第一章核能基础知识   核能是原子核发生变化时所释放一种能量,又称“原子能”。原子能在现在社会里的应用是非常广泛的,例如其中的放射性同位素放出的射线在医疗卫生、食品保鲜等方面的应用就是原子能应用的一个重要方面。或许单单的核能的重要性说服力会显得单薄,但是如果你知道了以下事实:在发现原子能以前,人类只知道世界上有机械能,如汽车运动的动能;有化学能,如燃烧酒精转变为二氧化碳气体和水放出热能;有电能,当电流通过电炉丝以后,会发出热和光等。是不是发现核能和这些能量是有性质上的差别呢,是的这些能量的释放,无论在当时是多么的先进,但是它们都不会改变物质的质量,只会改变能量的形式。   核能的发展史   核能又称“原子能”,是原子结构发生变化时从原子核中释放出的一种能量,为不可再生能源。核能的释放过程和结果符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。核能通过核裂变,或者核聚变或者核衰变进行释放。其中核裂变能打开原子核的结合力;核聚变使原子的粒子熔合在一起;核衰变是自然的慢得多的裂变形式。   ※苏联的核能灯塔核能是人类历史上的一项伟大发明,早期西方科学家通过探索和实验发现了它,同时西方科学家的努力和坚持更是为核能的应用奠定了基础。例如,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并将它称为质子;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等等,核能的发展是科学家们一步一步努力得来的。   ※核能发电的过程   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,它们都不会改变物质的质量。随着人们对核能的认识,同时应二战之需,原子弹应运而生了。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。1954年苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。   ※奥布灵克核电站   核能是未来能源,也是自发现以来不断被应用的能源,其中核能发电就是一项应用于生活中的实例。可以说在核能发电的发展中动力堆的发展功不可没。动力堆的发展最初是出于军事需要,随着军事需求而不断发展。自1954年苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦(电)的核电站之后,核电站的发展迅速展开,英、美等国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。核能发电真正迈入了实用阶段。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)。20世纪80年代因化石能源短缺的问题日益突出,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%。中国大陆的核电起步较晚,20世纪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。虽然我们的起步晚,但是中国人一直在努力。核电站的建立是为了解决能源需求,是为人们更好的生活质量的。   知识链接·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收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。   核电站是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的。这种发电方式与火力发电极其相似,只不过它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。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),比较起来所需要的燃料体积比火力电厂少很多。举例而言,核电厂每年要用掉80吨的核燃料,只要两支标准货柜就可以运载。如果换成燃※在上方拍摄的核电站   ※核电站内部结构   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692万户的瓦斯用量如此换算下来,核能在电力上的应用要比煤炭节省的多,而且少了燃烧煤炭带来的过多的二氧化碳的问题。   因为发电所使用的铀燃料,除了发电外,暂时没有其他的用途。凡事都具有两面性,核能发电也不例外,有着自身的优点,但是也不可避免存在的缺点。它的优点显而易见,如核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳;核能发电不会造成空气污染,因为核能发电不像化石燃料发电那样排放大量的污染物质到大气中;核能发电所使用的铀燃料,除了发电外,暂时没有其他的用途,充分利用了铀燃料;核燃料能量密度比化石燃料高几百万倍,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;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。   核电站的缺点有: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中,故核能电厂的热污染较严重;核能电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高;兴建核电厂较易引发政治歧见纷争;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中,会对生态及民众造成伤害;核能电厂会产生高低阶放射性废料,或者是使用过的核燃料,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。   总体上说核能是最有希望的未来能源,虽然有着自身的缺点,但是它的光芒是无法掩盖的,相信随着技术人员的不断研究,那些缺点给人类带来的伤害会得到妥善的解决的。   1.你知道核能是谁发现的吗?   2.核能的原理是什么呢?   3.核能的优点和缺点是什么呢?   核能的知识   ※核能仪器◎原子及原子核   原子指化学反应的基本微粒。我们知道世界上的一切物质都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的原子构成的。原子核包括带正电的质子和电中性的中子,其中质子数决定该原子属于何种元素,原子的质量数是质子数和中子数之和。如一个铀-235原子是由原子核(由92个质子和143个中子组成)和92个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球,那么原子核就相当于一个乒乓球的大小,就是这样体积很小的原子核,在一定条件下能释放出的能量会无比的惊人。   ◎铀的同位素   同位素是指质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子,它们在化学元素周期表上占据同一个位置。简单来说,同位素就是指某个元素的各种原子,它们具有相同的化学性质。按质量不同通常可以分为重同位素和轻同位素。核能发电的燃料铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235,它们所占的比例分别为99.3%和0.7%。除此之外,自然界中还有微量的铀-234。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。   ◎重核裂变   ※重核裂变   重核裂变指的是一个重原子核,主要是指铀或者钚,分裂成两个或多个中等原子量的原子核,引起链式反应,从而释放出巨大的能量。例如,当用一个中子轰击U-235的原子核时,它就会分裂成两个质量较小的原子核,同时产生2~3个中子和β、γ等射线,并释放出约200兆电子伏特的能量。如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核,便引起新的裂变。以此类推,裂变反应不断地持续下去,从而形成了裂变链式反应,与此同时,核能也连续不断地释放出来。裂变有着重大的实用价值。裂变是一个极复杂的核过程,研究这一过程有助于原子核物理学的发展。   ◎轻核聚变   所谓轻核聚变是指在高温(几百万度以上)下把轻核结合成质量较大的核并放出大量能量的过程,也称热核反应。轻核聚变是取得核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力,因此在一般的温度和压力下,很难发生聚变反应。而在太阳等恒星内部,压力和温度都极高,所以就使轻核有了足够的动能来克服静电斥力从而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行,故称为“热核聚变反应”。氢弹是利用氘、氚原子核聚变反应时瞬间释放出巨大能量这一原理制成的,但它释放能量有着不可控性,所以有时造成了极大的杀伤破坏作用。科研人员称目前正在研制的“受控热核聚变反应装置”就应用了轻核聚变原理,而且由于这种热核反应是人工控制的,所以可作为一种人为控制的能源。   ◎核聚变的应用   ※核聚变内部的反应装置※核聚变的反应装置   托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。这种装置是目前可行性较大的可控核聚变反应装置。它的名字Tokamak来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是20世纪50年代由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。事实上产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度达到1500万℃,另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应,但是地球上没办法获得巨大的压力,只能通过提高温度来弥补,而且这样一来温度也要达到上亿度才行。没有一种固体物质能够承受核聚变如此高的温度,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成问题。不过在2010年2月6日,美国利用高能激光实现了核聚变点火所需的条件。中国的“神光2”将为我国的核聚变进行点火。总体来说,核聚变的会在未来起到很大的作用,因此,世界很多国家都在努力的研发。   知识链接   一种新能源—核能   目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍处于绝对优势,但此种能源不仅燃烧利用率低,而且污染环境,它燃烧所释放出来的二氧化碳等有害气体容易造成“温室效应”,使地球气温逐年升高,造成气候异常,加速土地沙漠化过程,给社会经济的可持续发展带来严重影响。与火电厂相比,核电站是非常清洁的能源,不排放这些有害物质也不会造成“温室效应”,因此能大大改善环境质量,保护人类赖以生存的生态环境。   世界上核电国家的多年统计资料表明,虽然核电站的投资高于燃煤电厂,但是,由于核燃料成本远远地低于燃煤成本,相反核燃料反应所释放的能量却远远高于化石燃料燃烧所释放出来的能量,而且核燃料取之不竭,这就使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。   ◎核能是可持续发展的能源   核裂变的主要燃料铀和钍,它们在世界上的储量分别约为490万吨和275万吨,这组数据是估算而来的,并没有确切的答案。这些裂变燃料足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂,1升海水能提取30毫克氘,在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量,即“1升海水约等于300升汽油”,地球上海水中有40多万亿吨氘,足够人类使用百亿年。地球上的锂储量有2000多亿吨,锂可用来制造氚,足够人类在聚变能时代使用。而且以目前世界能源消费的水平来计算,地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量,可供人类使用上千亿年。因此,有关能源专家认为,如果未来核聚变技术成功和成熟的话,人类将能从根本上解决能源问题。   ※核工业   核工业的主要业务范围包括:铀矿勘探、铀矿开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、设备制造与加工、安全防护及环境保护。   我们知道核工业最基本的原料就是铀。为了更好的发展核工业,因此,必须进行铀矿地质勘探,其目的是查明和研究铀矿床形成的地质条件,总结出铀矿床在时间和空间上的分布规律,并用此规律指导普查勘探,探明地下的铀矿资源。普查勘探工作的程序为区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等,同时还要求工作人员进行地形测量、地质填图、原始资料编录等一系列的基础地质工作,要求工作人员必须细致认真的工作。   铀矿开采是生产铀的第一步。其任务是从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石,或将铀经化学溶浸,生产出液体铀化合物。由于铀矿有放射性,所以铀矿开采有其特殊方法。常用的主要有三种:露天开采、地下开采和原地浸出。露天开采一般用于埋藏较浅的矿体,方便剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露,然后进行采矿。地下开采一般用于埋藏较深的矿体,此种方法的工艺过程比较复杂。与以上两种法方法相比,原地浸出采铀具有生产成本低,劳动强度小等优点,但其应用有一定的局限性,仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床。其方法是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带,通过化学反应选择性地溶解矿石中的有用成分——铀,并将浸出液提取出地表,而不使矿石绕围岩产生位移。   铀矿石加工的主要步骤包括:矿石品位、磨矿、矿石浸出,母液分离、溶液纯化、沉淀等工序。铀矿石加工的目的是将开采出来的具有工业品位或经放射性选矿的矿加工富集,使其成为含铀较高的中间产品,即通常所说的铀化学浓缩物。将此种铀化学浓缩物精制,进一步加工成易于氢氟化的铀氧化物将其作为下一步工序的原料。   矿石被开采出来后,要将其破碎磨细,使铀矿物充分暴露,这样更有利于浸出。之后再采用一定的工艺,借助一些化学试剂(即浸出剂)或其他手段将矿石中有价值的组分选择性地溶解出来。浸出方法有酸法和碱法两种方法。由于浸出液中铀含量低,而且杂质种类既多含量又高,所以必须将杂质去除才能确保铀的纯度。实现这一过程,可以选择离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法两种方法。   为了提高铀-235浓度所进行的铀同位素的分离处理称为浓缩。通过浓缩可以为某些反应堆提供铀-235浓度符合要求的铀燃料,现今所采用的浓缩方法有气体扩散法、分离法、激光法、喷嘴法、电磁分离法、化学分离法等,其中气体扩散法和离心分离法是现代工业上普遍采用的浓缩方法。浓缩处理是以六氟化铀形式进行的。   ※铀矿开采   铀矿床是分散在地壳中的铀元素在各种地质作用下不断集中,最终形成的铀矿物的堆积物。并不是所有的铀矿床都有开采和进行工业利用价值的。因此了解铀矿床的形成过程,对铀矿普查勘探具有十分重要的指导意义。据统计,在已发现的170多种铀矿床及含铀矿物中,具有实际开采价值只有14%~18%。影响铀矿床工业的两个主要因素是矿石品位和矿床储量。此外,评价的因素还有矿石技术加工性能、矿床开采条件、有用元素综合利用的可能性和交通运输条件等。   ※铀矿石的加工   经过提纯或浓缩的铀,仍然不能直接用作核燃料。必须经过化学,物理、机械加工等处理后,制成各种不同形状和品质的元件,才能供反应堆作燃料来使用。所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。它是核工业体系中的重要组成部分。核燃料循环通常分为前端和后端两部分,前端包括铀矿勘探、铀矿开采、矿石加工(包括选矿、浸出、提取和沉淀等工序)、精制、转化、浓缩、元件制造等;后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物进行处理、贮存和处置。   核燃料元件种类繁多,按组分特征来分,可分为金属型、陶瓷型和弥散型;按几何形状来分,有柱状、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件;按反应堆来分,可以分为试验堆元件、生产堆元件、动力堆元件(包括核电站用的核燃料组件)。   虽然核燃料元件种类繁多,但是一般都是由芯体和包壳组成的。由于它长期在强辐射、高温、高流速甚至高压的环境下工作,所以对芯片的综合性能、包壳材料的结构和使用寿命都有很高的要求。由此也可以看出核燃料元件的制造是一种技术含量很高的科技。   经过辐照的燃料元件,从堆内卸出时总会含有一定量未分裂和新生的裂变燃料。对乏燃料后处理的目的就是回收这些裂变燃料如铀-235,铀-233和钚,然后利用它们再制造新的燃料元件或用做核武器装料。此外,回收转换原料(铀-238,铯-137,锶-90),提取处理所生成的超铀元素以及可用作射线源的某些放射性裂变产物(如铯-137,锶-90等),都有很大的科学和经济价值。但是这项工序放射性很强,毒性也大,容易发生临界事故,因此在进行乏燃料的后处理时一定要加强安全防护措施。   后处理工艺一般分为四个步骤:冷却与首端处理、化学分离、通过化学转化还原出铀和钚、通过净化分别制成金属铀(或二氧化铀)及钚(或二氧化钚)。冷却与首端处理即脱除元件包壳,溶解燃料芯块,也就是冷却将乏燃料组件解体。化学分离(即净化与去污过程)是将裂变产物从U-Pu中清除出去,然后用溶剂淬取法将铀-钚分离并分别以硝酸铀酰和硝酸钚溶液形式提取出来,后两个步骤显而易见,这里就不再赘述。   ※三废处理   通常的工业三废是指“废水”、“废气”、“废渣”,在核工业生产和科研过程中,也会产生“三废”,且和工业三废差不多,指的是在核工业生产和科研过程中产生的一些不同程度放射性的固态、液态和气态的废物。在这些废物中,放射性物质的含量虽然很低,危害却很大。普通的外界条件(如物理、化学、生物方法)对放射性物质基本上不起作用。因此在放射性废物处理过程中,除了靠放射性物质的衰变使其放射性衰减外,就只能采取多级净化、去污、压缩减容、焚烧、固化等措施将放射性物质从废物中分离出来,使放射性物质的废物体积尽量减小,并改变其存在的状态,以达到安全处置的目的。这个过程称为“三废处理与处置”。能源是现代社会发展的重要物质基础,是实现经济增长的重要生产要素;发展水平越高,生活质量越高,能源消耗和人均用电量也越高,核能是人类发展的希望,了解关于核能的相关知识,也能让我们对未来更加充满信心。   1.核能的获得途径是什么呢?   2.核能的一种新能源是什么呢?   3.核能是什么能源呢?   中国核能发展的趋势   ※核电站外   中国人的生活在改革开放的三十年中发生了巨大的变化,其中仅人均能源消费就从1978年的0.59吨标煤,提高到了2005年的170吨标煤。2006年发电量为2.83万亿千瓦时,比2005年增长13.5%,人均用电量2149千瓦时,约为世界平均水平的75%,不足美国的1/10,发展任务很重;能源生产和消费结构不合理,煤炭占一次能源的70%;石油消费的对外依存度不断提高;国家提倡大力发展可再生能源和核电,使得中国核电进入了加快发展的历史新阶段。核电站只需消耗很少的核燃料,就可以产生大量的电能,每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如,一座100万千瓦的火电站每年耗煤三四百万吨,而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨。核电的另一个优势是干净、无污染,几乎是零排放,中国正在加大能源结构调整力度,积极发展核电、风电、水电等清洁优质能源。中国能源结构仍以煤炭为主体,清洁优质能源的比重偏低。因此对于发展迅速但环境压力较大的中国来说,真的再合适不过。   虽然日本地震所引起的核辐射危机的影响,已经大大超过地震和海啸本身,它引起了世界范围内的恐慌,它对包括中国在内的许多国家的能源政策也都会产生影响,但中国能源政策的大方向很难因此改变。   我们可以从中国能源政策和战略上看到,核能是今后长期的发展重点。根据“十二五”规划,到2015年,中国计划新建40个机组,每年新上马的机组多达8个。从长期发展来看,发展核电是中国调整能源结构、缓解常规能源供应压力和实现减少温室气体排放目标的必然选择。在当前中国加速经济转型的背景下,煤炭等化石燃料无法解决电力供应紧张和节能减排压力等问题,新能源如风电、太阳能等因为受地理环境、气候条件、架设线路等因素制约,在未来国家经济发展过程中只能起到补充和调节效果,难以发挥主要作用。另外,中国大江大河上的水电站也基本饱和,水电资源开发潜力已经十分有限,选择清洁高效能源的核电,是中国能源发展的一个必然趋势,因此基本可以肯定中国能源发展的大方向不会因为日本核电站的泄漏事件而改变。   ※中国早期的核电站而且从客观上讲,我国在传统能源上表现为“多煤、贫油、少气”的基本特征,再加上必须面对国际上应对气候变化的巨大压力,因此对能源结构进行调整,全面推动能源生产和利用方式变革,加快能源发展方式转变,走绿色低碳发展之路,已成为今后我国能源发展战略的主攻方向,绝对没有可能改变。   中国核电从上世纪80年代开始起步,2004年,已建成核电机组11台,装机容量910万千瓦,2006年发电量为548亿千瓦时,占全国发电量的193%,2006年,浙江、广东两省的核电上网电量分别占其统调上网电量的16%、12%;《核电中长期发展规划》提出应积极推进我国核电发展的方针;到2020年,我国核电装机容量达到4000万千瓦,在建1800万千瓦;2005~2010年,新建1600万千瓦,是前20年总和的175%;2011~2020年,新建3800万千瓦,是前一个十年的236%;中国只在沿海地区发展核电的格局将被打破,核电建设向内陆地区迈进,中国成为新世纪第一个把宏伟核电规划变为实际行动的国家。人们希望核电在中国能源结构中的比例越来越大,核电在中国的发展面临着难得的历史性机遇。   经过二十多年的发展,并且从世界范围内核电发展总趋势来看,中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行,当前发展压水堆,中期发展快中子堆,远期发展聚变堆。具体地说就是,近期发展热中子反应堆核电站;为了充分利用铀资源,采用铀钚循环的技术路线,中期发展快中子增殖反应堆核电站;远期发展聚变堆核电站,从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾,期待中国核电技术的进步,以便更好的为人类服务。   知识链接   据统计,核电站正常运行的时候,一年给居民带来的放射性影响,还不到一次X光透视所受的剂量。此外,核电站的安全性强。从第一座核电站建成以来,全世界投入运行的核电站达400多座,30多年来基本上是安全正常的。虽然有1979年美国三里岛压水堆核电站事故和1986年苏联切尔诺贝利石墨沸水堆核电站事故,但这两次事故都是由人为因素造成的。随着压水堆的进一步改进,核电站有可能会变得更加安全。   ※核能有巨大的威力我们知道核能具有巨大的开发价值,也有着巨大的威力。1千克铀原子核全部裂变释放出来的能量,约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能,而核聚变反应释放的能量则更巨大。据测算1千克煤只能使一列火车开动8米;一千克裂变原料可使一列火车开动4万千米;而1千克聚变原料可以使一列火车行驶40万千米,相当于地球到月球的距离。   前边已经提到地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等裂变资源,如果把它们的裂变能充分利用,可以满足人类上千年的能源需求。在大海里,还蕴藏着不少于20万亿吨核聚变资源——氢的同位元素氘,如果可控核聚变在21世纪前期变为现实,这些氘的聚变能将可顶几万亿亿吨煤,能满足人类百亿年的能源需求。更可贵的是核聚变反应中几乎不存在反射性污染。聚变能称得上是未来的理想能源。因此,人类已把解决资源问题的希望,寄托在核能这个世界未来的巨人身上了。   虽然核能有着这样那样的好处,然而短期内核电不会成为中国能源供给的主流。中国经济正处于工业化阶段,具有重化工产业特征,经济发展必然需要大量能源,能源消费增长属于刚性增长,而且高能耗工业部门大都是支柱产业,经济要发展、人民生活水平要提高,必须依赖于这些支柱产业。因此,在今后相当长时期内,传统化石能源尤其是煤炭和石油将依然是主体能源,同时天然气工业将得到快速发展,新能源和可再生能源保持一定增长势头,但总体能源结构以化石能源为主的基本格局很难改变,转变需要的过程艰巨而漫长,但是相信在适合的时机一定会真正的转变的。   另外,从可再生能源的资源潜力上来看,中国并不具备尽快摆脱对传统化石能源依赖的可能性,何况在可再生能源开发技术上和经济上也不具备大规模替代传统化石能源的可行性。尽管中国在最近几年来,十分重视新能源和可再生能源产业发展,但在低碳清洁能源的资源潜力、开发利用和技术创新方面与国际先进水平还存在较大差距,如大型风电的关键设备、太阳能光伏电池、燃料电池、生物质能及氢能等技术都处于起步阶段,存在产业规模小、经营分散、技术含量低和资源潜力不足等一系列问题。中国要实现新能源和可再生能源的快速发展,不但需要克服关键技术瓶颈,同时也面临着资源潜力不足的问题,因此要利用新能源和可再生能源开发来实现能源结构调整的目标,在较长时期内显然无法做到。   当然,总而言之,在中国与其他新能源相比,核能开发利用是拥有一定的基础和经验的能源之一,在技术上也逐渐成熟和完善,因此为了调整能源结构,尤其是为了在一定程度上降低传统化石能源的比重,发展核能就成为必然选择,没有理由改变既定的发展方向。   随着世界范围内核能的开发和利用,我们需要清醒地看到,国际原子能机构的工作仍然任重道远,必须对以下方面给予高度重视。   首先,自核能被发现之日起,其既可造福人类又能毁灭文明于一旦的双刃剑特性使防止核扩散与和平利用核能两项工作变得相辅相成,不可偏废。进入21世纪后,全球防核扩散和防止核恐怖主义的形势愈加错综复杂。如何在新形势下开发新理念和新技术,确保核查机制的有效性,妥善应对国际核领域的新情况、新问题,已成为国际原子能机构履行防核扩散义务必须面对的另一项艰巨任务。   其次,随着核电在全球电力供应中地位的不断提升,如何确保核燃料可靠供应开始成为国际社会关注的焦点。由于多边核燃料供应问题涉及政治、经济、法律、技术、安全、保安和防扩散等各个方面,十分复杂,因此,如何在普遍参与和充分协商的基础上,照顾各方特别是广大发展中国家的合理建议,切实拿出为大多数国家所接受的解决方案,避免经济技术问题政治化,是国际原子能机构必须认真考虑的问题。   再次,随着全球经济的快速增长和气候变化威胁的日益严峻,越来越多的发展中国家开始将目光转向核能。作为核领域的重要政府间国际组织,国际原子能机构如何充分利用自身资源,满足成员国在核安全监管体系和基础设施建设、工程项目管理能力提高、核人力资源培养等方面日益增长的需求,直接关系到国际核能事业的可持续发展。   核能,作为一把双刃剑,是中国未来能源利用的必然趋势,有很大的好处,但是又需要时间,同时也伴随着巨大的风险。不仅是中国,世界各个发展核能的国家都要注意,不能为了一己之私,毁了人类生活的家园。   1.中国能源结构以什么为主呢?   2.如何用反应堆产生核能呢?   3.核燃料都有什么呢? 第一章核能基础知识   核能是原子核发生变化时所释放一种能量,又称“原子能”。原子能在现在社会里的应用是非常广泛的,例如其中的放射性同位素放出的射线在医疗卫生、食品保鲜等方面的应用就是原子能应用的一个重要方面。或许单单的核能的重要性说服力会显得单薄,但是如果你知道了以下事实:在发现原子能以前,人类只知道世界上有机械能,如汽车运动的动能;有化学能,如燃烧酒精转变为二氧化碳气体和水放出热能;有电能,当电流通过电炉丝以后,会发出热和光等。是不是发现核能和这些能量是有性质上的差别呢,是的这些能量的释放,无论在当时是多么的先进,但是它们都不会改变物质的质量,只会改变能量的形式。   核能的发展史   核能又称“原子能”,是原子结构发生变化时从原子核中释放出的一种能量,为不可再生能源。核能的释放过程和结果符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。核能通过核裂变,或者核聚变或者核衰变进行释放。其中核裂变能打开原子核的结合力;核聚变使原子的粒子熔合在一起;核衰变是自然的慢得多的裂变形式。   ※苏联的核能灯塔核能是人类历史上的一项伟大发明,早期西方科学家通过探索和实验发现了它,同时西方科学家的努力和坚持更是为核能的应用奠定了基础。例如,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并将它称为质子;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等等,核能的发展是科学家们一步一步努力得来的。   ※核能发电的过程   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,它们都不会改变物质的质量。随着人们对核能的认识,同时应二战之需,原子弹应运而生了。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。1954年苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。   ※奥布灵克核电站   核能是未来能源,也是自发现以来不断被应用的能源,其中核能发电就是一项应用于生活中的实例。可以说在核能发电的发展中动力堆的发展功不可没。动力堆的发展最初是出于军事需要,随着军事需求而不断发展。自1954年苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦(电)的核电站之后,核电站的发展迅速展开,英、美等国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。核能发电真正迈入了实用阶段。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)。20世纪80年代因化石能源短缺的问题日益突出,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%。中国大陆的核电起步较晚,20世纪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。虽然我们的起步晚,但是中国人一直在努力。核电站的建立是为了解决能源需求,是为人们更好的生活质量的。   知识链接·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收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。   核电站是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的。这种发电方式与火力发电极其相似,只不过它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。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),比较起来所需要的燃料体积比火力电厂少很多。举例而言,核电厂每年要用掉80吨的核燃料,只要两支标准货柜就可以运载。如果换成燃※在上方拍摄的核电站   ※核电站内部结构   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692万户的瓦斯用量如此换算下来,核能在电力上的应用要比煤炭节省的多,而且少了燃烧煤炭带来的过多的二氧化碳的问题。   因为发电所使用的铀燃料,除了发电外,暂时没有其他的用途。凡事都具有两面性,核能发电也不例外,有着自身的优点,但是也不可避免存在的缺点。它的优点显而易见,如核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳;核能发电不会造成空气污染,因为核能发电不像化石燃料发电那样排放大量的污染物质到大气中;核能发电所使用的铀燃料,除了发电外,暂时没有其他的用途,充分利用了铀燃料;核燃料能量密度比化石燃料高几百万倍,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;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。   核电站的缺点有: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中,故核能电厂的热污染较严重;核能电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高;兴建核电厂较易引发政治歧见纷争;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中,会对生态及民众造成伤害;核能电厂会产生高低阶放射性废料,或者是使用过的核燃料,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。   总体上说核能是最有希望的未来能源,虽然有着自身的缺点,但是它的光芒是无法掩盖的,相信随着技术人员的不断研究,那些缺点给人类带来的伤害会得到妥善的解决的。   1.你知道核能是谁发现的吗?   2.核能的原理是什么呢?   3.核能的优点和缺点是什么呢?   核能的知识   ※核能仪器◎原子及原子核   原子指化学反应的基本微粒。我们知道世界上的一切物质都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的原子构成的。原子核包括带正电的质子和电中性的中子,其中质子数决定该原子属于何种元素,原子的质量数是质子数和中子数之和。如一个铀-235原子是由原子核(由92个质子和143个中子组成)和92个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球,那么原子核就相当于一个乒乓球的大小,就是这样体积很小的原子核,在一定条件下能释放出的能量会无比的惊人。   ◎铀的同位素   同位素是指质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子,它们在化学元素周期表上占据同一个位置。简单来说,同位素就是指某个元素的各种原子,它们具有相同的化学性质。按质量不同通常可以分为重同位素和轻同位素。核能发电的燃料铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235,它们所占的比例分别为99.3%和0.7%。除此之外,自然界中还有微量的铀-234。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。   ◎重核裂变   ※重核裂变   重核裂变指的是一个重原子核,主要是指铀或者钚,分裂成两个或多个中等原子量的原子核,引起链式反应,从而释放出巨大的能量。例如,当用一个中子轰击U-235的原子核时,它就会分裂成两个质量较小的原子核,同时产生2~3个中子和β、γ等射线,并释放出约200兆电子伏特的能量。如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核,便引起新的裂变。以此类推,裂变反应不断地持续下去,从而形成了裂变链式反应,与此同时,核能也连续不断地释放出来。裂变有着重大的实用价值。裂变是一个极复杂的核过程,研究这一过程有助于原子核物理学的发展。   ◎轻核聚变   所谓轻核聚变是指在高温(几百万度以上)下把轻核结合成质量较大的核并放出大量能量的过程,也称热核反应。轻核聚变是取得核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力,因此在一般的温度和压力下,很难发生聚变反应。而在太阳等恒星内部,压力和温度都极高,所以就使轻核有了足够的动能来克服静电斥力从而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行,故称为“热核聚变反应”。氢弹是利用氘、氚原子核聚变反应时瞬间释放出巨大能量这一原理制成的,但它释放能量有着不可控性,所以有时造成了极大的杀伤破坏作用。科研人员称目前正在研制的“受控热核聚变反应装置”就应用了轻核聚变原理,而且由于这种热核反应是人工控制的,所以可作为一种人为控制的能源。   ◎核聚变的应用   ※核聚变内部的反应装置※核聚变的反应装置   托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。这种装置是目前可行性较大的可控核聚变反应装置。它的名字Tokamak来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是20世纪50年代由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。事实上产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度达到1500万℃,另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应,但是地球上没办法获得巨大的压力,只能通过提高温度来弥补,而且这样一来温度也要达到上亿度才行。没有一种固体物质能够承受核聚变如此高的温度,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成问题。不过在2010年2月6日,美国利用高能激光实现了核聚变点火所需的条件。中国的“神光2”将为我国的核聚变进行点火。总体来说,核聚变的会在未来起到很大的作用,因此,世界很多国家都在努力的研发。   知识链接   一种新能源—核能   目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍处于绝对优势,但此种能源不仅燃烧利用率低,而且污染环境,它燃烧所释放出来的二氧化碳等有害气体容易造成“温室效应”,使地球气温逐年升高,造成气候异常,加速土地沙漠化过程,给社会经济的可持续发展带来严重影响。与火电厂相比,核电站是非常清洁的能源,不排放这些有害物质也不会造成“温室效应”,因此能大大改善环境质量,保护人类赖以生存的生态环境。   世界上核电国家的多年统计资料表明,虽然核电站的投资高于燃煤电厂,但是,由于核燃料成本远远地低于燃煤成本,相反核燃料反应所释放的能量却远远高于化石燃料燃烧所释放出来的能量,而且核燃料取之不竭,这就使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。   ◎核能是可持续发展的能源   核裂变的主要燃料铀和钍,它们在世界上的储量分别约为490万吨和275万吨,这组数据是估算而来的,并没有确切的答案。这些裂变燃料足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂,1升海水能提取30毫克氘,在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量,即“1升海水约等于300升汽油”,地球上海水中有40多万亿吨氘,足够人类使用百亿年。地球上的锂储量有2000多亿吨,锂可用来制造氚,足够人类在聚变能时代使用。而且以目前世界能源消费的水平来计算,地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量,可供人类使用上千亿年。因此,有关能源专家认为,如果未来核聚变技术成功和成熟的话,人类将能从根本上解决能源问题。   ※核工业   核工业的主要业务范围包括:铀矿勘探、铀矿开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、设备制造与加工、安全防护及环境保护。   我们知道核工业最基本的原料就是铀。为了更好的发展核工业,因此,必须进行铀矿地质勘探,其目的是查明和研究铀矿床形成的地质条件,总结出铀矿床在时间和空间上的分布规律,并用此规律指导普查勘探,探明地下的铀矿资源。普查勘探工作的程序为区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等,同时还要求工作人员进行地形测量、地质填图、原始资料编录等一系列的基础地质工作,要求工作人员必须细致认真的工作。   铀矿开采是生产铀的第一步。其任务是从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石,或将铀经化学溶浸,生产出液体铀化合物。由于铀矿有放射性,所以铀矿开采有其特殊方法。常用的主要有三种:露天开采、地下开采和原地浸出。露天开采一般用于埋藏较浅的矿体,方便剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露,然后进行采矿。地下开采一般用于埋藏较深的矿体,此种方法的工艺过程比较复杂。与以上两种法方法相比,原地浸出采铀具有生产成本低,劳动强度小等优点,但其应用有一定的局限性,仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床。其方法是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带,通过化学反应选择性地溶解矿石中的有用成分——铀,并将浸出液提取出地表,而不使矿石绕围岩产生位移。   铀矿石加工的主要步骤包括:矿石品位、磨矿、矿石浸出,母液分离、溶液纯化、沉淀等工序。铀矿石加工的目的是将开采出来的具有工业品位或经放射性选矿的矿加工富集,使其成为含铀较高的中间产品,即通常所说的铀化学浓缩物。将此种铀化学浓缩物精制,进一步加工成易于氢氟化的铀氧化物将其作为下一步工序的原料。   矿石被开采出来后,要将其破碎磨细,使铀矿物充分暴露,这样更有利于浸出。之后再采用一定的工艺,借助一些化学试剂(即浸出剂)或其他手段将矿石中有价值的组分选择性地溶解出来。浸出方法有酸法和碱法两种方法。由于浸出液中铀含量低,而且杂质种类既多含量又高,所以必须将杂质去除才能确保铀的纯度。实现这一过程,可以选择离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法两种方法。   为了提高铀-235浓度所进行的铀同位素的分离处理称为浓缩。通过浓缩可以为某些反应堆提供铀-235浓度符合要求的铀燃料,现今所采用的浓缩方法有气体扩散法、分离法、激光法、喷嘴法、电磁分离法、化学分离法等,其中气体扩散法和离心分离法是现代工业上普遍采用的浓缩方法。浓缩处理是以六氟化铀形式进行的。   ※铀矿开采   铀矿床是分散在地壳中的铀元素在各种地质作用下不断集中,最终形成的铀矿物的堆积物。并不是所有的铀矿床都有开采和进行工业利用价值的。因此了解铀矿床的形成过程,对铀矿普查勘探具有十分重要的指导意义。据统计,在已发现的170多种铀矿床及含铀矿物中,具有实际开采价值只有14%~18%。影响铀矿床工业的两个主要因素是矿石品位和矿床储量。此外,评价的因素还有矿石技术加工性能、矿床开采条件、有用元素综合利用的可能性和交通运输条件等。   ※铀矿石的加工   经过提纯或浓缩的铀,仍然不能直接用作核燃料。必须经过化学,物理、机械加工等处理后,制成各种不同形状和品质的元件,才能供反应堆作燃料来使用。所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。它是核工业体系中的重要组成部分。核燃料循环通常分为前端和后端两部分,前端包括铀矿勘探、铀矿开采、矿石加工(包括选矿、浸出、提取和沉淀等工序)、精制、转化、浓缩、元件制造等;后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物进行处理、贮存和处置。   核燃料元件种类繁多,按组分特征来分,可分为金属型、陶瓷型和弥散型;按几何形状来分,有柱状、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件;按反应堆来分,可以分为试验堆元件、生产堆元件、动力堆元件(包括核电站用的核燃料组件)。   虽然核燃料元件种类繁多,但是一般都是由芯体和包壳组成的。由于它长期在强辐射、高温、高流速甚至高压的环境下工作,所以对芯片的综合性能、包壳材料的结构和使用寿命都有很高的要求。由此也可以看出核燃料元件的制造是一种技术含量很高的科技。   经过辐照的燃料元件,从堆内卸出时总会含有一定量未分裂和新生的裂变燃料。对乏燃料后处理的目的就是回收这些裂变燃料如铀-235,铀-233和钚,然后利用它们再制造新的燃料元件或用做核武器装料。此外,回收转换原料(铀-238,铯-137,锶-90),提取处理所生成的超铀元素以及可用作射线源的某些放射性裂变产物(如铯-137,锶-90等),都有很大的科学和经济价值。但是这项工序放射性很强,毒性也大,容易发生临界事故,因此在进行乏燃料的后处理时一定要加强安全防护措施。   后处理工艺一般分为四个步骤:冷却与首端处理、化学分离、通过化学转化还原出铀和钚、通过净化分别制成金属铀(或二氧化铀)及钚(或二氧化钚)。冷却与首端处理即脱除元件包壳,溶解燃料芯块,也就是冷却将乏燃料组件解体。化学分离(即净化与去污过程)是将裂变产物从U-Pu中清除出去,然后用溶剂淬取法将铀-钚分离并分别以硝酸铀酰和硝酸钚溶液形式提取出来,后两个步骤显而易见,这里就不再赘述。   ※三废处理   通常的工业三废是指“废水”、“废气”、“废渣”,在核工业生产和科研过程中,也会产生“三废”,且和工业三废差不多,指的是在核工业生产和科研过程中产生的一些不同程度放射性的固态、液态和气态的废物。在这些废物中,放射性物质的含量虽然很低,危害却很大。普通的外界条件(如物理、化学、生物方法)对放射性物质基本上不起作用。因此在放射性废物处理过程中,除了靠放射性物质的衰变使其放射性衰减外,就只能采取多级净化、去污、压缩减容、焚烧、固化等措施将放射性物质从废物中分离出来,使放射性物质的废物体积尽量减小,并改变其存在的状态,以达到安全处置的目的。这个过程称为“三废处理与处置”。能源是现代社会发展的重要物质基础,是实现经济增长的重要生产要素;发展水平越高,生活质量越高,能源消耗和人均用电量也越高,核能是人类发展的希望,了解关于核能的相关知识,也能让我们对未来更加充满信心。   1.核能的获得途径是什么呢?   2.核能的一种新能源是什么呢?   3.核能是什么能源呢?   中国核能发展的趋势   ※核电站外   中国人的生活在改革开放的三十年中发生了巨大的变化,其中仅人均能源消费就从1978年的0.59吨标煤,提高到了2005年的170吨标煤。2006年发电量为2.83万亿千瓦时,比2005年增长13.5%,人均用电量2149千瓦时,约为世界平均水平的75%,不足美国的1/10,发展任务很重;能源生产和消费结构不合理,煤炭占一次能源的70%;石油消费的对外依存度不断提高;国家提倡大力发展可再生能源和核电,使得中国核电进入了加快发展的历史新阶段。核电站只需消耗很少的核燃料,就可以产生大量的电能,每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如,一座100万千瓦的火电站每年耗煤三四百万吨,而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨。核电的另一个优势是干净、无污染,几乎是零排放,中国正在加大能源结构调整力度,积极发展核电、风电、水电等清洁优质能源。中国能源结构仍以煤炭为主体,清洁优质能源的比重偏低。因此对于发展迅速但环境压力较大的中国来说,真的再合适不过。   虽然日本地震所引起的核辐射危机的影响,已经大大超过地震和海啸本身,它引起了世界范围内的恐慌,它对包括中国在内的许多国家的能源政策也都会产生影响,但中国能源政策的大方向很难因此改变。   我们可以从中国能源政策和战略上看到,核能是今后长期的发展重点。根据“十二五”规划,到2015年,中国计划新建40个机组,每年新上马的机组多达8个。从长期发展来看,发展核电是中国调整能源结构、缓解常规能源供应压力和实现减少温室气体排放目标的必然选择。在当前中国加速经济转型的背景下,煤炭等化石燃料无法解决电力供应紧张和节能减排压力等问题,新能源如风电、太阳能等因为受地理环境、气候条件、架设线路等因素制约,在未来国家经济发展过程中只能起到补充和调节效果,难以发挥主要作用。另外,中国大江大河上的水电站也基本饱和,水电资源开发潜力已经十分有限,选择清洁高效能源的核电,是中国能源发展的一个必然趋势,因此基本可以肯定中国能源发展的大方向不会因为日本核电站的泄漏事件而改变。   ※中国早期的核电站而且从客观上讲,我国在传统能源上表现为“多煤、贫油、少气”的基本特征,再加上必须面对国际上应对气候变化的巨大压力,因此对能源结构进行调整,全面推动能源生产和利用方式变革,加快能源发展方式转变,走绿色低碳发展之路,已成为今后我国能源发展战略的主攻方向,绝对没有可能改变。   中国核电从上世纪80年代开始起步,2004年,已建成核电机组11台,装机容量910万千瓦,2006年发电量为548亿千瓦时,占全国发电量的193%,2006年,浙江、广东两省的核电上网电量分别占其统调上网电量的16%、12%;《核电中长期发展规划》提出应积极推进我国核电发展的方针;到2020年,我国核电装机容量达到4000万千瓦,在建1800万千瓦;2005~2010年,新建1600万千瓦,是前20年总和的175%;2011~2020年,新建3800万千瓦,是前一个十年的236%;中国只在沿海地区发展核电的格局将被打破,核电建设向内陆地区迈进,中国成为新世纪第一个把宏伟核电规划变为实际行动的国家。人们希望核电在中国能源结构中的比例越来越大,核电在中国的发展面临着难得的历史性机遇。   经过二十多年的发展,并且从世界范围内核电发展总趋势来看,中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行,当前发展压水堆,中期发展快中子堆,远期发展聚变堆。具体地说就是,近期发展热中子反应堆核电站;为了充分利用铀资源,采用铀钚循环的技术路线,中期发展快中子增殖反应堆核电站;远期发展聚变堆核电站,从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾,期待中国核电技术的进步,以便更好的为人类服务。   知识链接   据统计,核电站正常运行的时候,一年给居民带来的放射性影响,还不到一次X光透视所受的剂量。此外,核电站的安全性强。从第一座核电站建成以来,全世界投入运行的核电站达400多座,30多年来基本上是安全正常的。虽然有1979年美国三里岛压水堆核电站事故和1986年苏联切尔诺贝利石墨沸水堆核电站事故,但这两次事故都是由人为因素造成的。随着压水堆的进一步改进,核电站有可能会变得更加安全。   ※核能有巨大的威力我们知道核能具有巨大的开发价值,也有着巨大的威力。1千克铀原子核全部裂变释放出来的能量,约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能,而核聚变反应释放的能量则更巨大。据测算1千克煤只能使一列火车开动8米;一千克裂变原料可使一列火车开动4万千米;而1千克聚变原料可以使一列火车行驶40万千米,相当于地球到月球的距离。   前边已经提到地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等裂变资源,如果把它们的裂变能充分利用,可以满足人类上千年的能源需求。在大海里,还蕴藏着不少于20万亿吨核聚变资源——氢的同位元素氘,如果可控核聚变在21世纪前期变为现实,这些氘的聚变能将可顶几万亿亿吨煤,能满足人类百亿年的能源需求。更可贵的是核聚变反应中几乎不存在反射性污染。聚变能称得上是未来的理想能源。因此,人类已把解决资源问题的希望,寄托在核能这个世界未来的巨人身上了。   虽然核能有着这样那样的好处,然而短期内核电不会成为中国能源供给的主流。中国经济正处于工业化阶段,具有重化工产业特征,经济发展必然需要大量能源,能源消费增长属于刚性增长,而且高能耗工业部门大都是支柱产业,经济要发展、人民生活水平要提高,必须依赖于这些支柱产业。因此,在今后相当长时期内,传统化石能源尤其是煤炭和石油将依然是主体能源,同时天然气工业将得到快速发展,新能源和可再生能源保持一定增长势头,但总体能源结构以化石能源为主的基本格局很难改变,转变需要的过程艰巨而漫长,但是相信在适合的时机一定会真正的转变的。   另外,从可再生能源的资源潜力上来看,中国并不具备尽快摆脱对传统化石能源依赖的可能性,何况在可再生能源开发技术上和经济上也不具备大规模替代传统化石能源的可行性。尽管中国在最近几年来,十分重视新能源和可再生能源产业发展,但在低碳清洁能源的资源潜力、开发利用和技术创新方面与国际先进水平还存在较大差距,如大型风电的关键设备、太阳能光伏电池、燃料电池、生物质能及氢能等技术都处于起步阶段,存在产业规模小、经营分散、技术含量低和资源潜力不足等一系列问题。中国要实现新能源和可再生能源的快速发展,不但需要克服关键技术瓶颈,同时也面临着资源潜力不足的问题,因此要利用新能源和可再生能源开发来实现能源结构调整的目标,在较长时期内显然无法做到。   当然,总而言之,在中国与其他新能源相比,核能开发利用是拥有一定的基础和经验的能源之一,在技术上也逐渐成熟和完善,因此为了调整能源结构,尤其是为了在一定程度上降低传统化石能源的比重,发展核能就成为必然选择,没有理由改变既定的发展方向。   随着世界范围内核能的开发和利用,我们需要清醒地看到,国际原子能机构的工作仍然任重道远,必须对以下方面给予高度重视。   首先,自核能被发现之日起,其既可造福人类又能毁灭文明于一旦的双刃剑特性使防止核扩散与和平利用核能两项工作变得相辅相成,不可偏废。进入21世纪后,全球防核扩散和防止核恐怖主义的形势愈加错综复杂。如何在新形势下开发新理念和新技术,确保核查机制的有效性,妥善应对国际核领域的新情况、新问题,已成为国际原子能机构履行防核扩散义务必须面对的另一项艰巨任务。   其次,随着核电在全球电力供应中地位的不断提升,如何确保核燃料可靠供应开始成为国际社会关注的焦点。由于多边核燃料供应问题涉及政治、经济、法律、技术、安全、保安和防扩散等各个方面,十分复杂,因此,如何在普遍参与和充分协商的基础上,照顾各方特别是广大发展中国家的合理建议,切实拿出为大多数国家所接受的解决方案,避免经济技术问题政治化,是国际原子能机构必须认真考虑的问题。   再次,随着全球经济的快速增长和气候变化威胁的日益严峻,越来越多的发展中国家开始将目光转向核能。作为核领域的重要政府间国际组织,国际原子能机构如何充分利用自身资源,满足成员国在核安全监管体系和基础设施建设、工程项目管理能力提高、核人力资源培养等方面日益增长的需求,直接关系到国际核能事业的可持续发展。   核能,作为一把双刃剑,是中国未来能源利用的必然趋势,有很大的好处,但是又需要时间,同时也伴随着巨大的风险。不仅是中国,世界各个发展核能的国家都要注意,不能为了一己之私,毁了人类生活的家园。   1.中国能源结构以什么为主呢?   2.如何用反应堆产生核能呢?   3.核燃料都有什么呢? 第一章核能基础知识   核能是原子核发生变化时所释放一种能量,又称“原子能”。原子能在现在社会里的应用是非常广泛的,例如其中的放射性同位素放出的射线在医疗卫生、食品保鲜等方面的应用就是原子能应用的一个重要方面。或许单单的核能的重要性说服力会显得单薄,但是如果你知道了以下事实:在发现原子能以前,人类只知道世界上有机械能,如汽车运动的动能;有化学能,如燃烧酒精转变为二氧化碳气体和水放出热能;有电能,当电流通过电炉丝以后,会发出热和光等。是不是发现核能和这些能量是有性质上的差别呢,是的这些能量的释放,无论在当时是多么的先进,但是它们都不会改变物质的质量,只会改变能量的形式。   核能的发展史   核能又称“原子能”,是原子结构发生变化时从原子核中释放出的一种能量,为不可再生能源。核能的释放过程和结果符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。核能通过核裂变,或者核聚变或者核衰变进行释放。其中核裂变能打开原子核的结合力;核聚变使原子的粒子熔合在一起;核衰变是自然的慢得多的裂变形式。   ※苏联的核能灯塔核能是人类历史上的一项伟大发明,早期西方科学家通过探索和实验发现了它,同时西方科学家的努力和坚持更是为核能的应用奠定了基础。例如,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并将它称为质子;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等等,核能的发展是科学家们一步一步努力得来的。   ※核能发电的过程   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,它们都不会改变物质的质量。随着人们对核能的认识,同时应二战之需,原子弹应运而生了。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。1954年苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。   ※奥布灵克核电站   核能是未来能源,也是自发现以来不断被应用的能源,其中核能发电就是一项应用于生活中的实例。可以说在核能发电的发展中动力堆的发展功不可没。动力堆的发展最初是出于军事需要,随着军事需求而不断发展。自1954年苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦(电)的核电站之后,核电站的发展迅速展开,英、美等国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。核能发电真正迈入了实用阶段。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)。20世纪80年代因化石能源短缺的问题日益突出,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%。中国大陆的核电起步较晚,20世纪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。虽然我们的起步晚,但是中国人一直在努力。核电站的建立是为了解决能源需求,是为人们更好的生活质量的。   知识链接·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收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。   核电站是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的。这种发电方式与火力发电极其相似,只不过它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。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),比较起来所需要的燃料体积比火力电厂少很多。举例而言,核电厂每年要用掉80吨的核燃料,只要两支标准货柜就可以运载。如果换成燃※在上方拍摄的核电站   ※核电站内部结构   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692万户的瓦斯用量如此换算下来,核能在电力上的应用要比煤炭节省的多,而且少了燃烧煤炭带来的过多的二氧化碳的问题。   因为发电所使用的铀燃料,除了发电外,暂时没有其他的用途。凡事都具有两面性,核能发电也不例外,有着自身的优点,但是也不可避免存在的缺点。它的优点显而易见,如核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳;核能发电不会造成空气污染,因为核能发电不像化石燃料发电那样排放大量的污染物质到大气中;核能发电所使用的铀燃料,除了发电外,暂时没有其他的用途,充分利用了铀燃料;核燃料能量密度比化石燃料高几百万倍,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;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。   核电站的缺点有: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中,故核能电厂的热污染较严重;核能电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高;兴建核电厂较易引发政治歧见纷争;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中,会对生态及民众造成伤害;核能电厂会产生高低阶放射性废料,或者是使用过的核燃料,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。   总体上说核能是最有希望的未来能源,虽然有着自身的缺点,但是它的光芒是无法掩盖的,相信随着技术人员的不断研究,那些缺点给人类带来的伤害会得到妥善的解决的。   1.你知道核能是谁发现的吗?   2.核能的原理是什么呢?   3.核能的优点和缺点是什么呢?   核能的知识   ※核能仪器◎原子及原子核   原子指化学反应的基本微粒。我们知道世界上的一切物质都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的原子构成的。原子核包括带正电的质子和电中性的中子,其中质子数决定该原子属于何种元素,原子的质量数是质子数和中子数之和。如一个铀-235原子是由原子核(由92个质子和143个中子组成)和92个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球,那么原子核就相当于一个乒乓球的大小,就是这样体积很小的原子核,在一定条件下能释放出的能量会无比的惊人。   ◎铀的同位素   同位素是指质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子,它们在化学元素周期表上占据同一个位置。简单来说,同位素就是指某个元素的各种原子,它们具有相同的化学性质。按质量不同通常可以分为重同位素和轻同位素。核能发电的燃料铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235,它们所占的比例分别为99.3%和0.7%。除此之外,自然界中还有微量的铀-234。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。   ◎重核裂变   ※重核裂变   重核裂变指的是一个重原子核,主要是指铀或者钚,分裂成两个或多个中等原子量的原子核,引起链式反应,从而释放出巨大的能量。例如,当用一个中子轰击U-235的原子核时,它就会分裂成两个质量较小的原子核,同时产生2~3个中子和β、γ等射线,并释放出约200兆电子伏特的能量。如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核,便引起新的裂变。以此类推,裂变反应不断地持续下去,从而形成了裂变链式反应,与此同时,核能也连续不断地释放出来。裂变有着重大的实用价值。裂变是一个极复杂的核过程,研究这一过程有助于原子核物理学的发展。   ◎轻核聚变   所谓轻核聚变是指在高温(几百万度以上)下把轻核结合成质量较大的核并放出大量能量的过程,也称热核反应。轻核聚变是取得核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力,因此在一般的温度和压力下,很难发生聚变反应。而在太阳等恒星内部,压力和温度都极高,所以就使轻核有了足够的动能来克服静电斥力从而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行,故称为“热核聚变反应”。氢弹是利用氘、氚原子核聚变反应时瞬间释放出巨大能量这一原理制成的,但它释放能量有着不可控性,所以有时造成了极大的杀伤破坏作用。科研人员称目前正在研制的“受控热核聚变反应装置”就应用了轻核聚变原理,而且由于这种热核反应是人工控制的,所以可作为一种人为控制的能源。   ◎核聚变的应用   ※核聚变内部的反应装置※核聚变的反应装置   托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。这种装置是目前可行性较大的可控核聚变反应装置。它的名字Tokamak来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是20世纪50年代由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。事实上产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热,其中心温度达到1500万℃,另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应,但是地球上没办法获得巨大的压力,只能通过提高温度来弥补,而且这样一来温度也要达到上亿度才行。没有一种固体物质能够承受核聚变如此高的温度,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成问题。不过在2010年2月6日,美国利用高能激光实现了核聚变点火所需的条件。中国的“神光2”将为我国的核聚变进行点火。总体来说,核聚变的会在未来起到很大的作用,因此,世界很多国家都在努力的研发。   知识链接   一种新能源—核能   目前化石燃料在能源消耗中所占的比重仍处于绝对优势,但此种能源不仅燃烧利用率低,而且污染环境,它燃烧所释放出来的二氧化碳等有害气体容易造成“温室效应”,使地球气温逐年升高,造成气候异常,加速土地沙漠化过程,给社会经济的可持续发展带来严重影响。与火电厂相比,核电站是非常清洁的能源,不排放这些有害物质也不会造成“温室效应”,因此能大大改善环境质量,保护人类赖以生存的生态环境。   世界上核电国家的多年统计资料表明,虽然核电站的投资高于燃煤电厂,但是,由于核燃料成本远远地低于燃煤成本,相反核燃料反应所释放的能量却远远高于化石燃料燃烧所释放出来的能量,而且核燃料取之不竭,这就使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。   ◎核能是可持续发展的能源   核裂变的主要燃料铀和钍,它们在世界上的储量分别约为490万吨和275万吨,这组数据是估算而来的,并没有确切的答案。这些裂变燃料足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂,1升海水能提取30毫克氘,在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量,即“1升海水约等于300升汽油”,地球上海水中有40多万亿吨氘,足够人类使用百亿年。地球上的锂储量有2000多亿吨,锂可用来制造氚,足够人类在聚变能时代使用。而且以目前世界能源消费的水平来计算,地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量,可供人类使用上千亿年。因此,有关能源专家认为,如果未来核聚变技术成功和成熟的话,人类将能从根本上解决能源问题。   ※核工业   核工业的主要业务范围包括:铀矿勘探、铀矿开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、设备制造与加工、安全防护及环境保护。   我们知道核工业最基本的原料就是铀。为了更好的发展核工业,因此,必须进行铀矿地质勘探,其目的是查明和研究铀矿床形成的地质条件,总结出铀矿床在时间和空间上的分布规律,并用此规律指导普查勘探,探明地下的铀矿资源。普查勘探工作的程序为区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等,同时还要求工作人员进行地形测量、地质填图、原始资料编录等一系列的基础地质工作,要求工作人员必须细致认真的工作。   铀矿开采是生产铀的第一步。其任务是从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石,或将铀经化学溶浸,生产出液体铀化合物。由于铀矿有放射性,所以铀矿开采有其特殊方法。常用的主要有三种:露天开采、地下开采和原地浸出。露天开采一般用于埋藏较浅的矿体,方便剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露,然后进行采矿。地下开采一般用于埋藏较深的矿体,此种方法的工艺过程比较复杂。与以上两种法方法相比,原地浸出采铀具有生产成本低,劳动强度小等优点,但其应用有一定的局限性,仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床。其方法是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带,通过化学反应选择性地溶解矿石中的有用成分——铀,并将浸出液提取出地表,而不使矿石绕围岩产生位移。   铀矿石加工的主要步骤包括:矿石品位、磨矿、矿石浸出,母液分离、溶液纯化、沉淀等工序。铀矿石加工的目的是将开采出来的具有工业品位或经放射性选矿的矿加工富集,使其成为含铀较高的中间产品,即通常所说的铀化学浓缩物。将此种铀化学浓缩物精制,进一步加工成易于氢氟化的铀氧化物将其作为下一步工序的原料。   矿石被开采出来后,要将其破碎磨细,使铀矿物充分暴露,这样更有利于浸出。之后再采用一定的工艺,借助一些化学试剂(即浸出剂)或其他手段将矿石中有价值的组分选择性地溶解出来。浸出方法有酸法和碱法两种方法。由于浸出液中铀含量低,而且杂质种类既多含量又高,所以必须将杂质去除才能确保铀的纯度。实现这一过程,可以选择离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法两种方法。   为了提高铀-235浓度所进行的铀同位素的分离处理称为浓缩。通过浓缩可以为某些反应堆提供铀-235浓度符合要求的铀燃料,现今所采用的浓缩方法有气体扩散法、分离法、激光法、喷嘴法、电磁分离法、化学分离法等,其中气体扩散法和离心分离法是现代工业上普遍采用的浓缩方法。浓缩处理是以六氟化铀形式进行的。   ※铀矿开采   铀矿床是分散在地壳中的铀元素在各种地质作用下不断集中,最终形成的铀矿物的堆积物。并不是所有的铀矿床都有开采和进行工业利用价值的。因此了解铀矿床的形成过程,对铀矿普查勘探具有十分重要的指导意义。据统计,在已发现的170多种铀矿床及含铀矿物中,具有实际开采价值只有14%~18%。影响铀矿床工业的两个主要因素是矿石品位和矿床储量。此外,评价的因素还有矿石技术加工性能、矿床开采条件、有用元素综合利用的可能性和交通运输条件等。   ※铀矿石的加工   经过提纯或浓缩的铀,仍然不能直接用作核燃料。必须经过化学,物理、机械加工等处理后,制成各种不同形状和品质的元件,才能供反应堆作燃料来使用。所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。它是核工业体系中的重要组成部分。核燃料循环通常分为前端和后端两部分,前端包括铀矿勘探、铀矿开采、矿石加工(包括选矿、浸出、提取和沉淀等工序)、精制、转化、浓缩、元件制造等;后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物进行处理、贮存和处置。   核燃料元件种类繁多,按组分特征来分,可分为金属型、陶瓷型和弥散型;按几何形状来分,有柱状、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件;按反应堆来分,可以分为试验堆元件、生产堆元件、动力堆元件(包括核电站用的核燃料组件)。   虽然核燃料元件种类繁多,但是一般都是由芯体和包壳组成的。由于它长期在强辐射、高温、高流速甚至高压的环境下工作,所以对芯片的综合性能、包壳材料的结构和使用寿命都有很高的要求。由此也可以看出核燃料元件的制造是一种技术含量很高的科技。   经过辐照的燃料元件,从堆内卸出时总会含有一定量未分裂和新生的裂变燃料。对乏燃料后处理的目的就是回收这些裂变燃料如铀-235,铀-233和钚,然后利用它们再制造新的燃料元件或用做核武器装料。此外,回收转换原料(铀-238,铯-137,锶-90),提取处理所生成的超铀元素以及可用作射线源的某些放射性裂变产物(如铯-137,锶-90等),都有很大的科学和经济价值。但是这项工序放射性很强,毒性也大,容易发生临界事故,因此在进行乏燃料的后处理时一定要加强安全防护措施。   后处理工艺一般分为四个步骤:冷却与首端处理、化学分离、通过化学转化还原出铀和钚、通过净化分别制成金属铀(或二氧化铀)及钚(或二氧化钚)。冷却与首端处理即脱除元件包壳,溶解燃料芯块,也就是冷却将乏燃料组件解体。化学分离(即净化与去污过程)是将裂变产物从U-Pu中清除出去,然后用溶剂淬取法将铀-钚分离并分别以硝酸铀酰和硝酸钚溶液形式提取出来,后两个步骤显而易见,这里就不再赘述。   ※三废处理   通常的工业三废是指“废水”、“废气”、“废渣”,在核工业生产和科研过程中,也会产生“三废”,且和工业三废差不多,指的是在核工业生产和科研过程中产生的一些不同程度放射性的固态、液态和气态的废物。在这些废物中,放射性物质的含量虽然很低,危害却很大。普通的外界条件(如物理、化学、生物方法)对放射性物质基本上不起作用。因此在放射性废物处理过程中,除了靠放射性物质的衰变使其放射性衰减外,就只能采取多级净化、去污、压缩减容、焚烧、固化等措施将放射性物质从废物中分离出来,使放射性物质的废物体积尽量减小,并改变其存在的状态,以达到安全处置的目的。这个过程称为“三废处理与处置”。能源是现代社会发展的重要物质基础,是实现经济增长的重要生产要素;发展水平越高,生活质量越高,能源消耗和人均用电量也越高,核能是人类发展的希望,了解关于核能的相关知识,也能让我们对未来更加充满信心。   1.核能的获得途径是什么呢?   2.核能的一种新能源是什么呢?   3.核能是什么能源呢?   中国核能发展的趋势   ※核电站外   中国人的生活在改革开放的三十年中发生了巨大的变化,其中仅人均能源消费就从1978年的0.59吨标煤,提高到了2005年的170吨标煤。2006年发电量为2.83万亿千瓦时,比2005年增长13.5%,人均用电量2149千瓦时,约为世界平均水平的75%,不足美国的1/10,发展任务很重;能源生产和消费结构不合理,煤炭占一次能源的70%;石油消费的对外依存度不断提高;国家提倡大力发展可再生能源和核电,使得中国核电进入了加快发展的历史新阶段。核电站只需消耗很少的核燃料,就可以产生大量的电能,每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如,一座100万千瓦的火电站每年耗煤三四百万吨,而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨。核电的另一个优势是干净、无污染,几乎是零排放,中国正在加大能源结构调整力度,积极发展核电、风电、水电等清洁优质能源。中国能源结构仍以煤炭为主体,清洁优质能源的比重偏低。因此对于发展迅速但环境压力较大的中国来说,真的再合适不过。   虽然日本地震所引起的核辐射危机的影响,已经大大超过地震和海啸本身,它引起了世界范围内的恐慌,它对包括中国在内的许多国家的能源政策也都会产生影响,但中国能源政策的大方向很难因此改变。   我们可以从中国能源政策和战略上看到,核能是今后长期的发展重点。根据“十二五”规划,到2015年,中国计划新建40个机组,每年新上马的机组多达8个。从长期发展来看,发展核电是中国调整能源结构、缓解常规能源供应压力和实现减少温室气体排放目标的必然选择。在当前中国加速经济转型的背景下,煤炭等化石燃料无法解决电力供应紧张和节能减排压力等问题,新能源如风电、太阳能等因为受地理环境、气候条件、架设线路等因素制约,在未来国家经济发展过程中只能起到补充和调节效果,难以发挥主要作用。另外,中国大江大河上的水电站也基本饱和,水电资源开发潜力已经十分有限,选择清洁高效能源的核电,是中国能源发展的一个必然趋势,因此基本可以肯定中国能源发展的大方向不会因为日本核电站的泄漏事件而改变。   ※中国早期的核电站而且从客观上讲,我国在传统能源上表现为“多煤、贫油、少气”的基本特征,再加上必须面对国际上应对气候变化的巨大压力,因此对能源结构进行调整,全面推动能源生产和利用方式变革,加快能源发展方式转变,走绿色低碳发展之路,已成为今后我国能源发展战略的主攻方向,绝对没有可能改变。   中国核电从上世纪80年代开始起步,2004年,已建成核电机组11台,装机容量910万千瓦,2006年发电量为548亿千瓦时,占全国发电量的193%,2006年,浙江、广东两省的核电上网电量分别占其统调上网电量的16%、12%;《核电中长期发展规划》提出应积极推进我国核电发展的方针;到2020年,我国核电装机容量达到4000万千瓦,在建1800万千瓦;2005~2010年,新建1600万千瓦,是前20年总和的175%;2011~2020年,新建3800万千瓦,是前一个十年的236%;中国只在沿海地区发展核电的格局将被打破,核电建设向内陆地区迈进,中国成为新世纪第一个把宏伟核电规划变为实际行动的国家。人们希望核电在中国能源结构中的比例越来越大,核电在中国的发展面临着难得的历史性机遇。   经过二十多年的发展,并且从世界范围内核电发展总趋势来看,中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行,当前发展压水堆,中期发展快中子堆,远期发展聚变堆。具体地说就是,近期发展热中子反应堆核电站;为了充分利用铀资源,采用铀钚循环的技术路线,中期发展快中子增殖反应堆核电站;远期发展聚变堆核电站,从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾,期待中国核电技术的进步,以便更好的为人类服务。   知识链接   据统计,核电站正常运行的时候,一年给居民带来的放射性影响,还不到一次X光透视所受的剂量。此外,核电站的安全性强。从第一座核电站建成以来,全世界投入运行的核电站达400多座,30多年来基本上是安全正常的。虽然有1979年美国三里岛压水堆核电站事故和1986年苏联切尔诺贝利石墨沸水堆核电站事故,但这两次事故都是由人为因素造成的。随着压水堆的进一步改进,核电站有可能会变得更加安全。   ※核能有巨大的威力我们知道核能具有巨大的开发价值,也有着巨大的威力。1千克铀原子核全部裂变释放出来的能量,约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能,而核聚变反应释放的能量则更巨大。据测算1千克煤只能使一列火车开动8米;一千克裂变原料可使一列火车开动4万千米;而1千克聚变原料可以使一列火车行驶40万千米,相当于地球到月球的距离。   前边已经提到地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等裂变资源,如果把它们的裂变能充分利用,可以满足人类上千年的能源需求。在大海里,还蕴藏着不少于20万亿吨核聚变资源——氢的同位元素氘,如果可控核聚变在21世纪前期变为现实,这些氘的聚变能将可顶几万亿亿吨煤,能满足人类百亿年的能源需求。更可贵的是核聚变反应中几乎不存在反射性污染。聚变能称得上是未来的理想能源。因此,人类已把解决资源问题的希望,寄托在核能这个世界未来的巨人身上了。   虽然核能有着这样那样的好处,然而短期内核电不会成为中国能源供给的主流。中国经济正处于工业化阶段,具有重化工产业特征,经济发展必然需要大量能源,能源消费增长属于刚性增长,而且高能耗工业部门大都是支柱产业,经济要发展、人民生活水平要提高,必须依赖于这些支柱产业。因此,在今后相当长时期内,传统化石能源尤其是煤炭和石油将依然是主体能源,同时天然气工业将得到快速发展,新能源和可再生能源保持一定增长势头,但总体能源结构以化石能源为主的基本格局很难改变,转变需要的过程艰巨而漫长,但是相信在适合的时机一定会真正的转变的。   另外,从可再生能源的资源潜力上来看,中国并不具备尽快摆脱对传统化石能源依赖的可能性,何况在可再生能源开发技术上和经济上也不具备大规模替代传统化石能源的可行性。尽管中国在最近几年来,十分重视新能源和可再生能源产业发展,但在低碳清洁能源的资源潜力、开发利用和技术创新方面与国际先进水平还存在较大差距,如大型风电的关键设备、太阳能光伏电池、燃料电池、生物质能及氢能等技术都处于起步阶段,存在产业规模小、经营分散、技术含量低和资源潜力不足等一系列问题。中国要实现新能源和可再生能源的快速发展,不但需要克服关键技术瓶颈,同时也面临着资源潜力不足的问题,因此要利用新能源和可再生能源开发来实现能源结构调整的目标,在较长时期内显然无法做到。   当然,总而言之,在中国与其他新能源相比,核能开发利用是拥有一定的基础和经验的能源之一,在技术上也逐渐成熟和完善,因此为了调整能源结构,尤其是为了在一定程度上降低传统化石能源的比重,发展核能就成为必然选择,没有理由改变既定的发展方向。   随着世界范围内核能的开发和利用,我们需要清醒地看到,国际原子能机构的工作仍然任重道远,必须对以下方面给予高度重视。   首先,自核能被发现之日起,其既可造福人类又能毁灭文明于一旦的双刃剑特性使防止核扩散与和平利用核能两项工作变得相辅相成,不可偏废。进入21世纪后,全球防核扩散和防止核恐怖主义的形势愈加错综复杂。如何在新形势下开发新理念和新技术,确保核查机制的有效性,妥善应对国际核领域的新情况、新问题,已成为国际原子能机构履行防核扩散义务必须面对的另一项艰巨任务。   其次,随着核电在全球电力供应中地位的不断提升,如何确保核燃料可靠供应开始成为国际社会关注的焦点。由于多边核燃料供应问题涉及政治、经济、法律、技术、安全、保安和防扩散等各个方面,十分复杂,因此,如何在普遍参与和充分协商的基础上,照顾各方特别是广大发展中国家的合理建议,切实拿出为大多数国家所接受的解决方案,避免经济技术问题政治化,是国际原子能机构必须认真考虑的问题。   再次,随着全球经济的快速增长和气候变化威胁的日益严峻,越来越多的发展中国家开始将目光转向核能。作为核领域的重要政府间国际组织,国际原子能机构如何充分利用自身资源,满足成员国在核安全监管体系和基础设施建设、工程项目管理能力提高、核人力资源培养等方面日益增长的需求,直接关系到国际核能事业的可持续发展。   核能,作为一把双刃剑,是中国未来能源利用的必然趋势,有很大的好处,但是又需要时间,同时也伴随着巨大的风险。不仅是中国,世界各个发展核能的国家都要注意,不能为了一己之私,毁了人类生活的家园。   1.中国能源结构以什么为主呢?   2.如何用反应堆产生核能呢?   3.核燃料都有什么呢?

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