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核能

    核能(或称原子能)是通过转化其质量从原子核释放的能量,符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E="mc^2;,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。"
核能通过三种核反应之一释放:
1、核裂变,打开原子核的结合力。
2、核聚变,原子的粒子熔合在一起。
3、核衰变,自然的慢得多的裂变形式。


发展简史
  核能(nuclear energy)是人类历史上的一项伟大发明,这离不开早期西方科学家的探索发现,他们为核能的应用奠定了基础。 
19世纪末 英国物理学家汤姆逊发现了电子。   
1895年 德国物理学家伦琴发现了X射线。   
1896年 法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。   
1898年 居里夫人与居里先生发现新的放射性元素钋。   
1902年 居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。   
1905年 爱因斯坦提出质能转换公式。   
1914年 英国物理学家卢瑟福通过实验,确定氢原子核是一个正电荷单元,称为质子。   

1935年 英国物理学家查得威克发现了中子。   
1938年 德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象。   
1942年12月2日 美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。   
1945年8月6日和9日 美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。   
1957年 苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站。

    在1945年之前,人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时,原子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。

 

核能发电概况
    利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉,以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外(见轻水堆),其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热,在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水,然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽,经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热,将水加热成高温高压,利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多(相差约百万倍),比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%-4%,其馀皆为无法产生核分裂的铀238。   
    举例而言,核四厂每年要用掉80吨的核燃料,只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤,需要515万吨,每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气,需要143万吨,相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。换算起来,刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。

 

历史简史

    核能发电的历史与动力堆的发展历史密切相关。动力堆的发展最初是出于军事需要。1954年,苏联建成世界上第一座装机容量为 5兆瓦(电)的核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。到1960年,有5个国家建成20座核电站,装机容量1279兆瓦(电)。由于核浓缩技术的发展,到1966年,核能发电的成本已低于火力发电的成本。核能发电真正迈入实用阶段。1978年全世界22个国家和地区正在运行的30兆瓦(电)以上的核电站反应堆已达200多座,总装机容量已达107776兆瓦(电)。80年代因化石能源短缺日益突出,核能发电的进展更快。到1991年,全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套,总容量为3.275亿千瓦,其发电量占全世界总发电量的约16%。世界上第一座核电站—苏联奥布宁斯克核电站。中国大陆的核电起步较晚,80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万千瓦(电)秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站于1987年开工,于1994年全部并网发电。

 

原理
  核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片,同时放出中子和大量能量的过程。反应中,可裂变物的原子核吸取一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗,至少有一个中子能引起另一个原子核裂变,使裂变自持地进行,则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。

 

优点
1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中,因此核能发电不会造成空气污染。   
2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。   
3.核能发电所使用的铀燃料,除了发电外,没有其他的用途。   
4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍,故核能电厂所使用的燃料体积小,运输与储存都很方便,一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料,一航次的飞机就可以完成运送。   
5.核能发电的成本中,燃料费用所占的比例较低,核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响,故发电成本较其他发电方法为稳定。

 

缺点
1.核能电厂会产生高低阶放射性废料,或者是使用过之核燃料,虽然所占体积不大,但因具有放射线,故必须慎重处理,且需面对相当大的政治困扰。   
2.核能发电厂热效率较低,因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏,故核能电厂的热污染较严重。   
3.核能电厂投资成本太大,电力企业的财务风险较高。   
4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。   
5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。   
6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质,如果在事故中释放到外界环境,会对生态及民众造成伤害。

 

海洋的核资源
  核能是人类最具希翼的未来能源。目前人们开发核能的途径有两条:一是重元素的裂变,如铀的裂变;二是轻元素的聚变,如氘、氚、锂等。重元素的裂变技术,己得到实际性的应用;而轻元素聚变技术,也正在积极研制之中。可不论是重元素铀,还是轻元素氘、氚,在海洋中都有相当巨大的储藏量。铀是高能量的核燃料,1千克铀可供利用的能量相当于燃烧2050吨优质煤。然而陆地上铀的储藏量并不丰富,且分布极不均匀。只有少数国家拥有有限的铀矿,全世界较适于开采的只有100万吨,加上低品位铀矿及其副产铀化物,总量也不超过500万吨,按目前的消耗量,只够开采几十年。而在巨大的海水水体中,却含有丰富的铀矿资源。据估计,海水中溶解的铀的数量可达45亿吨,相当于陆地总储量的几千倍。如果能将海水中的铀全部提取出来,所含的裂变能可保证人类几万年的能源需要。不过,海水中含铀的浓度很低,1000吨海水只含有3克铀。只有先把铀从海水中提取出来,才能应用。而要从海水中提取铀,从技术上讲是件十分困难的事情,需要处理大量海水,技术工艺十分复杂。但是,人们已经试验了很多种海水提铀的办法,如吸附法、共沉法、气泡分离法以及藻类生物浓缩法等。   
    60年代起,日本、英国、联邦德国等先后着手研究从海水中提取铀,并且逐渐建立了从海水中提取铀的多种方法。其中,以水合氧化钛吸附剂为基础的无机吸附方法的研究进展最快。目前,评估海水提铀可行性的依据之一是一种采用高分子粘合剂和水合氧化钻制成的复合型钛吸附剂。现在海水提铀已从基础研究转向开发应用研究的阶段。日本已建成年产10千克铀的中试工厂,一些沿海国家也计划建造百吨级甚至千吨级工业规模的海水提铀厂。    
    氘和氚都是氢的同位素。它们的原子核可以在一定的条件下,互相碰撞聚合成较重的原子核 --氦核,同时释放巨大的核能。一个碳原子完全燃烧生成二氧化碳时,只放出4电子伏特的能量,而氘-氚反应时能放出1780万电子伏特的能量。据计算,1 公斤氢/燃料,至少可以抵得上4公斤铀燃料或l万吨优质煤燃料。每升海水中含有 0.03克氘。这0.03克氘聚变时释放出采的能量相当于300升汽油燃烧的能量。海水的总体积为13.7亿立方公里,共含有几亿亿公斤的氘。这些氘的聚变所释放出的能量,足以保证人类上百亿年的能源消耗。而且氘的提取方法简便,成本较低,核聚变堆的运行也是十分安全的。因此,以海水中的氘、氚的核聚变能解决人类未来的能源需要'将展示出最好的前景。氘 -氚的核聚变反应,需要在上千万度乃至上亿度的高温条件下进行。这样的反应,已经在氢弹上得以实现。用于生产目的的受控热核聚变在技术上还有许多难题。但是,随着科学技术的进步,这些难题正在逐步解决的。   
    1991年11月9日,由14个欧洲国家合资,在欧洲联合环型核裂变装置上,成功地进行了首次氘-氚受控核聚变试验,发出了1.8兆瓦电力的聚变能量,持续时间为2秒,温度高达3亿度,比太阳内部的温度还高20倍。核聚变比核裂变产生的能量效应要高600倍,比煤高1000万倍。因此,科学家们认为,氘-氚受控核聚变的试验成功,是人类开发新能源的一个里程碑。在下个世纪,核聚变技术和海洋氘、氚提取技术将会有重大突破。这两项技术的发展和不断的成熟,将对人类社会的进步产生重大的影响。   
    另外,“能源金属”锂是用于制造氢弹的重要原料。海洋中每升海水含铿 15~20毫克,海水中锂总储量约为2.5×10 11 吨。随着受控核聚变技术的发展,同位素锂6聚变释放的巨大能量最终将和平服务于人类。锂还是理想的电池原料,含铿的铝捏合金在航天工业中占有重要位置。此外,锂在化工、玻璃、电子、陶瓷等领域的应用也有较大发展。因此,全世界对铿的需求量正以每年7%~11%速度增加。目前,主要是采用蒸发结晶法、沉淀法、溶剂萃取法及离子交换法从卤水中提取锂。   
    重水也是原子能反应堆的减速剂和传热介质,也是制造氢弹的原料,海水中含有 2×10 14 吨重水,如果人类一直致力的受控热核聚变的研究得以解决,从海水中大规模提取重水一旦实现,海洋就能为人类提供取之不尽、用之不竭的能源。

 

月球的核应用
    早在20世纪60年代末和70年代初,美国阿波罗飞船登月时,6次带回368.194千克的月球岩石和尘埃。科学家将月球尘埃加热到3000华氏度时,发现有氦等物质。经进一步分析鉴定,月球上存在大量的氦-3。科学家在进行了大量研究后认为,采用氦-3的聚变来发电,会更加安全。   
    有关专家认为,氦-3在地球上特别少,但是月球上很多,光是氦-3就可以为地球开发1万-5万年用的核电。地球上的氦-3总量仅有10-15吨,可谓奇缺。但是,科学家在分析了从月球上带回来的月壤样品后估算,在上亿年的时间里,月球保存着大约5亿吨氦-3,如果供人类作为替代能源使用,足以使用上千年。

 

安全核能
    当今,全世界几乎16%的电能是由441座核反应堆生产的,而其中有9个国家的40%多的能源生产来自核能。在这一领域,国际原子能机构作为隶属联合国大家庭的一个国际机构,对和平利用、开发原子能的活动积极加以扶持,并且为核安全和环保确立了相应的国际标准。国际原子能机构的作用相当于一个在核领域进行科技合作的政府间中心论坛。作为一个协调中心,该机构的设立便于在核安全领域交换信息、制订方针和规范以及应有关政府之要求提供如何加强核反应堆安全和避免核事故风险的方法。国际原子能机构还在旨在确保核技术的运用以求可持续发展的国际努力中扮演重要作用。   
    随着各国的核能计划增多,公众日益关注核安全问题,国际原子能机构在核安全领域的职责也扩大了。为此,国际原子能机构制订了辐射防护基准标准,并就特定的业务类型颁布了有关条例和业务守则,其中包括安全运送放射性材料方面的条例和业务守则。依据《核事故或辐射紧急援助公约》和《及早通报核事故公约》,一旦发生放射性事故,国际原子能机构会马上采取行动,确保向成员国提供紧急援助。   
    国际原子能机构还对其他几个核安全方面的国际条约担负着保存任务。这些国际条约包括:《核材料实物保护公约》,《维也纳核损害民事责任公约》,《核安全公约》以及《废燃料管理安全和放射性废物管理安全联合公约》。最后一个公约是针对核安全问题的第一个国际性的法律文书。国际原子能机构就各成员国实施原子能计划提供援助和咨询意见,并且积极推动各国就科技信息进行交流。该机构还帮助各国政府在水、卫生、营养及药物和食品生产等领域和平利用原子能。这方面一个突出的例子是利用核辐射技术所开展的突变育种工作。通过这一工作,将近2000个新的优良作物品种业已开发成功。   
    当前,围绕能源选择的问题争论不休。这场争论的起因是国际社会试图控制二氧化碳向大气层的排放,因为二氧化碳进入大气层导致了全球升温。国际原子能机构强调核能的种种好处,认为作为一种重要的能源来源,核能不存在温室气体和其他有毒气体排放的问题。通过其设在维也纳的国际核信息系统,国际原子能机构对几乎所有核科学和技术方面的信息进行收集和传播。国际原子能机构还与联合国教育、科学及学问组织合作,在意大利东北部城市的里雅斯特设立了国际理论物理中心。该中心拥有三个实验室,开展原子能基础应用方面的研究。国际原子能机构还与联合国粮农组织合作,开展原子能应用于粮食和农业生产领域的研究。该机构还与世界卫生组织合作,开展核辐射应用于医药和生物学领域的研究。此外,国际原子能机构在摩纳哥还设有海洋环境实验室。该实验室得到了联合国环境规划署和教育、科学及学问组织的协助,共同对全球海洋环境污染的情况进行研究。


 

2011-01-19
 
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