核能的研究綜述

席 靜，王 靜，梁 斌

(蘭州石化職業技術學院 應用化學工程學院，甘肅 蘭州 730060)

能源是世界范圍內備受關注的熱點問題之一，能源的開發利用不僅是國民經濟的基本支柱，更是人類生存和發展的基礎。現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利用帶來了極大的挑戰。由于傳統化石能源呈現出日漸枯竭的狀態，所以再生能源(如氫能，核能，生物質能等)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，開發前景良好，但是開發利用的過程中受到了種種挑戰[1]。

1 核能的概述

1.1 什么是核能

初中化學中已經學到，物質都是由分子構成的，分子又由原子構成，而原子是由帶正電荷的質子、不帶電的中子和帶負電荷的電子三種粒子組成。其中質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，質量和能量是成正比的的，其比例常數是光速的平方。從1905愛因斯坦的相對論公開發表起，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，同時還產生幾個新的中子。科學家們發現產生的中子會繼續轟擊其他的鈾核，從而導致一系列鈾核持續發生裂變，持續釋放巨大能量。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生，需要加以控制才能繼續利用。1942年科學家利用核反應堆第一次實現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(由一個質子和一個中子構成)與氚核(由一個質子和兩個中子構成)，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

核能發電是利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能來進行發電的方式，與火力發電極其相似。將火力發電使用的電站鍋爐用核反應堆和蒸汽發生器來代替，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電機(沸水堆除外)[6]。

科學家發現一塊鈾礦石所釋放的射線能量會持續極長的時間，并且精確計算出一公斤鈾235完全釋放的能量相當于2700 t的優質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 核能開發利用的優點

3.1 潔凈

核能發電不會產生二氧化碳，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到大氣中，也不會加劇大氣污染。

3.2 原料充足

目前，核能發電所使用的鈾原料，除了利用其進行核能發電之外，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成本，還是運輸，儲存成本都較低。

4 核能開發存在的問題

核電的投資成本較大，熱污染較嚴重。核電廠雖然產生的三廢較少，但是依然會產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有大量的放射性物質，若一旦發生事故泄露帶環境中，將會對地球生態及生物造成巨大的傷害。所以興建核電廠較易引發政治歧見紛爭[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現，該病毒發起的網絡攻擊，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 核能開發的前景

即便核能開發被喻為潘多拉的盒子，但是核能開發依然存在著其他能源無法比擬的優點：在產生相同當量的能量值時，核能所需的原料最少，所產生的“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“人造小太陽”(可控的核聚變發電)，建造核裂變型發電站，研發核電池，制造核火箭等[8]。據國際的權威機構預測，在未來25年中，世界范圍內將大力興建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度將很大程度上影響到世界核電的發展趨勢。

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]。

我國核電也已經由起步進入發展階段，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]。在我國大力發展核電,對于改善電力能源結構、緩解環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展前景將越來越廣闊。