

隨著各國的核能計畫增多,公眾日益關註核安全問題,國際原子能機構在核安全領域的職責也擴大了。為此,國際原子能機構製訂了輻射防護基準標準,並就特定的業務類型頒布了有關條例和業務規則,其中包括安全運送放射性材料方面的條例和業務規則。依據《核事故或輻射緊急援助公約》和《及早通報核事故公約》,一旦發生放射性事故,國際原子能機構會立即採取行動,確保向成員國提供緊急援助。

國際原子能機構還對其他幾個核安全方面的國際條約擔負著儲存任務。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合公約》。最後一個公約是針對核安全問題的第一個國際性的法律文書。

國際原子能機構就各成員國實施原子能計畫提供援助和咨詢意見,並且積極推動各國就科技信息進行交流。該機構還幫助各國政府在水、衛生、營養及葯物和食品生產等領域和平利用原子能。這方面一個突出的例子是利用核輻射技術所開展的突變育種工作。通過這一工作,將近2000個新的優良作物品種業已開發成功。

當前,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嘗試控製二氧化碳向大氣層的排放,因為二氧化碳進入大氣層導致了全球升溫。國際原子能機構強調核能的種種好處,認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。

通過其設在維也納的國際核信息系統,國際原子能機構對幾乎所有核科學和技術方面的信息進行收集和傳播。國際原子能機構還與聯合國教育、科學及文化組織合作,在義大利東北部城市的裏雅斯特設立了國際理論物理中心。該中心擁有三個實驗室,開展原子能基礎套用方面的研究。國際原子能機構還與聯合國糧農組織合作,開展原子能套用于糧食和農業生產領域的研究。該機構還與世界衛生組織合作,開展核輻射套用于醫葯和生物學領域的研究。此外,國際原子能機構在摩納哥還設有海洋環境實驗室。該實驗室得到了聯合國環境規劃署和教育、科學及文化組織的協助,共同對全球海洋環境污染的情況進行研究。

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海洋的核資源

核能是人類最具希望的未來能源。目前人們開發核能的途徑有兩條: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,己得到實際性的套用;而輕元素聚變技術,也正在積極研製之中。可不論是重元素鈾,還是輕元素氘、氚,在海洋中都有相當巨大的儲藏量。

鈾是高能量的核燃料,1千克鈾可供利用的能量相當于燃燒2050噸優質煤。然而陸地上鈾的儲藏量並不豐富,且分布極不均勻。隻有少數國家擁有有限的鈾礦,全世界較適于開採的隻有100萬噸,加上低品位鈾礦及其副產鈾化物,總量也不超過500萬噸,按目前的消耗量,隻夠開採幾十年。而在巨大的海水水體中,卻含有豐富的鈾礦資源。據估計,海水中溶解的鈾的數量可達45億噸,相當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噸海水隻含有3克鈾。隻有先把鈾從海水中提取出來,才能套用。而要從海水中提取鈾,從技術上講是件十分困難的事情,需要處理大量海水,技術工藝十分復雜。但是,人們已經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、聯邦德國等先後著手研究從海水中提取鈾,並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之一是一種採用高分子粘合劑和水合氧化鑽製成的復合型鈦吸附劑。現在海水提鈾已從基礎研究轉向開發套用研究的階段。日本已建成年產10千克鈾的中試工廠,一些沿海國家也計畫建造百噸級甚至千噸級工業規模的海水提鈾廠。 

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,隻放出4電子伏特的能量,而氘-氚反應時能放出1780萬電子伏特的能量。據計算,1 公斤氫/燃料,至少可以抵得上4公斤鈾燃料或l萬噸優質煤燃料。

每升海水中含有 0.03克氘。這0.03克氘聚變時釋放出採的能量相當于300升汽油燃燒的能量。海水的整體積為13.7億立方公裏,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,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,已經在氫彈上得以實現。用于生產目的的受控熱核聚變在技術上還有許多難題。但是,隨著科學技術的進步,這些難題正在逐步解決的。

核能

1991年11月9日,由l 4個歐洲國家合資,在歐洲聯合環型核裂變裝置上,成功地進行了首次氘-氚受控核聚變試驗,發出了1.8兆瓦電力的聚變能量,持續時間為2秒,溫度高達3億度,比太陽內部的溫度還高20倍。核聚變比核裂變產生的能量效應要高600倍,比煤高1000萬倍。因此,科學家們認為,氘-氚受控核聚變的試驗成功,是人類開發新能源的一個裏程碑。在下個世紀,核聚變技術和海洋氘、氚提取技術將會有重大突破。這兩項技術的發展和不斷的成熟,將對人類社會的進步產生重大的影響。

另外,“能源金屬”鋰是用于製造氫彈的重要原料。海洋中每升海水含鋰15~20毫克,海水中鋰總儲量約為2.5×10 11 噸。隨著受控核聚變技術的發展,同位素鋰6聚變釋放的巨大能量最終將和平服務于人類。鋰還是理想的電池原料,含鋰的鋁鎳合金在航天工業中佔有重要位置。此外,鋰在化工、玻璃、電子、陶瓷等領域的套用也有較大發展。因此,全世界對鋰的需求量正以每年7%~11%速度增加。目前,主要是採用蒸發結晶法、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堆的減速劑和傳熱介質,也是製造氫彈的原料,海水中含有 2×10 14 噸重水,如果人類一直致力的受控熱核聚變的研究得以解決,從海水中大規模提取重水一旦實現,海洋就能為人類提供取之不盡、用之不竭的能源。

為微型裝置提供動力

目前,世界各地的研究人員正在開發寬度小于人的頭發的微型裝置,用于從生化感測器到醫學植入體的各種用途。但這方面存在著一個障礙:目前還沒人能拿出一種與這麽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、而自重僅一磅的攜帶型電腦的人都該明白這句話的意思。為了實現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晶片上。

現在,威斯康星大學的一組工程師相信他們也許找到了正確的方法。他們已經開始了一個利用核能來提供能量的項目,但這些發電機將與向家庭和工廠提供電力的帶穹頂的核電廠完全不同。

這些微型裝置的能源不是靠轉動的渦輪機來發電,而是利用微量的放射性物質,通過它們的衰變來產生電能。以前也有過這種做法,但規模要大得多。人們曾用這種方法給從心髒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。

威斯康星大學的核能工程教授詹姆斯·布蘭查德說:“以前還從沒在我們現在所討論的規模上做過這種事。”布蘭查德所領導的研究小組正設法開發這項技術,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後背生出絲絲涼氣,但研究人員稱他們的發電機隻使用極少的放射性物質,安全應該不是問題。布蘭查德說,最適合這種技術的元素是1898年由居裏夫婦發現的釙。

放射性物質已廣泛套用在許多裝置中,包括煙霧探測器。另外一些影印機上也使用條狀的放射性物質消除紙張間的靜電。但如果核電要成為未來的微型“機器”的能源,這項技術必須縮小到微觀水準。布蘭查德說,用放射性材料發電可以有兩種方法。放射性材料衰變時發出的熱量可以使一些物質放出電子,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,利用它們產生電能。”他說,相對于這些裝置的規模而言,這些粒子產生的電壓是非常高的。布蘭查德說,他的研究小組並沒有直接考慮這些微型裝置的用途。他認為,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,世界各地有數十個實驗室已經在研製被稱作MEMS的微型機電設備,它是當今高科技領域的關鍵課題之一。

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

這項技術最直接的套用很可能是用來研製各種各樣的微型感測器。一種合適的能源能夠用無線聯絡的方式把數以百計的微型感測器聯系起來,這是一項在軍事上很有潛力的用途。這樣的感測器小至肉眼無法看到,可以在惡劣環境中探測化學物質的存在。布蘭查德說:“假如它們發現了它們不喜歡的化學物質,它們能向某個中心位置發回信號,這樣人們不用到現場就能找到這些化學武器了。”這些感測器也能用來探測工廠內微量的有害化學物質和氣體。一個有趣的前景是我們可以把這些感測器造得很小,把它們混入重型機械上使用的潤滑油中,以便探測什麽時候需要對機器進行保養。

拉爾說:“最大的影響可能是把這些感測器系統結合到日常系統中,從而使日常系統變得更加可靠、安全和智慧型。”

月球的核套用

早在20世紀60年代末和70年代初,美國阿波羅飛船登月時,6次帶回368.194千克的月球岩石和塵埃。科學家將月球塵埃加熱到3000華氏度時,發現有氦等物質。經進一步分析鑒定,月球上存在大量的氦-3。科學家在進行了大量研究後認為,採用氦-3的聚變來發電,會更加安全。

有關專家認為,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,科學家在分析了從月球上帶回來的月壤樣品後估算,在上億年的時間裏,月球儲存著大約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。

中國核能發展的趨勢

核電站隻需消耗很少的核燃料,就可以產生大量的電能,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。核電的另一個優勢是幹凈、無污染,幾乎是零排放,對于發展迅速環境壓力較大的中國來說,再合適不過。2008年1-11月,中國核力發電行業實現累計工業總產值22,877,173,000元,比上年同期成長了5.13%;實現累計產品銷售收入22,372,958,000元,比上年同期成長了12.15%;實現累計利潤總額10,548,918,000元,比上年同期成長了78.86%。

核能

中國正在加大能源結構調整力度。積極發展核電、風電、水電等清潔優質能源已刻不容緩。中國能源結構仍以煤炭為主體,清潔優質能源的比重偏低。

中國目前建成和在建的核電站總裝機容量為870萬千瓦,預計到2010年中國核電裝機容量約為2000萬千瓦,2020年約為4000萬千瓦。到2050年,根據不同部門的估算,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(約佔中國電力總裝機容量的30%),中方案為2.4億千瓦(約佔中國電力總裝機容量的20%),低方案為1.2億千瓦(約佔中國電力總裝機容量的10%)。

中國國家發展改革委員會正在製定中國核電發展民用工業規劃,準備到2020年中國電力總裝機容量預計為9億千瓦時,核電的比重將佔電力總容量的4%,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座相當于大亞灣那樣的百萬千瓦級的核電站。

從核電發展總趨勢來看,中國核電發展的技術路線和戰略路線早已明確並正在執行,當前發展壓水堆,中期發展快中子堆,遠期發展聚變堆。具體地說就是,近期發展熱中子反應堆核電站;為了充分利用鈾資源,採用鈾鈈迴圈的技術路線,中期發展快中子增殖反應堆核電站;遠期發展聚變堆核電站,從而基本上“永遠”解決能源需求的矛盾。

國際核能發展現狀

英國

英國核工業有近50年的歷史,擁有世界上第一座商用核電站,有對輕水堆和氣冷堆核電站的設計、生產、建造和運行支持的全部能力。同時具有鈾濃縮、燃料生產(包括MOX燃料)、新燃料及乏燃料運輸、後處理、核設施退役及廢物處理的完整核燃料迴圈能力。

英國第一座核電站是建于坎布裏亞郡的CalderHall核電站,它是鎂諾克斯氣冷堆的原型,于1953年興建,1956年開始向國家電網送電,是世界上第一座商用核電站。此後,英國又相繼建成10座這樣的鎂諾克斯核電站。目前,這批電站中有6座還在運行,其餘5座已經關閉或正在退役。至今,英國共有l4個商業運行核電站。三種堆型(Magnox堆、AGR、PWR),31個堆在運行,平均負荷因子為64.5%,總裝機容量為12.48GW(其中Magnox堆2916MW,AGR堆8380MW,PWR堆1188MW),核電佔全國總電力的25%。核電在英國的氣候變化目標中起很大作用。據統計,英國核電能減少全國7%14%的二氧化碳的排放。

英國核能發展水準世界領先,是核能企業尋求商務與技術合作的理想選擇,也是極富魅力的核能產業投資目的地。英國核能產業擁有巨大的消費市場,其發展也獲得了政府機構和政策上的大力支持;同時,英國核能產業還擁有世界領先的技術經驗以及人才基地;不僅如此,英國核能成套的產業鏈及完備的配套服務體系也為行業發展創造了穩定健康的環境。

英國從國家戰略層面給予了核能發展政策及立法的支持。2008年,英國政府發布《核能白皮書》,一度停滯的核電發展得到了重啓。2012年11月,英國發布新能源法案,支持包括核能在內的新能源發展。英國政府更採取了一系列措施簡化新一代核能建設的審批程式。核監管辦公室(ONR)通過實施通用的設計評估(GDA)加快核電站建設項目審批速度,使新增核電站項目啓動得到保障。

英國政府技術戰略委員會(TSB)于2010年提供了200萬英鎊的資金,用于在核能研發及套用領域的20項可行性研究,旨在促進創新和加強供應鏈建設。

德國

德國在20世紀70年代經歷了1974年的石油危機之後決定大力發展核電,當時國家對能源十分敏感,但是1986年切爾諾貝利核事故發生之後,該項政策有所變動,最後一座反應堆在1989年獲批。無論1979年的民主黨(SPD)如何支持發展核電,1986年8月政府宣布在未來的十年中放棄發展核電。

該項政策一經發布,R&D實驗室研究30多年的高溫氣冷堆和快中子堆項目被迫終止,但是由于當時的大部分研究工作在民主黨控製North Rhine—Westphlia,CDUl聯邦政府之後繼續支持國內現存的核反應堆和研究項目,一直堅持到了1998年被打敗為止。

法國

1956年,法國第一台40兆瓦可用于發電的反應堆G1在馬爾庫爾投產。其他兩台反應堆 ——G2 和 G3也先後于1959年和1960年投入運行。在此基礎上,原委會開發了天然鈾石墨氣冷反應堆技術,並將其確定為法國早期核電站建設的技術路線。

20世紀70年代初石油危機爆發後,法國決定大規模發展核電,在美國壓水堆技術基礎上,製訂了一項目標宏大的標準化核電發展規劃。

日本

日本從本世紀50年代初期就著手核電的開發研究和設備製造的準備工作。于1956年成立日本原子能研究所,1961年組建成日本原子能發電公司,並于1961年3月開始興建東海核電站。至1966年7月核電站建成投入運行,開創了日本核電生產的新紀元。

如何用反應堆產生核能

要用反應堆產生核能,需要解決以下4個問題:

①為核裂變鏈式反應提供必要的條件,使之得以進行。

②鏈式反應必須能由人通過一定裝置進行控製。失去控製的裂變能不僅不能用于發電,還會釀成災害。

③裂變反應產生的能量要能從反應堆中安全取出。

④裂變反應中產生的中子和放射性物質對人體危害很大,必須設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、釷氘、鋰、等等,世界上鈾的儲量約為417萬噸。地球上可供開發的核燃料資源,可提供的能量是礦石燃料的十多萬倍。核能套用作為緩和世界能源危機的一種經濟有效的措施有許多的優點,其一核燃料具有許多優點,如體積小而能量大,核能比化學能大幾百萬倍;1000克鈾釋放的能量相當于2400噸標準煤釋放的能量;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1千瓦發電經費是0.001美元左右,這和目前的傳統發電成本比較,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區附近。核電站的基本建設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技術,使用海水作燃料,則更是取之不盡,用之方便。其二是污染少。火電站不斷地向大氣裏排放二氧化硫和氧化氮等有害物質,同時煤裏的少量鈾、鈦和鐳等放射性物質,也會隨著煙塵飄落到火電站的周圍,污染環境。而核電站設定了層層屏障,基本上不排放污染環境的物質,就是放射性污染也比燒煤電站少得多。據統計,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400多座,30多年來基本上是安全正常的。雖然有1979年美國三裏島壓水堆核電站事故和1986年蘇聯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。

核能開發價值

核能俗稱原子能,它是原子核裏的核子——中子或質子,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噸標準煤燃燒時所放出的化學能。一座100萬千瓦的核電站,每年隻需25噸至30噸低濃度鈾核燃料,運送這些核燃料隻需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。核聚變反應釋放的能量則更巨大。據測算1公斤煤隻能使一列火車開動8米;一公斤裂變原料可使一列火車開動4萬公裏;而1公斤聚變原料可以使一列火車行駛40萬公裏,相當于地球到月球的距離

地球上蘊藏著數量可觀的鈾、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。在大海裏,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世紀前期變為現實,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

註:核能為不可再生能源!

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