核能核能1.2 核能的和平利用核能的和平利用1. 2. 1核裂变和核聚变核裂变和核聚变 “核能”来源于保持在原子核中的一种非常强的作用力核力。 核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。取得核能的方式有两种：一是目前已达到实用阶段的核裂变方式，二是目前还处于研究试验阶段的核聚变方式。 自然界中的所有物质，将它们进行化学分解，就能分出氢、氧、铀等多种元素。这些元素结合起来便形成物质。保持物质性质的最小单位为分子。分子还可以分成原子，原子是代表元素的最小单位。原子由一个带正电荷的原子核和围绕该原子核周围的带负电荷的电子组成。原子核由质子和中子构成。图图3-1-5 核裂变反应示意图核裂变反应示意图1）核裂变2）核聚变 把一个氘核(质量数为2的氢核)和一个氚核(质量数为3的氢核)在高温、高压的环境下结合成一个氦核时，也会释放出核能，这就是所谓的氢核聚变，见图3-1-6。氢弹就是利用这个原理制成的氢弹的威力比原子弹要大得多。我们最熟悉的太阳其内部就在不断地进行着大规模的核聚变反应，由此释放出的巨大核能以电磁波的形式从太阳辐射出来，地球上的人类自古以来，每天都享用着这种聚变释放出的核能。图图3-1-6 核聚变反应示意图核聚变反应示意图 磁约束是前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的，他们期望用环行磁场这一“无形的河床来约束河水”。磁约束就是利用磁场将高温等离子体约束在一定的范围内。由于高温等离子体是由高速运动的荷电粒子（离子、电子）组成，如果利用设计的磁场来约束高温等离子体，使带电粒子只能沿着一个螺旋形的轨道运动，这样磁场的作用就相当于一个容器了（见图）。这就是磁约束系统的思想。 受这一思想的启发，前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈，利用电容器放电使真空室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，还改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合，即环流磁真空室的缩写。磁约束原理图磁约束原理图螺线管极向场环形场全超导托卡马克全超导托卡马克EAST（原名（原名HT7U）核聚变实验装置）核聚变实验装置 核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。 压水反应堆发电系统压水反应堆发电系统 核电站核电站 核电站和火电站的系统示意图核电站和火电站的系统示意图 20世纪50年代美苏等工业发达国家在进行核军备竞赛的同时,也竞相发展核电站,前苏联于1954年建成的电功率仅五千千瓦的试验性的第一所原子能电站和美国于1957年建成的电功率为九万千瓦的希平港原型核电站等证明了利用核能发电的技术可行性,国际上把这些试验性和原型核电机组称为第一代核电机组。在这些机组取得的经验的基础上,20世纪60年代中期以来陆续建成了一些电功率在30万千瓦以上的如压水堆、沸水堆、重水堆等核电机组。不仅进一步证明了核能发电的技术可行性,而且也证明了核电的经济性,即在经济上能与火电、水电相竞争。 20世纪70年代因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展,当时核电发展的速度远大于火电和水电,目前世界上正在商业运行发电的四百多座核电机组,绝大部分是在这段时期建成的,称为第二代核电机组. 目前,国际上开发的第三代核电堆型都是热中子堆,如压水堆、沸水堆、高温气冷堆;因为目前还只有热中子堆能有把握在近期实现商用化,我国第三代核电的堆型是电功率百万千瓦以上的压水堆.热中子反应堆，它是用慢化剂把快中子速度降低，使之成为热中子（或称慢中子），再利用热中子来进行链式反应的一种装置。由于热中子更容易引起铀235等裂变，这样，用少量裂变物质就可获得链式裂变反应。慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质，如重水、铍、石墨、水等。热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中，组成堆芯。链式反应就是在堆芯中进行的。 反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水（普通水）、重水、二氧化碳和氦气。 自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下三种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。 轻水堆又分为压水堆和沸水堆 。压水堆：高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在120160个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度即使300多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽 。沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。 沸水反应堆发电系统沸水反应堆发电系统 重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。 压力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷却和重水慢化、沸腾轻水冷却两种反应堆。这两种堆的结构大致相同。 重水堆的突出优点是能最有效地利用天然铀。由于重水慢化性能好，吸收中子少，这不仅可直接用天然铀作燃料，而且燃料烧得比较透。重水堆比轻水堆消耗天然铀的量要少，如果采用低浓度铀，可节省天然铀38%。在各种热中子堆中，重水堆需要的天然铀量最小。此外，重水堆对燃料的适应性强，能很容易地改用另一种核燃料。它的主要缺点是，体积比轻水堆大。建造费用高，重水昂贵，发电成本也比较高。 石墨气冷堆核电站 所谓石墨气冷堆就是以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂的反应堆。这种堆经历了三个发展阶段，产生了三种堆型：天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆。 天然铀石墨气冷堆 是天然铀作燃料，石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂的反应堆。 高温气冷堆 是石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的堆。它的简单工作过程是，氦气冷却剂流过燃料体之间，变成了高温气体；高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽带动汽轮发电机发电。 高温气冷堆有特殊的优点：由于氦气是惰性气体，因而它不能被活化，在高温下也不腐蚀设备和管道；由于石墨的热容量大，所以发生事故时不会引起温度的迅速增加；由于用混凝土做成压力壳，这样，反应堆没有突然破裂的危险，大大增加了安全性；由于热效率达到40%以上，这样高的热效率减少了热污染。但是高温气冷堆技术较复杂。 2000年1月,在美国能源部的倡议下,10个有意发展核能利用的国家派专家联合组成了“第四代国际核能论坛”(generation nuclear Energy International Forum,简称GIF),于2001年7月签署了合约(Charter),约定共同合作研究开发第四代核能系统(Gen)。这10个国家是:美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷。第四代核能系统开发的目标是到2030年或更早的时间里创新地开发出新一代核能系统,使其在安全性、经济性、可持续发展性、防核扩散以及防恐怖袭击等方面都有显著的先进性和竞争能力;它不仅要考虑用于发电或制氢等的核反应堆装置,还应把核燃料循环也包括在内,组成完整的核能利用系统。 GIF在2002年5月巴黎举行的研讨会上,选定了六种反应堆型的概念设计,作为第四代核能系统优先研究开发的对象。这六种堆型中,有三种是热中子堆,有三种是快中子堆。属于热中子堆的是:超临界水冷堆;很高温气冷堆;熔盐堆.属于快中子堆的是:带有先进燃料循环的钠冷快堆;铅冷快堆;气冷快堆. 可控热核聚变堆的前景展望可控热核聚变堆的前景展望 太阳之所以有这样大的高温高压,是因为它的质量是地球的33万倍,所以它的物质之间的相互引力特别大,足以克服带正电的氢原子核之间的正电斥力,使四个氢原子核聚合成一个氦原子核,就发出了能量。所以,太阳能本质上是核聚变能。 但是,在地球上我们就没有这样的条件。由于原子核都带正电,它们相互间的正电斥力远远大于质量引力,所以在地球上只能靠人工条件来实现聚变。多年的研究说明把原子核约束到一起的主要途径有二:磁约束和惯性约束.80年代以来,一些大型托卡马克(磁约束)装置取得的试验成果证明了这些聚变装置的输出能量能大于输入能量,宣告了磁约束受控热核聚变的科学可行性已被证实。 在此基础上,欧、美、日、俄四方联合开发的国际热核试验反应堆ITER已于1988年完成了工程设计,预期在2020年前建成,其设计功率为500MW,等离子体持续时间大于500s。如果这样一座大功率的聚变核反应堆能如期建成运行,将使聚变发电的工程可行性得到证实.2007年我国的能源消费结构，石油占197，天然气占32，煤炭占704 ，核能占08 ，水电占59 ，煤炭消费是我国能源消费的最主要部分.世界七大主要发达国家(美国、日本、德国、英国、法国、意大利和加拿大)2007年的平均能源消费结构为：石油386 ；天然气261 ；煤炭169；核能119 ；水电65。2007年除中国外，世界其他主要发展中国家(印度、巴西、墨西哥、阿根廷、南非和巴基斯坦)一次能源结构平均为：石油361；天然气251 ；煤炭247 ；核能16 ；水电125。我国核能发展战略 核电燃烧料链和煤电燃烧料链影响产生的危害比较 废物量比较上述数据的对比分析表明，核电与目前我国能源构成中的主体燃煤发电相比，可以明显减少二氧化碳的排放，对于环境保护和生命安全更为有利。当然前提是核电场必须保证安全运行，不发生核素向环境超剂量的核事故。核能发展存在两个制约因素：一是核事故，二是放射性废物对生核能发展存在两个制约因素：一是核事故，二是放射性废物对生态和环境的影响态和环境的影响。与燃煤火电厂相比，核电站对环境的影响主要是放射性污染。核电站排入环境中的放射性污染物的数量与反应堆类型、电站功率大小、净化能力、反应堆运行状况等因素有关。在早期，核电站每年排出的废水放射性强度较高，一般为几居里到几十居里。但20世纪70年代后期以来，年排放的放射性强度大大降低，一般小于5居里。在正常情况下由于核电站采用多重屏障保护，其对环境的放射性污染很轻微。即使生活在核电站周围的居民，从核电站排放的放射性核素中接受的辐射剂量，一般也不超过本底辐射剂量的1。只有在核电站反应堆发生堆芯熔化等罕见事故时，才可能对环境造成严重的污染。目前我国使用的核反应堆为压水堆，它有4道安全屏障，在设计上层层把关，纵深设防，万无一失。因此，尽管反应堆有较大的潜在危险，但由于采取了一系列特殊的安全措施，相对而言它比火电更安全。自民用核电站诞生以来，全世界也只发生过2起较大的事故：1979年美国的三里岛和1986年前苏联的切尔诺贝利核电站事故，而且这2起事故均系人为操作失误引起的。核电可能产生的放射性污染物主要是放射性废水、放射性废气和放射性固体废物。1座100万kW核电站，1年卸出的乏燃料约为25 t，其中主要成分是铀和钚等重金属。经过后处理提取其中的铀和钚以后，就减少到10 t。低放射性强度的放射性废物，通常经净化处理后可直排入环境中，中、高强度的放射性废物则必须进行固化处置后埋入地下，让其放射性核素在较长的时间里自然衰变，逐渐降低其放射性至环境能接受的水平。中、高放射性废物的处置费用较大，但其数量甚少。高水平放射性废物和长寿命超铀废物产生量更少，主要来自核燃料后处理中产生的高放废液。目前的处理技术是把这类高放废液转化为稳定的玻璃固化体，并配以非常耐久的贮存容器，以实施废物最终处置前的中间贮存。玻璃固化体不仅具有物理、化学和生物学意义上的稳定性，而且万一遇水后浸出的放射性核素也很少。从技术上，高放和超铀废物在几十年内的长期中间贮存是完全可以确保安全的。传统的高放废物的最终处置途径是建立地质处置库，即将废物封隔在位于几百米深的地下岩层处置库中，让放射性核素在较长的时间里自然衰变，逐渐降低其放射性至环境能接受的水平。我国秦山和大亚湾两处核电站从浇灌第一罐混凝土开始至首次并网发电，运行至今核燃烧组件包壳完好，蒸汽发生器管束无泄漏，无超标排放事件。核能利用的环保对策核能利用的环保对策我国主要通过行政、法律、经济、技术和教育五个方面的措施来强化核能利用中的环境保护。 在行政措施方面，严格实施对于核设施的环境影响评价制度及评审程序，严格实施“三同时”制度及建设过程中的检查和建设后的验收。 在法律措施方面，国家正在不断地完善相关的法律体系，2003年l0月实施了放射性污染防治法，目前正在草拟和组织修订相关的法律法规。国家环保局还会同有关部门制定了一系列有关核废物管理的环境政策。 在经济措施方面，我国借鉴国外的经验，对核废物管理也将采取“谁污染谁付费”的原则，将把废物的贮存、处理、处置费用纳入到电费之中。在技术措施方面，我国采用与国际上一致的基本要求， 在教育方面，培养相关的专业技术人才，对在岗的核从业人员进行系统的培训，确保核能的高效、安全生产，也保护工作人员自身。 在国际上，为了减小核能利用对环境的影响相应地出台一些环保公约，其中最重要的是“乏燃料管理安全和放射性管理安全联合公约”，它是当事国之间有关放射性废物安全管理，以及保护个人与环境免受放射性潜在影响的主要国际法约定，它揭开了国际核安全活动的新的一页。公约将可持续发展的要求融入到目标体系中，将具体目的归纳为3个方面：通过加强国家措施和国际合作，包括在适当情况开展有关安全的技术合作，实现与维持全世界乏燃料管理与放射性废物管理的高水平安全；在满足当代人的需要和愿望而又无损于子孙后代、满足其需要与愿望的能力的前提下，确保在乏燃料和放射性废物管理的一切阶段都有防止潜在危害的有效防御措施，以便在目前和将来保护个人、社会与环境免受电离辐射的有害影响；防止乏燃料或放射性废物管理的任何阶段发生有放射后果的事故和一旦发生事故时减轻事故的后果。