核――能源的未来

1、核能源的未来随着人类社会的发展、科技的进步,人们对能源需求量越来越大,而现在伴随这人类对自然资源的,尤其是不可再生资源的开发,使到人们不得不对未来资源担心起来,而在大家能够想到的解决能源问题的方法中,毫无疑问,开发核能是可能性最高和最可行的方法之一,有了对核能的利用,我们人类以后就不用再去担心资源的短缺了,下面就让我们来认识一下,究竟什么是核能呢?核能即原子能,它是原子结构发生变化而释放的能量。通常的化学反应,仅涉及原子与原子之间相互结合关系的变化,而原子核不发生变化。在原子核反应中,原子核的组成部分(中子和质子的相互关系发生变化。由于这些粒子之间结合的紧密程度,远远大于原子间结合的紧密程度,

2、因此核反应中的能量变化比化学反应大几百万倍。核能与化学能可做如下具体比较:1公斤标准煤燃烧释放能量29260焦尔1公斤石油燃烧释放能量418000焦尔1公斤铀-235裂变释放能量685.5亿焦尔1公斤抗流混和物聚变释放能量3385.8亿焦尔可用作能源的核反应,目前主要有重元素原子核(铀-235、铀-233、钚-239、钍的裂变反应和轻元素(氘、氚原子核的聚变反应两大类。核裂变是1942年首次点火实现的,可控核聚变许多国家正在紧张的研究之中,至今尚未实现。所以说,可控核聚变被认为属于下一世纪的能源。1954年,世界上第一座核电站在原苏联建成,从而开创了人类和平利用核能的新纪元。据统计,到1989

3、年底,在世界27个国家和地区中正在运行的核电反应堆达到434座,其中美国最多,有111座。现在世界上正在建造的核电反应堆有90多座。目前,核电已占世界发电量的17%。我们生活的地球上,核能资源非常丰富,可作裂变燃料的铀和可转化为核燃料的铁储量很大,相当于化石燃料总能量的10万倍以上。按照现在全世界能量消耗水平计算,可用上万年以上。轻核聚变产生的能量更为惊人,在海水中的抗达1亿吨,可供人类使用1000亿年。重原子核分裂,需要中子来引发。当中子跟重原子核碰撞并被吸收,重原子核就会立即分裂成两片。这两片其实是两个轻的原子核。裂变反应同时释放出中子和能量。新产生的中子跟其他原子核碰撞,引起新的裂变,这

4、样可形成链式反应。裂变反应释放出的中子速度很高(每秒几万公里称快中子。快中子不容易引起裂变,犹如高速子弹穿过物体,不能把物体打碎一样,而较慢的子弹却能把物体击碎。要把快中子减慢下来,使它达到容易引起铀-235裂变的速度(每秒几公里,需要采用慢化剂。常用的慢化剂有普通水、重水和石墨,相应的反应堆称为水堆、重水堆和石墨堆。石墨堆和重水堆可用天然铀作燃料,普通水堆由于吸收中子过多,不能用天然铀,而必须用浓缩铀作燃料。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,

5、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。核裂变,又称核分裂是指由重的原子,主要是指铀或鈈,分裂成较轻的原子的一种核反应形式。原子弹以及裂变核电站的能量来源都是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见,加热后铀原子放出2到4个中子,中子再去撞击其它原子,从而形成链式反应而自发裂变。撞击时除放出中子还会放出热,再加快撞击,但如果温度太高,反应炉会熔掉,因此通常会放控制棒(硼制成去吸中子以降低分裂速度。核聚变,又称核融合。是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核

6、反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量,原子核的变化(从一种原子核变化为另外一种原子核往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,叫核裂变,如原子弹爆炸;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,叫核聚变,如太阳发光发热的能量来源。相比核裂变,核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题,而且其原料可直接取自海水中的氘,来源几乎取之不尽,是理想的能源方式。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还有很长的路要走。在2005年,部份科学家相信已经成功做

7、出小型的核聚变1,并且得到初步验证2。首个实验核聚变发电站将选址法国3。目前主要的几种可控核聚变方式:超声波核聚变雷射约束(惯性约束核聚变磁约束核聚变(托卡马克核衰变是放射性核素自发地释放射线和能量,最终转化为其他稳定核素的过程。放射性核素在进行核衰变的时候,根据核素的性质可能放射出射线、射线、射线以及俘获电子等。由於一个原子的衰变是自然地发生,即不能预知何时会发生,因此会以机会率来表示。每颗原子衰变的机率大致相同,做实验的时候,会使用千千万万的原子。当原子开始发生衰变,其数量会越来越少,衰变的速度也会因而减慢。例如一种原子的半衰期为一小时,一小时后其未衰变的原子会剩下原来的二分一,两小时后会

8、是四分一,三小时后会是八分一。原子的衰变会产生出另一种元素,并会放出阿尔法、贝塔粒子或中微子,在发生衰变后,该原子也会释出伽马射线。根据爱因斯坦的质能守恒公式E = mc2,衰变是其中一个把质量转为能量的方式。通常衰变所产生的产物多也是带放射性,因此会有一连串的衰变过程,直至该原子衰变至一稳定的同位素。发生核衰变的放射性核素有的是在自然界中出现的天然放射性同位素,如碳14,但其衰变只会经过一次衰变转为氮14原子,并不会一连串地发生。也有很多是经过粒子对撞等方法人工制造的核素。核电是一种清洁、安全、技术成熟、供应能力强、能大规模应用的发电方式,国际核能的应用经历了对核电机组的从第一代到第三代不断

9、改进的过程,目前,国际第四代核能利用系统研究提出了反应堆设计和核燃料循环方案的新概念,我国核电已由起步进入发展阶段,具有自主设计建造第二代核电的能力,我国已做出积极推进核电发展的重大决定,加快我国核电建设,提高核电在电力供给中的比重,这将有助于缓解电力增长与交通运输、环境保护的矛盾,核能利用的发展前景将越来越广阔。核能利用是解决能源问题必由之路,它在能源中的比例将逐步加大,从而改善能源结构,并有希望在将来彻底解决人类对能源的需求。然而,核能的开发利用是一个循序渐进的长期进程,按其科技难度和实现产业化的前景展望,大致可分为三个阶段:第一阶段是热中子反应堆,第二阶段是快中子增殖堆,第三阶段是可控聚

10、变堆。这三阶段需要互相衔接和交叉,逐步进入实用,实现产业化。积极发展核电,因为核能有其无法取代的下列优点:(1核能是地球上储量最丰富的能源,又是高度浓集的能源。1t金属铀裂变所产生的能量,相当于270万t标准煤。地球上已探明的核裂变燃料,即铀矿和钍矿资源,按其所含能量计算,相当于有机燃料的20倍,只要及时开发利用,便有能力替代和后续有机燃料。更进一步说,地球上还存在大量的聚变核燃料氘,能通过聚变反应产生核能。1t氘聚变产生的能量相当于1100万t标准煤,氘即重水中的“重氢”,普通水中有七千分之一的重水,故地球上存在约40万亿t氘。所以聚变反应堆成功以后,能源真可谓取之不尽,用之不竭,人类将不再

11、为能源问题所困扰。(2核电是清洁的能源,有利于保护环境。目前世界上大量燃烧有机燃料的后果是足堪忧虑的。燃烧后排出大量的二氧化硫、二氧化碳、氧化亚氮等气体,不仅直接危害人体健康和农作物生长,还导致酸雨和大气层的“温室效应”,破坏生态平衡。比较起来核电站就没有这些危害。核电站严格按照国际上公认的安全规范和卫生规范设计,对放射性三废,原则上是回收处理储存,不往环境排放,排往环境的只是处理回收后残余的一点尾水尾气,数量甚微,对环境没有实质性的影响。(3核电站坚持安全第一、质量第一的方针,正确设计、高质量建造和按规范运行的核电站,其安全是有保证的。(4核电的经济性能与火电竞争。电厂每kw·h的

12、成本是由建造折旧费、燃料费和运行费这3部分组成的。主要是建造折旧费和燃料费。核电厂由于考究安全和质量,建造费高于火电厂,但燃料费低于火电厂,火电厂的燃料费约占发电成本的4O%6O%,而核电厂的燃料费则只占2O%左右。总的算起来,核电厂的发电成本是能与火电相竞争的。(5发展核电有利于减轻交通系统对燃料运输的负担。1座100万kW 的燃煤火电机组每天需烧煤约1万t,1年约需300万t,而1座lOOkW 的核电机组每年仅需核燃料30 t,可见核燃料运输量仅是煤运输量的十万分之一,大大减轻交通运输负担。(6以核燃料代替煤和石油,有利于资源的合理利用。煤和石油都是化学工业和纺织工业的宝贵原料,能用它们创造出多种产品。它们在地球上的储藏量是很有限的;作为原料,