核能的和平利用及其两面性.doc

核能的和平利用及其两面性
资料整理：孙留辉
（城建学院 机械11-04）
摘要：随着世界现代化进程的发展，能源问题已经成为制约各国发展的主要问题，核能的发现及其利用对于解决能源问题起着至关重要地位。如何高效率的使用核能，避免核泄漏给环境及其人类带来的危害已成为各国科学家研究的主要方向。
关键词: 核能；和平利用；利与弊；

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=mc²，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：
核裂变，打开原子核的结合力。
核聚变，原子的粒子熔合在一起。
核衰变，自然的慢得多的裂变形式。
根据这一反应机理，通过现代技。可以和平的利用核能进行发电，满足其用电需求。
一·核能的和平利用
运用核能进行发电是有效利用核能的最好实例。
（一）核电的产生及发展
1951年美国首次在爱达荷国家反应堆试验中心进行了核反应堆发电的尝试，发出了100千瓦的核能电力，为人类和平利用核能迈出了第一步．此后不久，1954年6月，原苏联在莫斯科近郊粤布宁斯克建成了世界上第一座向工业电网送电的核电站，但功率只有5000kW．1961年7月，美国建成了第一座商用核电站——杨基核电站．该核电站功率近300MW，发电成本降至9.2美厘／度，显示出核电站强大生命力．今天，一些经济发达的国家．由于经济的高速发展与能源洪应的矛盾日趋突出，同时，传统的能源工业造成的环境污染及温室效应严重威胁人类生存环境，因此，不仅缺乏常规能源的国家如法国、日本、意大利等发展核电站，而且常规能源煤、石油、水电等非常丰富的国家如美国、加拿大等也在大力发展核电站．截止1995年全世界运转的核电站总数达438座．其中美国运转的核电站总数达109座，核发电量创下6730亿千瓦小时的最高记录，在美国电力生产中核电比例达22．5%．法国核发电量比前年增长4.9%，达3580亿千瓦小时，运行中的56座核电站发电量占全国总发电量76%，而且去年出口核电达700亿千瓦小时．核电已成为法国第六大出口产品．日本，由于其常规能源资源短缺，对核电的开发大为重视，目前运转中的51座核电站，供应全国28%的电力总需求，而且日本有关部门计划到2000年将核电量提高33%．
(二)核反应堆与核电站
能维持可控自持核裂变链式反应的装置称为核反应堆．
原子能工业是在第二次世界大战期间发展起来的．当时全力制造核武器以满足军事需要．50年代以来，原子能用于和平事业有了飞速发展，所以核反应堆类型和数量增多．按照核反应堆的用途分类，大体可分为下列几类：
(1)生产堆．主要用于生产易裂变材料和其他材料，或用于工业规模的辐照，称为生产堆．50年代建成的第一批石墨水冷堆和天然重水堆，都是生产军用239Pu，也就是使天然铀中大量的238U在堆内吸收中子转化成239Pu．239Pu是一种易裂变物质，可用作核武器原料，此外，还可把Li放在堆内受中子辐照而产生氚（H），氚是氢弹的重要原料．
(2)试验堆．主要是为取得设计或研制一座反应堆或一种堆型所需的堆物理或堆工程数据而运行的反应堆．例如用于核物理、放射化学、生物、医学研究和放射性同位素生产等，也可以用于反应堆元件、结构材料考验以及各种新型反应堆自身的静、动态特性研究等等．
(3)用于生产动力（发电、推进、供热）的反应堆称为动力堆，如核电站、核供热、核潜艇等所用的反应堆就是这种类型．目前常用的动力堆型分为四大类：
a．石墨气冷堆——包括最早的镁诺克斯堆，改进型气冷堆及高温气冷堆．该反应堆是以石墨为慢化剂，气体作冷却剂的堆型．镁诺克斯（Magnox）堆以天然铀为燃料，燃料包壳是镁诺克斯镁合金，用二氧化碳冷却．镁诺克斯进一步发展为高温气冷堆（HTGR）．它以氦为冷却剂避免了CO2对石墨的腐蚀作用，取消了用金属材料制成的燃料包壳，其燃料是碳化钠及碳化针混合物的颗粒（100—400μm），燃料颗粒弥散在石墨中，制成燃料元件，装入石墨砌块的燃料孔道中．由于以上措施，大大提高了中子的经济利用及运行温度，致使高温气冷堆热效率提高40%以上．此外高温气冷堆燃料中的钍是增殖原料，它可使反应堆获得较高的转换比目前我国清华大学核研院对高温气冷堆的研究取得了一系列重大成果．
b．轻水堆 轻水堆有两种类型，一是沸水堆，一是压水堆．两者均用轻水作慢化剂兼冷却剂；用低富集度二氧化铀制成芯块，装入锆合金包壳中作燃料，沸水堆不需另设蒸汽发生器、但由于蒸汽带有一定的放射性，对汽轮机的厂房要屏蔽，同时对检修增加了困难．据统计，当今核电站的80%为压水堆．我国秦山一期和大亚湾核电站均属此类．“九五”期间秦山二期工程、广东核电站以及辽宁核电站也将采用压水堆．
c．重水堆 重水堆是以天然铀作燃料，以重水堆作慢化剂的堆型．它是加拿大重点发展的堆型，以坎都（CANQL）型为代表．由于它用数百根压力管代替整体的压力容器，压力管可以成批生产，易于保证质量，在扩大堆容量时只须多加压力管数，有利于标准化．压力管内，可以实现不停堆装卸料．这样可控制各燃料棒束达到均匀的燃耗深度，有利于充分利用燃料，减少停堆时间，提高反应堆的有效利用率．而且重水堆采用天然铀为燃料，无需设立浓缩铀工厂，对分离能力不足的国家，发展此种堆型特别有利．我国“九五”期间，秦山核电三期工程将引进加拿大的重水堆．重水堆所用重水价格昂贵，防止泄漏及回收泄漏出的重水是一个特别棘手的问题．
d．钢冷快堆钠冷快堆就是钠冷却快中子堆在核能发电问题上，必须考虑增殖问题，否则对核燃料资源的利用是极为不利的．增殖堆的采用，可以将核燃料资源矿大数百倍快堆是利用中子实现核裂变及增殖．而前述石墨气冷堆，轻水堆和重水堆，都是热中子堆．对每次裂变而言，快堆的中子产额高于热中子堆，且所有结构材料对快中子的吸收截面小于热中子的吸收截面这就是实现增殖的原因．
钠冷快堆用金属钠作冷却剂．钠在98℃时熔化；883℃时沸腾，具有高于大多数金属的比热和良好的导热性能，而且价格较低，适合用作反应堆的冷却剂．
国际快堆的发展已有较长的历史，据报道，1995年8目29日，日本文殊28万千瓦快堆以5%的额定功率——l.4万千瓦并入电网．我国开发快堆技术始于60年代中后期，已取得丰硕成果．1987年底已将快堆纳入“863”高技术研究计划，计划2015年建成并推广单推功率100—150兆瓦的模块式快堆电站到2025年建成和推广增殖性能的1000—1500兆瓦的大型快堆．
不同类型的核反应堆，相应的核电站的系统和设备有较大的差异．以压水堆为例，核电站是由核反应堆、一回路系统、二回路系统及其他辅助系统组成．核反应堆是核电站动力装置的重要设备，同时，由于反应堆内进行的是裂变反应．因此它又是放射性的发源地．一回路系统由反应堆、主循环泵、稳压器、蒸汽发生器和相应的管道、阀门及其他辅助设备所组成，它形成一个密闭的循环回路，将核裂变所释放的热量以水蒸汽形式带出．二回路系统是将蒸汽的热能转化为电能的装置，并在停机或事故情况下，保证核蒸汽系统的冷却．辅助系统的主要作用是保证反应堆和回路系统能正常运行，为一些重大事故提供必要的安全保护及防止放射性物质扩散的措施．

我国的原子能科学技术，虽然起步晚，但经过30多年的努力，已具有雄厚的基础．60年代以来，我国成功地爆炸了原子弹、氢弹和研制成核潜艇．至今，原子能开发利用技术已达到一定的水平，它为核电的建设打下了良好的基础1991年12月15日，我国自行设计的秦山核电站一期工程30万千瓦压水堆机组并网发电成功．1993年底，广东大亚湾核电站已经成功运行．1995年，秦山核电站发电22亿千瓦时，大亚湾核电站已超额完成了100亿千瓦时的发电任务，这样，我国在1995年核发电已达到122千亿瓦时。
二．核能的利弊

（一）核电的安全性。
人们对核电站使用的担心集中在核安全问题上，如：核燃料的放射性，运行中的核事故，以及核废料处理等1979美国的三里岛核事故与1986年原苏联切尔诺贝利事故导致一些人对核电的恐惧心理，给和平利用核能蒙上阴影，经专家事后分析，三里岛事故和切尔诺贝利事故都在很大程度上是人为因素造成的．核能技术发展至今，已进入成熟阶段，尤其采用快中子增殖反应堆，既可提高核电站的安全系数，又较少产生核废料，而且所产生核废料较容易处理此外，这种反应堆还可少量处置老式反应堆产生的核废料，在燃烧过程中销毁老式反应堆产生核废料中放射性的钚及锕系元素．有关专家认为．此种反应堆具有很高的运行可靠性和安全性，并是目前销毁部分核废料的最佳方法．目前，国际核能界正致力发展快中子增殖堆（简称快堆）．此种反应堆运行时，一方面消耗核燃料，产生热能而发电，另一方面产生新的核燃料钚，并且产出大于消耗、这样，天然铀的单位消耗降低到原来的1／5—1／10．并保持核能的经济性；同时最主要是依靠核燃料、冷却剂、放射性废物及核工艺的其他组份所固有的基本物理化学性能和规律来消除事故，这将是人类“第二个核时代”的主要内涵．
（ 二）核电的环保性。
核电是清洁能源，对环境影响小，消耗资源也少。火电站利用化石燃料的燃烧所释放出的化学能来发电，核电站则利用核燃料的核裂变反应所释放的核能来发电。核能要比化学能大得多，所以核电站所消耗的核燃料比同样功率的火电厂所消耗的化石燃料要少得多。百万千瓦的发电机组，核电站一年仅需补充30吨核燃料，一辆重型卡车即可拉走，而火电厂却要消耗300万吨原煤，需要每天1列40节车厢的火车运输。

（三）核电的效益性。一座1百万千瓦的核电机组，需要大约110~130亿元的投资。根据专家实地察看后认为莆田市秀屿区埭头镇炉厝（属翁厝村）场址具备建设6~12台100万千瓦的核电机组，按照建设6台百万千瓦级核电机组估算，需要投资至少600亿元人民币，项目建成后预计每年将给当地带来17亿元左右的税收。项目建成后预计每年能增加5000万元左右的教育附加费，可以大大改善当地的教育条件。核电项目落户莆田市，巨大的投资必将拉动莆田市经济快速发展，并对莆田市的临海工业起到极大的推动作用。核电产业作为一个复杂产品系统，对相应的配套设施要求比较高，莆田市可以通过自身优势，寻找双方互利的切入点，发展机械制造业和服务业，抓住机会进行产业升级，推动整个核电产业链的发展。如：浙江省海盐县原先是个较为落后贫穷地区，秦山核电站落户海盐县后，年年都是地方税收缴纳大户，在建设期年均税收2亿元左右，至2006年核电产值高达50亿元，创税高达8亿元左右，有力地促进当地经济的发展，现在已经位居全国百强县中的第34位。以秦山二期两台65万千瓦核电机组为例，整个项目投资148亿元人民币，六个股东总共投入资金24个亿，项目计算期内（25年），给股东回报200个亿，给国家交纳税收200个亿，还款本、利200个亿，具有很好的经济效益。

（四）核电的局限性。核电项目虽然投资金额巨大，能够推动当地经济和社会的发展，但是核电项目落户当地，鉴于核电站的特殊性，在不同的距离范围内都要受到专门保护的限制。核电厂址的主要保护范围分为非居住区和限制区，另外还包括一些特殊保护范围。在以核电厂反应堆为中心半径0.5~1公里的非居住区内，应当保持厂址的水土和原貌，除核电厂的建筑物外，禁止建设任何永久性建筑物、采石、爆破、毁林取土、建造坟墓等。在以核电厂反应堆为中心半径7公里的限制区内，不得兴建大型工业企业、采矿企业和事业单位，特别是大型易燃、易爆、有毒、有腐蚀性、放射性等危险品生产企业及其运输、管线、仓库等设施，不得兴建监狱、大型港口及铁路枢纽；限制各类开发区的设立与发展；应控制新建医院、学校、疗养、旅游项目的规模；控制人口机械增长，不宜出现万人以上的集中居住人口中心。在距离厂址16公里范围内，不宜建设机场，包括空中走廊垂直投影距离边缘线在厂址4公里范围内的飞机航线。核电站排水口海水温度升温4度范围0.6平方公里，升温1度范围8平方公里。按照6台发电机组计算，新建核电站需要海域和陆地面积约4000亩。
虽然现在我们利用核能的技术在逐渐发展，但我们不得不去发现其中存在的一些安全隐患。日本福岛第一核电站核泄漏事故给我们又一次敲响了警钟。在核能利用方面，核武器的利用也会对人类产生不可估量的危害。所以，不管是在和平年代还是战争年代，我们都不要轻易去使用核武器。
和平利用核能利国利民。

参考文献：
[1] 王少杰 顾杜著. 《新编基础物理学》[M].北京：科学出版社出版，2009年7月版.
[2] 张三慧. 《大学物理学﹒核能》[M].北京：清华大学出版社，2000年8月版.
[3] 王毅航，张隽，等.微机接口技术实验装置的设计[J]. 实验室研究与探索，2008(11):

大学物理科技活动——小 论 文

（2012年秋季学期）

核能的和平利用及其两面性

姓名 孙留辉
班级 机械11-04
学号 07
指导教师 单亚拿

2012年11月