第二章核电技术   在世界范围内能源的短缺的近现代社会,人们一直在寻找更好更实用的新能源,自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电以来,世界核电至今已有50多年的发展历史。截止到2005年年底,全世界核电运行机组共有440多台,其发电量约占世界发电总量的16%,核能作为未来能源的希望,人们一直在努力的探索和利用着它的发电的功能,并且也取得了不少成果,甚至研发了微型核电池。   核电的知识   ※核电技术   目前,人类实际应用的主要能源仍然是化石能源。其中煤、石油、天然气等化石能源的利用,对人类生存、发展和进步产生过巨大的影响。但是进入21世纪后,人们更加注重生存环境和生存空间的质量。大量燃用化石能源后产生的温室效应、酸雨现象对人类生存环境造成了严重破坏。同时,化石能源经过长期开采,其资源日趋枯竭,已不足以支撑全球经济的发展。因此人们加快了寻找替代能源的步伐。在这个的过程中,人们开始越来越重视核能的应用,而核能最主要的应用就是核能发电。   在第一章中我们已经接触到了核电站的一些知识,接下来我们要继续了解一下核电站的其他相关知识。众所周知,火力发电站利用煤和石油发电,水力发电站利用水力发电,那么核电站是如何发电的呢?作为利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站的核电站大体可分为两部分:一部分是利用核能生产蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统,另一部分是利用蒸汽发电的常规岛,包括汽轮发电机系统。   核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。   在发达国家,核电已有几十年的发展历史,核电也已成为一种成熟的能源。中国的核工业也已有40多年发展历史,建立了从地质勘察、采矿到元件加工、后处理等相当完整的核燃料循环体系,已建成多种类型的核反应堆并有多年的安全管理和运行经验,拥有一支专业齐全、技术过硬的队伍。核电站的建设和运行是一项复杂的技术。中国目前已经能够设计、建造和运行自己的核电站。秦山核电站就是由中国自己研究设计建造的。   ※秦山核电站核电站的组成通常有两部分:核系统及核设备,又称是核岛;常规系统及常规设备,又称为常规岛。这两部分就组成了核能发电系统。   核岛中主要的设备为核反应堆及由载热剂(冷却剂)提供热量的蒸汽发生器,它替代常规火电站中蒸汽锅炉的作用。常规岛的主要设备为气轮机和发电机及其相应附属设备,常规岛的组成与常规火电站气轮机大致相同。   反应堆种类很多,它是核电站的关键设计,链式裂变反应就在其中进行。核电站中使用最多的是压水堆。   压水堆首先要解决的问题是必须有核燃料。核燃料是把小指头大的烧结二氧化铀芯块,装到锆合金管中,将三百多根装有芯块的锆合金管组装在一起,成为燃料组件。大多数组件中都有一束控制棒,控制着链式反应的强度和反应的开始与终止。压水堆以水作为冷却剂在主泵的推动下流过燃料组件,吸收了核裂变产生的热能以后流出反应堆,进入蒸汽发生器,在那里把热量传给二次侧的水,使它们变成蒸汽送去发电,而主冷却剂本身的温度就降低了。从蒸汽发生器出来的主冷却剂再由主泵送回反应堆去加热。冷却剂的这一循环通道称为一回路,一回路高压由稳压器来维持和调节。   核反应堆是一个能维持和控制核裂变的链式反应,从而实现核能-热能转换的装置。核电厂用的压水反应堆有一个厚厚的钢质贺筒形外壳,腰部有几个进水口和出水口,称为压力容器,900兆瓦的压水堆,其压力容器高12米,直径3.9米,壁厚约0.2米。压力容器是堆芯,堆芯由燃料组件和控制棒组件等组成。水在它们的间隙中流过。水在此起两个作用,一是降低中子的速度使之易于被铀-235核吸收,二是带出热量。900兆瓦的压水堆一般装有157个燃料组件,约含80吨二氧化铀。压力容器顶装有控制棒驱动机构,通过改变控制棒的位置来实现开堆、停堆(包括紧急停堆)和调节功率的大小。   ※核反应堆原理大家都知道电是电厂生产出来的。常见的电厂有烧煤或石油的火力发电厂,有靠水力发电的水电站,还有一些靠风力、太阳能、地热、潮汐能、波浪能、沼气生产电力的小型或实验性发电装置。其实核电技术发展之后,就有了核电厂这种大规模生产电力的新型发电厂,它是靠原子核内蕴藏的能量来发电的。   这些电站一般都是由芯体和包壳组成的。核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在一种叫做“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内生产出来,并通过电网送到四面八方。以上就是最普通的压水反应堆核电厂的工作原理。   ※产生电力的新型发电厂   提到核大家都会想到它的放射性。大约在100年前,科学家发现某些物质能放出三种射线:α(阿尔法)射线、β(贝塔)射线,γ(伽玛)射线。后来的研究证明:α射线是α粒子(氦原子核)流,β射线是β粒子(电子)流,γ(伽玛)射线是光子流。   这些射线有一些共同的特点:它们都有一定穿透物质的能力;人的五官是不能感知到它们的,但它们能使照相底片感光;照射到某些特殊物质上能发出可见的荧光;通过物质时可以产生电离作用。射线主要通过电离作用对生物体产生一定的影响。   其实射线并不可怕,我们吃的食物、住的房屋,甚至我们的身体内都有能放出射线的物质。我们戴夜光表、作X光检查、乘飞机、吸烟都会接受一定的辐射剂量,一定范围内的辐射人体是可以承受的。但是,过高的辐射剂量会有害健康。   说到了核能的放射性,那么这里就介绍一下两个关于放射性的计量单位。首先是居里(Curie,符号为:Ci),它表示单位时间内发生衰变的原子核数。1居里(Ci)=37×1010贝克(Bq),1克的镭226每秒能产生37×1010次原子核衰变,该源的放射性强度即为1居里。换算:1毫居里=3.7×107次/秒1微居里=3.7×104次/秒。   然后是贝克勒尔(Becquerel,符号为:Bq),是放射性活度的国际单位制导出的单位,1Bq指每秒有一个原子衰变。比如,一克的镭放射性活度有3.7×1010Bq。   ※核反应堆   知识链接·什么叫做核事故·   一般来说,在核设施(例如核电厂)内发生了意外情况,造成放射性物质外泄,致使工作人员和公众受到超过或相当于规定限值的照射,则称为核事故。显然,核事故的严重程度可以有一个很大的范围,为了有一个统一的认识标准,国际上把核设施内发生的有安全意义的事件分为七个等级。   只有4~7级才称为“事故”。5级以上的事故需要实施场外应急计划,这种事故世界上共发生过四次,即苏联切尔诺贝利事故、英国温茨凯尔事故,美国三里岛事故和日本福岛核电站事故。   核技术方案可分为四代,其中第一代核电站为原型堆,其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景;第二代核电站为技术成熟的商业堆,目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站;第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站,其安全性和经济性均较第二代有所提高,属于未来发展的主要方向之一;第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求,目前处在原型堆技术研发阶段,共有美国、法国、韩国、日本等10个国家加入。   核电站技术在一代又一代的发展,始终不变的是要保证人们的安全,所以,安全问题一直是核电技术发展中的一个大问题,20世纪80年代苏联切尔诺贝利核电站泄漏以及2011年日本福岛核电站泄漏更是给我们敲响了警钟。为了保护核电站工作人员和核电站周围居民的健康,核电站必须始终坚持“质量第一,安全第一”的原则。核电站的设计、建造和运行均采用纵深防御的原则,从设备、措施上提供多等级的重叠保护,以确保核电站对功率能有效控制,对燃料组件能充分冷却,对放射性物质不发生泄漏。纵深防御原则一般包括五层防线,第一层防线:精心设计、制造、施工,确保核电站有精良的硬件环境。建立周密的程序,严格的制度,对核电站工作人员进行高水平的教育和培训,人人做好安全防范,有完备的软件环境。第二层防线:加强运行管理和监督,及时正确处理异常情况,排除故障。第三层防线:在严重异常情况下确保做好对反应堆正常的控制和保护系统动作,防止设备故障和人为差错造成事故。第四层防线:发生事故情况时,启用核电站安全系统,包括对外设安全系统加强事故中的电站管理,防止事故扩大,保护反应堆厂房安全壳。第五层防线:万一发生极不可能发生的事故并伴有放射性外泄要立即启用厂内外应急响应计划,努力减轻事故对周围居民和环境的影响。   安全保护系统必须采用独立设备和冗余布置,准备好事故电源,确保安全系统可以抗地展和在蒸汽、空气及放射性物质的恶劣环境中运行。核电站运行人员进行严格的技术和管理培训,通过国家核安全局主持的资格考试,获得国家核安全局颁发的运行值岗操作员或高级操作员执照才能上岗,无照不得上岗。执照在规定期内有效,过期后必须向核发机关申请再次审查。※切尔诺贝利核电站如果突发核外泄事故,应该立即启动应急计划。应急计划的内容主要包括:疏散人员、封闭核污染区(核反应堆及核电站)、清除核污染,以保证人身安全和环境清洁。   按照纵深防御的原则,必须在核燃料和环境外部空气之间设置了四道屏障。即第一道屏障:燃料芯块核然料放在氧化铀陶瓷芯块中,并使得大部分裂变产物和气体产物95%以上保存在芯块内。第二道屏障:燃料包壳,燃料芯块密封在铅合金制造的包壳中构成核燃料芯棒错合金,具有足够的强度且在高温下不与水发生反应。第三道屏障:压力管道和容器冷却剂系统将核燃料芯棒封闭在20厘米以上的钢质耐高压系统中避免放射性物质泄漏到反应堆厂房内。第四道屏障:反应堆安全壳用预应力钢筋混凝土构筑壁厚近100厘米,内表面加有6毫米的钢衬,可以抗御来自内部或外界的飞出物,防止放射性物质进入环境。   安全问题非常重要,那么对于核电站的选址自然也有很高的要求,选址时需非常慎重。国际上通行的关于核电站选址的有四个原则,分别是:经济、技术、安全、环境和社会。   所谓经济原则就是能够有足够的资金来建设和运行核电站,它所服务的地区要有足够的用电需求,所以核电站常常选址在经济较发达的地区。   事实上后面三个原则是有着密切的相互联系的。核电站必须建在经济发达的相对偏远地区,50千米以内不能有大中型城市。要求厂址深部必须没有断裂带通过,而且要求核电站数千米范围内没有活动断裂,厂址区在100千米海域、50千米内陆,历史上没有发生过6级以上地震,厂址区600年来也没有发生6级地震的构造背景。从核安全的角度来看,核电站选址必须考虑到公众和环境免受放射性事故释放所引起的过量辐射影响,同时要考虑到突发的自然事件或人为事件对核电厂的影响,所以,核电站必须选在人口密度低而且易隔离的地区。   此外,大家都知道很多核电站都是建在海边的,这是因为核电站在运行过程中会产生巨大的热量,所以核电站的选址必须靠近水源,最好是靠海,而且靠海还可以解决大件设备运输问题。一旦发生危险,在平的海岸线和放射物均匀发散的情况下,污染陆地面积只是完全在内陆的一半。但是建在海边有利的同时也多出一个风险,就是海啸或者台风带来大浪的可能。通常会建设防波堤来抵御巨浪的冲击。但是防波堤只能抵御一定程度的冲击,如果是比较大的海啸的话,防波堤无能为力,很可能产生十分严重的后果。   所以若是在内陆地区建立核电站,那么选址时更要慎重,因为内陆地区的水源全部为淡水,并且几乎所有的大江大河都直接向周边城市供应生活用水,在这种情况下建设核电站,一旦发生泄漏事故,后果不堪设想,因此一定要慎重再慎重。   1.你知道什么是核能吗?   2.你知道什么是核电厂呢?   3.它的发电过程是什么呢?   核电的未来与核电技术的发展   ◎核电行业的未来   一直以来,与欧洲国家纠结于是否要“弃核”不同,中国国内的讨论焦点一直集中在核电未来发展之争上。事实上,在日本福岛核事故沉淀半年多之后,世界上除德国、意大利等最初几个宣布放弃核电发展的国家,越来越多的国家坚定于安全、高效利用核能的道路,核电还是有发展前途的。   其实,从环保角度讲,核能无疑是应对地球温室效应的最佳手段。从技术和经济的角度看,风电和光伏发电由于其能量的存在形式,在电网接入上具有较高的技术瓶颈,而核电则具有容量大、运行小时数高、发电波动性小、经济成本低等诸多优点,能满足工业化大规模使用,可有效取代煤电,具备产业化发展的条件。从环保的角度看,对比各种能源发电,核电基本实现了温室气体的零排放。据统计,每22吨铀发电所节约的CO2量相对于100万吨煤所产生的量。全球每年产生的CO2中38%来自于煤炭、43%来自于石油,一台100万千瓦的火电机组每年产生的CO2差不多有700万吨,照此测算,当前所运行的910万千瓦核电机组一年可节约6370万吨的CO2排放,另外,核燃料运输的绝对量较小,相比较煤炭的运输又大大节约了CO2的间接排放。这些都是核电令人不忍舍弃的原因。目前来看很多国家是不会放弃核发展的,其实继续发展核电无可厚非,总不能“因噎废食”。只是未来发展核技术需要注意的事项会更多,安全、技术,甚至以前的理念,都需要国际组织、政府以及科研人员慎重考虑。   ◎技术及市场现状   世界上核工业最发达的国家目前仍然是日本,国际核电企业以日系为中心,形成三足鼎立的局面:日本富士财团的日立―美国通用、日本三井财团的东芝―美国西屋、日本三菱财团的三菱重工―法国阿海珐。日本在核电技术和市场的垄断雏形已经出现,因此中国加快发展核能应用的能源战略调整必然受制于日本。   ◎核电技术方案   纵观核电发展历史,核电站技术方案大致可以分四代,即:   第一代核电站   核电站事业的开发与建设开始于20世纪50年代。1954年,前苏联建成电功率为5兆瓦的实验性核电站。1957年,美国建成电功率为9万千瓦的shippingport原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。苏联切尔诺贝利可算作“第一代核”电站——石墨反应堆,这种第一代核电站既无内安全壳,更无外安全壳。   第二代核电站   20世纪60年代后期,有许多国家在实验性和原型核电机组基础上,陆续建成电功率在30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组,它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时,使核电的经济性也得以证明。上世纪70年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电的大发展。目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的,习惯上称之为第二代核电机组。日本福岛可算“第二代”核电站——有内安全壳,但无外安全壳。   第三代核电站   20世纪70年代末及80年代,发生在三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故,为了消减事故带来的负面影响,世界核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关,并且采取了一系列的措施,美国和欧洲先后出台了“先进轻水堆用户要求”文件,即URD文件(utilityrequirements document)和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”,即(EUR)文(European utility requirements document),进一步明确了预防与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。第三代有很多种,有沸水堆,还有比如我国建设的IP千,还有法国的EPR等等,一般都被纳入到了“第三代”。   ※第四代核电站   第四代核电站   随着核能的发展,到了2000年1月,在美国能源部的倡议下,美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能的国家,联合组成了“第四代国际核能论坛”(GIF),于2001年7月签署了合约,约定共同合作研究开发第四代核能技术。根据设想,第四代核能方案的安全性和经济性将更加优越,废物量极少,无需厂外应急,并具备固有的防止核扩散的能力。高温气冷堆、熔盐堆,钠冷快堆就是具有第四代特点的反应堆。第四代核电站有着自己的特点:具有能提供清洁、可持续的核能,能为世界长期使用的可持续性;低成本、短周期建设,可在不同的电力市场竞争的经济性;会具有更优良的安全性和可靠性(包括非常低的堆芯损坏程度、防止核扩散等)。传统的核反应堆有很大的改善空间,这就导致了第四代核电技术的发展。现在发展的第四代核电技术都面临很多问题,需要我们去探索和解决。但是我们有理由相信随着经济社会的进一步发展,先进核能系统会得到长足地进步,也会获得越来越多人的支持。   知识链接   第一代核电站为原型堆,其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景;第二代核电站为技术成熟的商业堆,目前在运行的核电站绝大部分属于第二代核电站;第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站,其安全性和经济性均较第二代有所提高,属于未来发展的主要方向之一;第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求,目前处在原型堆技术研发阶段。   ※中国的核电分布   ◎中国核电分布   我国的核电站起步于秦山核电站(中核)。秦山核电站地处浙江省海盐县。一期工程采用中国CNP300压水堆技术,装机容量1×30万千瓦,设计寿命为30年,综合国产化率大于70%。运营年表是:1985年3月浇灌第一罐核岛底板混凝土(FCD),1991年12月首次并网发电,1994年4月设入商业运行,1995年7月通过国家验收。经过十多年的管理运行实践,实现了周恩来总理提出的“掌握技术、积累经验、培养人才,为中国核电发展打下基础”的目标。   二期工程及扩建工程:这一期工程则采用中国CNP650压水堆技术,装机容量2×65万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率二期约55%,二扩约70%,1#、2#机组先后于1996年6月和1997年3月开工,经过近8年的建设,两台机组分别于2002年4月、2004年5月投入商业运行,使我国实现了由自主建设小型原型堆核电站到自主建设大型商用核电站的重大跨越,为我国自主设计、建设百万千瓦级核电站奠定了坚实的基础,并将对促进我国核电国产化发展,进而拉动国民经济发展发挥重要作用。扩建工程(3#、4#机组)是在其设计和技术基础上进行改进,2006年4月28日开工,3#机组计划于2010年12月建成投产,4#机组力争2011年年底投产。   秦山三期(重水堆)核电站采用加拿大成熟的坎杜6重水堆技术(CANDU6),装机容量2×728兆瓦,设计寿命40年,综合国产化率约55%,参考电厂为韩国月城核电站3号、4号机组。1号机组于2002年11月19日首次并网发电,并于2002年12月31日投入商业运行。2号机组于2003年6月12日首次并网发电,并于2003年7月24日投入商业运行。   方家山核电工程是秦山一期核电工程的扩建项目,工程规划容量为两台百万千瓦级压水堆核电机组,采用二代改进型压水堆技术,国产化率达到80%以上,预计两台机组分别在2013年和2014年投入商业运行。项目建成后,秦山核电基地将拥有9台核电机组,总容量达到630万千瓦。该项目位于浙江海盐,南临杭州湾,建成后将承接华东区域电网,区位优势相当明显。   我们熟知的核电站还有广东大亚湾核电站(中广核)。大亚湾核电站是采用法国M310压水堆技术,装机容量2×984万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率不足10%,1987年8月7日工程正式开工,1994年2月1日和5月6日两台单机容量为984MWe压水堆反应堆机组先后投入商业营运。   岭澳核电站位于广东大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧。它的一期工程,采用中国CPR1000压水堆技术,装机容量是2×99万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率约30%,于1997年5月开工建设,2003年1月全面建成投入商业运行,2004年7月16日通过国家竣工验收。   二期工程,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,装机容量是2×100万千瓦,设计寿命40年,1号和2号机组综合国产化率分别超过50%和70%,于2005年12月开工建设,两台机组计划于2010年至2011年建成并投入商业运行。   三期工程,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,装机容量是2×100万千瓦,设计寿命为40年,预计2011年开工建设。   田湾核电站(中核)位于江苏省连云港市连云区田湾,厂区按4台百万千瓦级核电机组规划,并留有再建2至4台的余地。它的一期工程,采用俄罗斯AES-91型压水堆技术,装机容量是2×106万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率约70%。于1999年10月20日正式开工(FCD),单台机组的建设工期为62个月,分别于2007年5月和2007年8月正式投入商运。   ※压水堆技术二期工程3号和4号机组的建设已启动,单机容量均为100万千瓦。   三期工程5号和6号机组的建设已启功,采用中国二代加CPR1000核电技术。   目前中国还有很多在建的核电站,如,红沿河核电站(中广核),它位于辽宁省大连市瓦房店东岗镇,地处瓦房店市西端渤海辽东湾东海岸。规划建设6台机组,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,单机容量100万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率约60%,1号机组于2007年8月正式开工,至2012年建成投入商业运营;宁德核电站(中广核),规划建设6台机组,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,单机容量是100万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率约75%以上,1#机组于2008年2月FCD,1、2#机组计划于2013年左右建成并投入商业运行。   ※广西防城港核电项目   其中广西防城港核电项目是我国北部湾地区首个核电项目,项目规划建设6台百万千瓦级压水堆核电站,一次规划、分期建设。其中,一期工程规划建设两台百万千万级压水堆核电机组,首台机组于2014年建成并投入商业运行。广西防城港核电站项目规划建设6台百万千瓦级核电机组。其中,一期工程采用自主品牌中国改进型压水堆核电技术CPR1000,建设两台单机容量为108万千瓦的核电机组,工程总投资约260亿元,设备国产化比例将达到87%,首台机组预计于2015年建成并投入商业运行。项目将从工程设计、工程管理、设备制造、调试运营等各个方面,使具有自主知识产权的我国核电技术得到进一步推广应用。一期工程建成后,每年可为广西提供150亿千瓦时安全、清洁、经济的电力,与同等规模燃煤电站相比,每年可减少电煤消耗600万吨,减少二氧化碳排放量约1482万吨、二氧化硫和氮氧化物排放量约1364万吨,环保效益相当于新增了982万公顷森林,不但能有力地促进广西经济发展方式的转变,也将对实现我国控制温室气体排放目标、保护生态环境、保障北部湾经济区电力供应发挥积极作用。还有很多为了解决能源问题而进行建设的核电站。相信不久我们一定会看到核电站的更多有利的一面来证明核电站建设是有价值的。   1.你知道市场现状是什么吗?   2.纵观核电发展历史,核电站技术方案大致有几种呢?它们都是什么呢?   3.你知道中国的核电分布都是哪里吗?   微型核电池   “核电池”是一种温差发电器,是由一些性能优异的半导体材料,如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等,把许多材料串联起来组成。此外还得有一个合适的热源和换能器,在热源和换能器之间形成温差才可发电。这种电池又称为“放射性同位素温差发电器”或“原子能电池”。   核电池在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式,向外放出比一般物质大得多的能量,这是因为它们的热源就是放射性同位素。这种很大的能量有两个显著的特点。一个是蜕变时放出的能量大小、速度不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,因此,核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长,这决定了核电池可长期使用。核电池采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90,半衰期为28年)、钚-238(Pu-238,半衰期89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池,燃料放在电池中心,周围用热电元件包覆,放射性同位素发射高能量的α射线,在热电元件中将热量转化成电流。   换能器是核电池的核心。目前常用的换能器叫静态热电换能器,它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差,从而发电。它的优点是可以做得很小,但是以目前的技术来看,它的效率颇低,现在为止热利用率只有10%~20%,大部分热能被浪费掉。   虽然核电池在外形上有多种形状,但其实最外部分都是由合金制成的,它们的存在是为了保护电池和散热;次外层是辐射屏蔽层,这一层可以防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了,在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分,放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。   美国人在1959年1月16日制成了第一个核电池,它重1800克,在280天内可发出116度电。在此之后,核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”,上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年,美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆,在短短5个月中得到的火星情况,比以往人类历史上所积累的全部情况还要多。火星表面温度的昼夜差超过100℃,如此巨大的温差,一般化学电池是无法工作的,它们的工作电源正是核电池。   核电池在大海深处有很大的用武之地。在深海里,太阳能电池根本派不上用场,燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短,所以只得派核电池去了。例如,现在已用它作海底潜艇导航信标,能保证航标每隔几秒钟闪光一次,几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源,用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核电池用作海底电缆的中继站电源,它既能耐五六千米深海的高压,安全可靠地工作,又少花费成本,令人十分称心。   知识链接   在医学上,核电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠,以便能放入患者胸腔内长期使用。以前在无法解决能源问题时,人们只能把能源放在体外,但连结体外到体内的管线却成了重要的感染渠道,很是使人头疼。现在可好了,眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳,内装150毫克钚238,整个电池只有160克重,体积仅18立方毫米。它可以连续使用10年以上。   ◎核电池和阿波罗飞船   阿波罗11号飞船是1969年7月21日,人类第一次成功地登上月球时所乘坐的工具。在月球表面的“静海区”着陆之后,进行了一系列科学实验,例如采集岩石样品、测定太阳风等等。很多人或许还能记得,或者仅靠想象,也能想得到当时人们都在屏住呼吸从电视屏幕上观看人类第一次登上月球的情景,感同身受的笑着、激动着看着船长阿姆斯特隆和飞行员奥德林在月面上手舞足蹈的动人场面。   在阿波罗11号飞船上,安装了两个放射性同位素装置,其热功率为15瓦,用的燃料为钚-238。不过阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的,也就是说它仅仅用于提供热源。所以,该装置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)装置,意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器。   当然,在此之后发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船上,安装的放射性同位素装置全部是为了发电用的。这就是SNAP-27A装置。它用的燃料是钚-238,设计的电输出功率为635瓦,整个装置重量为31千克,设计寿命为一年。它们的使命主要就是用于阿波罗月面探查的一系列科学实验。   月球上的黑夜时间占一半,一夜约为地球上的两周,它的一天等于地球上的27天。太阳电池在黑夜期间完全停止工作。与此同时,处于背阳的月面,其温度会急剧下降好几百度,从酷热一下变成了严寒。所以为了使卫星上的地震仪、磁场仪以及其他机械能正常工作,必须利用余热进行保温。   阿波罗11号飞船的后继者——阿波罗12号飞船首次装载的放射性同位素电池——SNAP-27A装置,其寿命远远超过设计时考虑的一年,并能连续供给70瓦以上的电力,完全符合预期的设计要求。由于这一实验获得成功,于是后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP-27A这一装置。   在过去的20年里,微机电系统和纳米技术的研究取得了巨大的进展,研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。然而,能量供给装置很难微小型化到相应尺度,传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳米器件,这导致了整个系统体积增大、频繁充电或电池单元组布置的困难因此,研究者们自20世纪90年代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中,基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型嫩料电池的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机供给燃料到工作腔中,或者促成化学反应实现能转换。微型铿电池也在研究当中,但是这类电池目前能量密度低,寿命短。目前的研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列,其缺点在于需要光作为原始能源。放射能的应用时非常广泛的,比如应用于工业、农业和医疗服务等许多不同的领域,能量产生是其最重要的应用领域,这是因为核能在许多场合都是比常规能量产生形式更高效的能量产生方法。   ※微型核电池   国际上首先提出了结合微机电系统技术和核能科学的是美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究者,他们于1999年在美国能源部的资助下开展了微型核电池或称放射性同位素电池的研究,随后在美国国防部的资助下,继续在美国康乃尔大学开展工作。在中国,包括厦门大学萨本栋微机电研究中心在内的国内外许多研究小组也开始致力于这项研究工作。与其他技术相比,微型核电池在许多领域具有应用前景,特别是在需要长期时间功能的应用场合,如植入式生物医疗微器件与用于环境监测的微型传感器或传感器网络放射性同位素的能量密度比化石或化学燃料的能量密度高了一成,并且若选择合适的放射性同位素,可以实现长寿命的微型核电池。   实现微型核电池的最重要的方面是放射性同位素的选择,主要是基于辐射类型,安全性、能量、相对比放射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线具有很强的穿透能力,需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha粒子可以用于在半导体产生电子一空穴对,但是它们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的最佳选择。镍-63有超过100年的放射期,在我们的研究中可作为首选。从镍-63发射出的粒子或电子,具有淤的平均能量和的最高能量,这低于引起硅晶体结构永久性损伤的200~250KeV闽值能量。另一方面,最高运动能量67KeV的电子无法穿透人类皮肤的外层,这保证了操作者的安全。   Beta型微型电池所开发的第一种类型的微型核电池是基于Beta辐生伏打效应,即由于电子空穴对(EHPs)产生的正电荷流动,从而形成电势差。当EHPs扩散进入半导体pn结的耗尽区,在pn结内建电场的作用下,实现对电子-空穴对的分离,即电子向n区,空穴向p区运动,产生电流输出。虽然辐生伏打效应与光生伏打效应类似,微型核电池的开发比太阳能电池的开发要困难得多。主要原因在于核电池中的电子通量密度比太阳能电池中的光子通量密度要低。对于微电池而言,由于使用了非常低放射强度的同位素,电子通密度还会降低。从Beta放射性同位素放射出来的电子的能分布通常真有很宽的频谱范围。带有不同能的电子会停留在半导体pn结器件不同深度的位里。因此,产生的EHPs的空间分布是不同的。为了获得更高的能量输出,需要对pn结器件进行优化设计,并采取微制造工艺达到尽可能将EHPs收集到耗尽层的目的。   传统核电池的一种工作方式是利用电容器收集辐射电荷。在我们的研究中,弹性变形的铜悬臂梁放于距离镍石放射源一段间隔的位置,当悬仲梁收集了来自放射源的带电荷粒子后,镍-63剩余负电荷因此,产生了静电力,将悬臂梁吸引向放射源当悬胃梁接触到放射源,悬臂梁放电从而回到初始位里,再次进行下一循环周期的电荷收集。因此,实现了自主往复式悬有梁,或称直接收集型电荷运动转换装置。寄生电阻用于表示收集电荷的泄漏通道。电荷转换导致电荷转换式中I为来自放射性同位素的全放射电流,A为电容器的面积,R为等效阻抗,V为放射源与悬臂梁之间的电压,t为时间,d为电极间的距离,D为表示被悬臂梁收集的部分全放射电流的经验系数。   微型核电池(penny-sized nuclear battery),是核电池的一种,它的体积很小,只有一分钱硬币的厚度,电力非常强,且使用起来很安全。它的原理通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备,这种设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流。   在手机非常普及的今天,人们在受着手机带来的方便的同时也苦恼着,那就是你不得不为你的手机电量是否充足、是否要马上充电等问题而操心劳神,所以,如果给你一块几个月都不需要充电的电池,你马上会高兴起来,如果给你一块你一辈子都不用充电的电池,你会不会惊讶万分?如果给你一块几百代人都不用充电的电池,你会不会觉得这是痴人说梦?告诉你,美国科学家眼下就创造出了这样一个神话。   让我们看一下神话是怎么创造出来的吧。原来,早些时候,科学家就发现,当放射性物质衰变时,就能够释放出带电粒子,如果采取一定特殊的办法,就能够把带电粒子驯服归拢起来,形成电流。后来科学家依照这个发现和放电原理,发明了大型的核电池,用于工业和航天业。如在航天领域,可把核电池安装在太阳能不够用的探测卫星上,或安装在发射到太阳系外的无人飞船上。遗憾的是,因核电池必须装有一个收集带电粒子的固体半导体,但由于辐射的作用,固体半导体很快就会受损,而为了降低受损程度,核电池就必须做得足够大。正因为核电池变小很难,所以它就很难在小型或微型电子设备上派上用场,自然也就很难把它做成手机电池,事情看上去简单却又复杂。   但是人们总是在想尽办法解决着问题,终于,美国科学家想出了为核电池“瘦身”的妙计,他们把核电池内易受损的固体半导体换成了不易受损的液体半导体,这样不但能完成收集带电粒子的使命,而且还可以大幅度“瘦身”,真可谓是一举两得。按照新思路研发出的圆形核电池直径有1.95厘米,厚度仅1.55毫米,仅仅比1美分硬币大一点点,但其电力却是普通化学电池的100万倍。   英国BBC电台2009年10月9日报道了由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音)率领的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池”的新闻。该研究成果被刊登在最新一期的《应用物理杂志》的科学杂志。   据介绍,他们通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备,这种设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流。   一如我们了解到的那样,该研究小组称,虽然在很久之前核电池就已经应用在航天领域,但是因为大小的限制,在地球上核电池的应用还很少。大多数核电池通过固态半导体截获带电粒子,因为粒子的能量非常高所以半导体随着时间的推移将受到损伤。于是,为了能让电池长期使用,核电池被制造的非常大。   研究人员早在2005年就已经开始了对核动力电池的研究,经过他们的努力,至今核电池已经运用在很多专业领域,但在JaeKwon和J·David Robertson之前,由于对核能的忌惮,核电池一直被认为不适合在民间使用。所以此次微型核电池的成功研制,无疑推动了核动力的普及,说不定不久的将来就会出现核动力笔记本、核动力台式机。   权载完教授以及他的助手不但研发了微型的核电池,最主要的是实现了对电池芯片的改革。使用核电池时发出的放射能可能会损坏电池内部的固体芯片结构,但权载完利用液体芯片最大限度地克服了这一问题。权载完向BBC电台表示:“核能可用于心脏搏动调节装置或人造卫星等,已经可以安全地用于人们的生活。”   可以这样说:只需要一个硬币大小的电池,就可以让你的手机不充电使用5000年。不是神话,不是痴人说梦,而是科研人员努力的成果。权载完博士称,虽然人们总是闻“核”色变,但实际上核动力能源早就被应用在例如心脏起搏器、太空卫星和海底设备等多种安全供电项目上,这个项目也是为人类服务的一种。如果这种电池普及了,那么就省去了充电这一点儿麻烦,另外,像正在流行的电动车的电池,也有望实现让人至少一辈子不用充电的梦想。至于核电池是否会出现核污染问题,科学家指出,这个问题早在发明它的时候就同时解决了,人们不必为此担忧。   1.你知道核电池又叫做什么吗?   2.你知道人类在第一次登上月球是什么时间吗?   3.你知道微型核电池可以用来干什么吗? 第二章核电技术   在世界范围内能源的短缺的近现代社会,人们一直在寻找更好更实用的新能源,自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电以来,世界核电至今已有50多年的发展历史。截止到2005年年底,全世界核电运行机组共有440多台,其发电量约占世界发电总量的16%,核能作为未来能源的希望,人们一直在努力的探索和利用着它的发电的功能,并且也取得了不少成果,甚至研发了微型核电池。   核电的知识   ※核电技术   目前,人类实际应用的主要能源仍然是化石能源。其中煤、石油、天然气等化石能源的利用,对人类生存、发展和进步产生过巨大的影响。但是进入21世纪后,人们更加注重生存环境和生存空间的质量。大量燃用化石能源后产生的温室效应、酸雨现象对人类生存环境造成了严重破坏。同时,化石能源经过长期开采,其资源日趋枯竭,已不足以支撑全球经济的发展。因此人们加快了寻找替代能源的步伐。在这个的过程中,人们开始越来越重视核能的应用,而核能最主要的应用就是核能发电。   在第一章中我们已经接触到了核电站的一些知识,接下来我们要继续了解一下核电站的其他相关知识。众所周知,火力发电站利用煤和石油发电,水力发电站利用水力发电,那么核电站是如何发电的呢?作为利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站的核电站大体可分为两部分:一部分是利用核能生产蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统,另一部分是利用蒸汽发电的常规岛,包括汽轮发电机系统。   核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。   在发达国家,核电已有几十年的发展历史,核电也已成为一种成熟的能源。中国的核工业也已有40多年发展历史,建立了从地质勘察、采矿到元件加工、后处理等相当完整的核燃料循环体系,已建成多种类型的核反应堆并有多年的安全管理和运行经验,拥有一支专业齐全、技术过硬的队伍。核电站的建设和运行是一项复杂的技术。中国目前已经能够设计、建造和运行自己的核电站。秦山核电站就是由中国自己研究设计建造的。   ※秦山核电站核电站的组成通常有两部分:核系统及核设备,又称是核岛;常规系统及常规设备,又称为常规岛。这两部分就组成了核能发电系统。   核岛中主要的设备为核反应堆及由载热剂(冷却剂)提供热量的蒸汽发生器,它替代常规火电站中蒸汽锅炉的作用。常规岛的主要设备为气轮机和发电机及其相应附属设备,常规岛的组成与常规火电站气轮机大致相同。   反应堆种类很多,它是核电站的关键设计,链式裂变反应就在其中进行。核电站中使用最多的是压水堆。   压水堆首先要解决的问题是必须有核燃料。核燃料是把小指头大的烧结二氧化铀芯块,装到锆合金管中,将三百多根装有芯块的锆合金管组装在一起,成为燃料组件。大多数组件中都有一束控制棒,控制着链式反应的强度和反应的开始与终止。压水堆以水作为冷却剂在主泵的推动下流过燃料组件,吸收了核裂变产生的热能以后流出反应堆,进入蒸汽发生器,在那里把热量传给二次侧的水,使它们变成蒸汽送去发电,而主冷却剂本身的温度就降低了。从蒸汽发生器出来的主冷却剂再由主泵送回反应堆去加热。冷却剂的这一循环通道称为一回路,一回路高压由稳压器来维持和调节。   核反应堆是一个能维持和控制核裂变的链式反应,从而实现核能-热能转换的装置。核电厂用的压水反应堆有一个厚厚的钢质贺筒形外壳,腰部有几个进水口和出水口,称为压力容器,900兆瓦的压水堆,其压力容器高12米,直径3.9米,壁厚约0.2米。压力容器是堆芯,堆芯由燃料组件和控制棒组件等组成。水在它们的间隙中流过。水在此起两个作用,一是降低中子的速度使之易于被铀-235核吸收,二是带出热量。900兆瓦的压水堆一般装有157个燃料组件,约含80吨二氧化铀。压力容器顶装有控制棒驱动机构,通过改变控制棒的位置来实现开堆、停堆(包括紧急停堆)和调节功率的大小。   ※核反应堆原理大家都知道电是电厂生产出来的。常见的电厂有烧煤或石油的火力发电厂,有靠水力发电的水电站,还有一些靠风力、太阳能、地热、潮汐能、波浪能、沼气生产电力的小型或实验性发电装置。其实核电技术发展之后,就有了核电厂这种大规模生产电力的新型发电厂,它是靠原子核内蕴藏的能量来发电的。   这些电站一般都是由芯体和包壳组成的。核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在一种叫做“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内生产出来,并通过电网送到四面八方。以上就是最普通的压水反应堆核电厂的工作原理。   ※产生电力的新型发电厂   提到核大家都会想到它的放射性。大约在100年前,科学家发现某些物质能放出三种射线:α(阿尔法)射线、β(贝塔)射线,γ(伽玛)射线。后来的研究证明:α射线是α粒子(氦原子核)流,β射线是β粒子(电子)流,γ(伽玛)射线是光子流。   这些射线有一些共同的特点:它们都有一定穿透物质的能力;人的五官是不能感知到它们的,但它们能使照相底片感光;照射到某些特殊物质上能发出可见的荧光;通过物质时可以产生电离作用。射线主要通过电离作用对生物体产生一定的影响。   其实射线并不可怕,我们吃的食物、住的房屋,甚至我们的身体内都有能放出射线的物质。我们戴夜光表、作X光检查、乘飞机、吸烟都会接受一定的辐射剂量,一定范围内的辐射人体是可以承受的。但是,过高的辐射剂量会有害健康。   说到了核能的放射性,那么这里就介绍一下两个关于放射性的计量单位。首先是居里(Curie,符号为:Ci),它表示单位时间内发生衰变的原子核数。1居里(Ci)=37×1010贝克(Bq),1克的镭226每秒能产生37×1010次原子核衰变,该源的放射性强度即为1居里。换算:1毫居里=3.7×107次/秒1微居里=3.7×104次/秒。   然后是贝克勒尔(Becquerel,符号为:Bq),是放射性活度的国际单位制导出的单位,1Bq指每秒有一个原子衰变。比如,一克的镭放射性活度有3.7×1010Bq。   ※核反应堆   知识链接·什么叫做核事故·   一般来说,在核设施(例如核电厂)内发生了意外情况,造成放射性物质外泄,致使工作人员和公众受到超过或相当于规定限值的照射,则称为核事故。显然,核事故的严重程度可以有一个很大的范围,为了有一个统一的认识标准,国际上把核设施内发生的有安全意义的事件分为七个等级。   只有4~7级才称为“事故”。5级以上的事故需要实施场外应急计划,这种事故世界上共发生过四次,即苏联切尔诺贝利事故、英国温茨凯尔事故,美国三里岛事故和日本福岛核电站事故。   核技术方案可分为四代,其中第一代核电站为原型堆,其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景;第二代核电站为技术成熟的商业堆,目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站;第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站,其安全性和经济性均较第二代有所提高,属于未来发展的主要方向之一;第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求,目前处在原型堆技术研发阶段,共有美国、法国、韩国、日本等10个国家加入。   核电站技术在一代又一代的发展,始终不变的是要保证人们的安全,所以,安全问题一直是核电技术发展中的一个大问题,20世纪80年代苏联切尔诺贝利核电站泄漏以及2011年日本福岛核电站泄漏更是给我们敲响了警钟。为了保护核电站工作人员和核电站周围居民的健康,核电站必须始终坚持“质量第一,安全第一”的原则。核电站的设计、建造和运行均采用纵深防御的原则,从设备、措施上提供多等级的重叠保护,以确保核电站对功率能有效控制,对燃料组件能充分冷却,对放射性物质不发生泄漏。纵深防御原则一般包括五层防线,第一层防线:精心设计、制造、施工,确保核电站有精良的硬件环境。建立周密的程序,严格的制度,对核电站工作人员进行高水平的教育和培训,人人做好安全防范,有完备的软件环境。第二层防线:加强运行管理和监督,及时正确处理异常情况,排除故障。第三层防线:在严重异常情况下确保做好对反应堆正常的控制和保护系统动作,防止设备故障和人为差错造成事故。第四层防线:发生事故情况时,启用核电站安全系统,包括对外设安全系统加强事故中的电站管理,防止事故扩大,保护反应堆厂房安全壳。第五层防线:万一发生极不可能发生的事故并伴有放射性外泄要立即启用厂内外应急响应计划,努力减轻事故对周围居民和环境的影响。   安全保护系统必须采用独立设备和冗余布置,准备好事故电源,确保安全系统可以抗地展和在蒸汽、空气及放射性物质的恶劣环境中运行。核电站运行人员进行严格的技术和管理培训,通过国家核安全局主持的资格考试,获得国家核安全局颁发的运行值岗操作员或高级操作员执照才能上岗,无照不得上岗。执照在规定期内有效,过期后必须向核发机关申请再次审查。※切尔诺贝利核电站如果突发核外泄事故,应该立即启动应急计划。应急计划的内容主要包括:疏散人员、封闭核污染区(核反应堆及核电站)、清除核污染,以保证人身安全和环境清洁。   按照纵深防御的原则,必须在核燃料和环境外部空气之间设置了四道屏障。即第一道屏障:燃料芯块核然料放在氧化铀陶瓷芯块中,并使得大部分裂变产物和气体产物95%以上保存在芯块内。第二道屏障:燃料包壳,燃料芯块密封在铅合金制造的包壳中构成核燃料芯棒错合金,具有足够的强度且在高温下不与水发生反应。第三道屏障:压力管道和容器冷却剂系统将核燃料芯棒封闭在20厘米以上的钢质耐高压系统中避免放射性物质泄漏到反应堆厂房内。第四道屏障:反应堆安全壳用预应力钢筋混凝土构筑壁厚近100厘米,内表面加有6毫米的钢衬,可以抗御来自内部或外界的飞出物,防止放射性物质进入环境。   安全问题非常重要,那么对于核电站的选址自然也有很高的要求,选址时需非常慎重。国际上通行的关于核电站选址的有四个原则,分别是:经济、技术、安全、环境和社会。   所谓经济原则就是能够有足够的资金来建设和运行核电站,它所服务的地区要有足够的用电需求,所以核电站常常选址在经济较发达的地区。   事实上后面三个原则是有着密切的相互联系的。核电站必须建在经济发达的相对偏远地区,50千米以内不能有大中型城市。要求厂址深部必须没有断裂带通过,而且要求核电站数千米范围内没有活动断裂,厂址区在100千米海域、50千米内陆,历史上没有发生过6级以上地震,厂址区600年来也没有发生6级地震的构造背景。从核安全的角度来看,核电站选址必须考虑到公众和环境免受放射性事故释放所引起的过量辐射影响,同时要考虑到突发的自然事件或人为事件对核电厂的影响,所以,核电站必须选在人口密度低而且易隔离的地区。   此外,大家都知道很多核电站都是建在海边的,这是因为核电站在运行过程中会产生巨大的热量,所以核电站的选址必须靠近水源,最好是靠海,而且靠海还可以解决大件设备运输问题。一旦发生危险,在平的海岸线和放射物均匀发散的情况下,污染陆地面积只是完全在内陆的一半。但是建在海边有利的同时也多出一个风险,就是海啸或者台风带来大浪的可能。通常会建设防波堤来抵御巨浪的冲击。但是防波堤只能抵御一定程度的冲击,如果是比较大的海啸的话,防波堤无能为力,很可能产生十分严重的后果。   所以若是在内陆地区建立核电站,那么选址时更要慎重,因为内陆地区的水源全部为淡水,并且几乎所有的大江大河都直接向周边城市供应生活用水,在这种情况下建设核电站,一旦发生泄漏事故,后果不堪设想,因此一定要慎重再慎重。   1.你知道什么是核能吗?   2.你知道什么是核电厂呢?   3.它的发电过程是什么呢?   核电的未来与核电技术的发展   ◎核电行业的未来   一直以来,与欧洲国家纠结于是否要“弃核”不同,中国国内的讨论焦点一直集中在核电未来发展之争上。事实上,在日本福岛核事故沉淀半年多之后,世界上除德国、意大利等最初几个宣布放弃核电发展的国家,越来越多的国家坚定于安全、高效利用核能的道路,核电还是有发展前途的。   其实,从环保角度讲,核能无疑是应对地球温室效应的最佳手段。从技术和经济的角度看,风电和光伏发电由于其能量的存在形式,在电网接入上具有较高的技术瓶颈,而核电则具有容量大、运行小时数高、发电波动性小、经济成本低等诸多优点,能满足工业化大规模使用,可有效取代煤电,具备产业化发展的条件。从环保的角度看,对比各种能源发电,核电基本实现了温室气体的零排放。据统计,每22吨铀发电所节约的CO2量相对于100万吨煤所产生的量。全球每年产生的CO2中38%来自于煤炭、43%来自于石油,一台100万千瓦的火电机组每年产生的CO2差不多有700万吨,照此测算,当前所运行的910万千瓦核电机组一年可节约6370万吨的CO2排放,另外,核燃料运输的绝对量较小,相比较煤炭的运输又大大节约了CO2的间接排放。这些都是核电令人不忍舍弃的原因。目前来看很多国家是不会放弃核发展的,其实继续发展核电无可厚非,总不能“因噎废食”。只是未来发展核技术需要注意的事项会更多,安全、技术,甚至以前的理念,都需要国际组织、政府以及科研人员慎重考虑。   ◎技术及市场现状   世界上核工业最发达的国家目前仍然是日本,国际核电企业以日系为中心,形成三足鼎立的局面:日本富士财团的日立―美国通用、日本三井财团的东芝―美国西屋、日本三菱财团的三菱重工―法国阿海珐。日本在核电技术和市场的垄断雏形已经出现,因此中国加快发展核能应用的能源战略调整必然受制于日本。   ◎核电技术方案   纵观核电发展历史,核电站技术方案大致可以分四代,即:   第一代核电站   核电站事业的开发与建设开始于20世纪50年代。1954年,前苏联建成电功率为5兆瓦的实验性核电站。1957年,美国建成电功率为9万千瓦的shippingport原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。苏联切尔诺贝利可算作“第一代核”电站——石墨反应堆,这种第一代核电站既无内安全壳,更无外安全壳。   第二代核电站   20世纪60年代后期,有许多国家在实验性和原型核电机组基础上,陆续建成电功率在30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组,它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时,使核电的经济性也得以证明。上世纪70年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电的大发展。目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的,习惯上称之为第二代核电机组。日本福岛可算“第二代”核电站——有内安全壳,但无外安全壳。   第三代核电站   20世纪70年代末及80年代,发生在三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故,为了消减事故带来的负面影响,世界核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关,并且采取了一系列的措施,美国和欧洲先后出台了“先进轻水堆用户要求”文件,即URD文件(utilityrequirements document)和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”,即(EUR)文(European utility requirements document),进一步明确了预防与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。第三代有很多种,有沸水堆,还有比如我国建设的IP千,还有法国的EPR等等,一般都被纳入到了“第三代”。   ※第四代核电站   第四代核电站   随着核能的发展,到了2000年1月,在美国能源部的倡议下,美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能的国家,联合组成了“第四代国际核能论坛”(GIF),于2001年7月签署了合约,约定共同合作研究开发第四代核能技术。根据设想,第四代核能方案的安全性和经济性将更加优越,废物量极少,无需厂外应急,并具备固有的防止核扩散的能力。高温气冷堆、熔盐堆,钠冷快堆就是具有第四代特点的反应堆。第四代核电站有着自己的特点:具有能提供清洁、可持续的核能,能为世界长期使用的可持续性;低成本、短周期建设,可在不同的电力市场竞争的经济性;会具有更优良的安全性和可靠性(包括非常低的堆芯损坏程度、防止核扩散等)。传统的核反应堆有很大的改善空间,这就导致了第四代核电技术的发展。现在发展的第四代核电技术都面临很多问题,需要我们去探索和解决。但是我们有理由相信随着经济社会的进一步发展,先进核能系统会得到长足地进步,也会获得越来越多人的支持。   知识链接   第一代核电站为原型堆,其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景;第二代核电站为技术成熟的商业堆,目前在运行的核电站绝大部分属于第二代核电站;第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站,其安全性和经济性均较第二代有所提高,属于未来发展的主要方向之一;第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求,目前处在原型堆技术研发阶段。   ※中国的核电分布   ◎中国核电分布   我国的核电站起步于秦山核电站(中核)。秦山核电站地处浙江省海盐县。一期工程采用中国CNP300压水堆技术,装机容量1×30万千瓦,设计寿命为30年,综合国产化率大于70%。运营年表是:1985年3月浇灌第一罐核岛底板混凝土(FCD),1991年12月首次并网发电,1994年4月设入商业运行,1995年7月通过国家验收。经过十多年的管理运行实践,实现了周恩来总理提出的“掌握技术、积累经验、培养人才,为中国核电发展打下基础”的目标。   二期工程及扩建工程:这一期工程则采用中国CNP650压水堆技术,装机容量2×65万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率二期约55%,二扩约70%,1#、2#机组先后于1996年6月和1997年3月开工,经过近8年的建设,两台机组分别于2002年4月、2004年5月投入商业运行,使我国实现了由自主建设小型原型堆核电站到自主建设大型商用核电站的重大跨越,为我国自主设计、建设百万千瓦级核电站奠定了坚实的基础,并将对促进我国核电国产化发展,进而拉动国民经济发展发挥重要作用。扩建工程(3#、4#机组)是在其设计和技术基础上进行改进,2006年4月28日开工,3#机组计划于2010年12月建成投产,4#机组力争2011年年底投产。   秦山三期(重水堆)核电站采用加拿大成熟的坎杜6重水堆技术(CANDU6),装机容量2×728兆瓦,设计寿命40年,综合国产化率约55%,参考电厂为韩国月城核电站3号、4号机组。1号机组于2002年11月19日首次并网发电,并于2002年12月31日投入商业运行。2号机组于2003年6月12日首次并网发电,并于2003年7月24日投入商业运行。   方家山核电工程是秦山一期核电工程的扩建项目,工程规划容量为两台百万千瓦级压水堆核电机组,采用二代改进型压水堆技术,国产化率达到80%以上,预计两台机组分别在2013年和2014年投入商业运行。项目建成后,秦山核电基地将拥有9台核电机组,总容量达到630万千瓦。该项目位于浙江海盐,南临杭州湾,建成后将承接华东区域电网,区位优势相当明显。   我们熟知的核电站还有广东大亚湾核电站(中广核)。大亚湾核电站是采用法国M310压水堆技术,装机容量2×984万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率不足10%,1987年8月7日工程正式开工,1994年2月1日和5月6日两台单机容量为984MWe压水堆反应堆机组先后投入商业营运。   岭澳核电站位于广东大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧。它的一期工程,采用中国CPR1000压水堆技术,装机容量是2×99万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率约30%,于1997年5月开工建设,2003年1月全面建成投入商业运行,2004年7月16日通过国家竣工验收。   二期工程,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,装机容量是2×100万千瓦,设计寿命40年,1号和2号机组综合国产化率分别超过50%和70%,于2005年12月开工建设,两台机组计划于2010年至2011年建成并投入商业运行。   三期工程,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,装机容量是2×100万千瓦,设计寿命为40年,预计2011年开工建设。   田湾核电站(中核)位于江苏省连云港市连云区田湾,厂区按4台百万千瓦级核电机组规划,并留有再建2至4台的余地。它的一期工程,采用俄罗斯AES-91型压水堆技术,装机容量是2×106万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率约70%。于1999年10月20日正式开工(FCD),单台机组的建设工期为62个月,分别于2007年5月和2007年8月正式投入商运。   ※压水堆技术二期工程3号和4号机组的建设已启动,单机容量均为100万千瓦。   三期工程5号和6号机组的建设已启功,采用中国二代加CPR1000核电技术。   目前中国还有很多在建的核电站,如,红沿河核电站(中广核),它位于辽宁省大连市瓦房店东岗镇,地处瓦房店市西端渤海辽东湾东海岸。规划建设6台机组,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,单机容量100万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率约60%,1号机组于2007年8月正式开工,至2012年建成投入商业运营;宁德核电站(中广核),规划建设6台机组,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,单机容量是100万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率约75%以上,1#机组于2008年2月FCD,1、2#机组计划于2013年左右建成并投入商业运行。   ※广西防城港核电项目   其中广西防城港核电项目是我国北部湾地区首个核电项目,项目规划建设6台百万千瓦级压水堆核电站,一次规划、分期建设。其中,一期工程规划建设两台百万千万级压水堆核电机组,首台机组于2014年建成并投入商业运行。广西防城港核电站项目规划建设6台百万千瓦级核电机组。其中,一期工程采用自主品牌中国改进型压水堆核电技术CPR1000,建设两台单机容量为108万千瓦的核电机组,工程总投资约260亿元,设备国产化比例将达到87%,首台机组预计于2015年建成并投入商业运行。项目将从工程设计、工程管理、设备制造、调试运营等各个方面,使具有自主知识产权的我国核电技术得到进一步推广应用。一期工程建成后,每年可为广西提供150亿千瓦时安全、清洁、经济的电力,与同等规模燃煤电站相比,每年可减少电煤消耗600万吨,减少二氧化碳排放量约1482万吨、二氧化硫和氮氧化物排放量约1364万吨,环保效益相当于新增了982万公顷森林,不但能有力地促进广西经济发展方式的转变,也将对实现我国控制温室气体排放目标、保护生态环境、保障北部湾经济区电力供应发挥积极作用。还有很多为了解决能源问题而进行建设的核电站。相信不久我们一定会看到核电站的更多有利的一面来证明核电站建设是有价值的。   1.你知道市场现状是什么吗?   2.纵观核电发展历史,核电站技术方案大致有几种呢?它们都是什么呢?   3.你知道中国的核电分布都是哪里吗?   微型核电池   “核电池”是一种温差发电器,是由一些性能优异的半导体材料,如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等,把许多材料串联起来组成。此外还得有一个合适的热源和换能器,在热源和换能器之间形成温差才可发电。这种电池又称为“放射性同位素温差发电器”或“原子能电池”。   核电池在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式,向外放出比一般物质大得多的能量,这是因为它们的热源就是放射性同位素。这种很大的能量有两个显著的特点。一个是蜕变时放出的能量大小、速度不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,因此,核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长,这决定了核电池可长期使用。核电池采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90,半衰期为28年)、钚-238(Pu-238,半衰期89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池,燃料放在电池中心,周围用热电元件包覆,放射性同位素发射高能量的α射线,在热电元件中将热量转化成电流。   换能器是核电池的核心。目前常用的换能器叫静态热电换能器,它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差,从而发电。它的优点是可以做得很小,但是以目前的技术来看,它的效率颇低,现在为止热利用率只有10%~20%,大部分热能被浪费掉。   虽然核电池在外形上有多种形状,但其实最外部分都是由合金制成的,它们的存在是为了保护电池和散热;次外层是辐射屏蔽层,这一层可以防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了,在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分,放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。   美国人在1959年1月16日制成了第一个核电池,它重1800克,在280天内可发出116度电。在此之后,核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”,上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年,美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆,在短短5个月中得到的火星情况,比以往人类历史上所积累的全部情况还要多。火星表面温度的昼夜差超过100℃,如此巨大的温差,一般化学电池是无法工作的,它们的工作电源正是核电池。   核电池在大海深处有很大的用武之地。在深海里,太阳能电池根本派不上用场,燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短,所以只得派核电池去了。例如,现在已用它作海底潜艇导航信标,能保证航标每隔几秒钟闪光一次,几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源,用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核电池用作海底电缆的中继站电源,它既能耐五六千米深海的高压,安全可靠地工作,又少花费成本,令人十分称心。   知识链接   在医学上,核电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠,以便能放入患者胸腔内长期使用。以前在无法解决能源问题时,人们只能把能源放在体外,但连结体外到体内的管线却成了重要的感染渠道,很是使人头疼。现在可好了,眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳,内装150毫克钚238,整个电池只有160克重,体积仅18立方毫米。它可以连续使用10年以上。   ◎核电池和阿波罗飞船   阿波罗11号飞船是1969年7月21日,人类第一次成功地登上月球时所乘坐的工具。在月球表面的“静海区”着陆之后,进行了一系列科学实验,例如采集岩石样品、测定太阳风等等。很多人或许还能记得,或者仅靠想象,也能想得到当时人们都在屏住呼吸从电视屏幕上观看人类第一次登上月球的情景,感同身受的笑着、激动着看着船长阿姆斯特隆和飞行员奥德林在月面上手舞足蹈的动人场面。   在阿波罗11号飞船上,安装了两个放射性同位素装置,其热功率为15瓦,用的燃料为钚-238。不过阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的,也就是说它仅仅用于提供热源。所以,该装置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)装置,意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器。   当然,在此之后发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船上,安装的放射性同位素装置全部是为了发电用的。这就是SNAP-27A装置。它用的燃料是钚-238,设计的电输出功率为635瓦,整个装置重量为31千克,设计寿命为一年。它们的使命主要就是用于阿波罗月面探查的一系列科学实验。   月球上的黑夜时间占一半,一夜约为地球上的两周,它的一天等于地球上的27天。太阳电池在黑夜期间完全停止工作。与此同时,处于背阳的月面,其温度会急剧下降好几百度,从酷热一下变成了严寒。所以为了使卫星上的地震仪、磁场仪以及其他机械能正常工作,必须利用余热进行保温。   阿波罗11号飞船的后继者——阿波罗12号飞船首次装载的放射性同位素电池——SNAP-27A装置,其寿命远远超过设计时考虑的一年,并能连续供给70瓦以上的电力,完全符合预期的设计要求。由于这一实验获得成功,于是后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP-27A这一装置。   在过去的20年里,微机电系统和纳米技术的研究取得了巨大的进展,研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。然而,能量供给装置很难微小型化到相应尺度,传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳米器件,这导致了整个系统体积增大、频繁充电或电池单元组布置的困难因此,研究者们自20世纪90年代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中,基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型嫩料电池的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机供给燃料到工作腔中,或者促成化学反应实现能转换。微型铿电池也在研究当中,但是这类电池目前能量密度低,寿命短。目前的研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列,其缺点在于需要光作为原始能源。放射能的应用时非常广泛的,比如应用于工业、农业和医疗服务等许多不同的领域,能量产生是其最重要的应用领域,这是因为核能在许多场合都是比常规能量产生形式更高效的能量产生方法。   ※微型核电池   国际上首先提出了结合微机电系统技术和核能科学的是美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究者,他们于1999年在美国能源部的资助下开展了微型核电池或称放射性同位素电池的研究,随后在美国国防部的资助下,继续在美国康乃尔大学开展工作。在中国,包括厦门大学萨本栋微机电研究中心在内的国内外许多研究小组也开始致力于这项研究工作。与其他技术相比,微型核电池在许多领域具有应用前景,特别是在需要长期时间功能的应用场合,如植入式生物医疗微器件与用于环境监测的微型传感器或传感器网络放射性同位素的能量密度比化石或化学燃料的能量密度高了一成,并且若选择合适的放射性同位素,可以实现长寿命的微型核电池。   实现微型核电池的最重要的方面是放射性同位素的选择,主要是基于辐射类型,安全性、能量、相对比放射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线具有很强的穿透能力,需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha粒子可以用于在半导体产生电子一空穴对,但是它们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的最佳选择。镍-63有超过100年的放射期,在我们的研究中可作为首选。从镍-63发射出的粒子或电子,具有淤的平均能量和的最高能量,这低于引起硅晶体结构永久性损伤的200~250KeV闽值能量。另一方面,最高运动能量67KeV的电子无法穿透人类皮肤的外层,这保证了操作者的安全。   Beta型微型电池所开发的第一种类型的微型核电池是基于Beta辐生伏打效应,即由于电子空穴对(EHPs)产生的正电荷流动,从而形成电势差。当EHPs扩散进入半导体pn结的耗尽区,在pn结内建电场的作用下,实现对电子-空穴对的分离,即电子向n区,空穴向p区运动,产生电流输出。虽然辐生伏打效应与光生伏打效应类似,微型核电池的开发比太阳能电池的开发要困难得多。主要原因在于核电池中的电子通量密度比太阳能电池中的光子通量密度要低。对于微电池而言,由于使用了非常低放射强度的同位素,电子通密度还会降低。从Beta放射性同位素放射出来的电子的能分布通常真有很宽的频谱范围。带有不同能的电子会停留在半导体pn结器件不同深度的位里。因此,产生的EHPs的空间分布是不同的。为了获得更高的能量输出,需要对pn结器件进行优化设计,并采取微制造工艺达到尽可能将EHPs收集到耗尽层的目的。   传统核电池的一种工作方式是利用电容器收集辐射电荷。在我们的研究中,弹性变形的铜悬臂梁放于距离镍石放射源一段间隔的位置,当悬仲梁收集了来自放射源的带电荷粒子后,镍-63剩余负电荷因此,产生了静电力,将悬臂梁吸引向放射源当悬胃梁接触到放射源,悬臂梁放电从而回到初始位里,再次进行下一循环周期的电荷收集。因此,实现了自主往复式悬有梁,或称直接收集型电荷运动转换装置。寄生电阻用于表示收集电荷的泄漏通道。电荷转换导致电荷转换式中I为来自放射性同位素的全放射电流,A为电容器的面积,R为等效阻抗,V为放射源与悬臂梁之间的电压,t为时间,d为电极间的距离,D为表示被悬臂梁收集的部分全放射电流的经验系数。   微型核电池(penny-sized nuclear battery),是核电池的一种,它的体积很小,只有一分钱硬币的厚度,电力非常强,且使用起来很安全。它的原理通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备,这种设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流。   在手机非常普及的今天,人们在受着手机带来的方便的同时也苦恼着,那就是你不得不为你的手机电量是否充足、是否要马上充电等问题而操心劳神,所以,如果给你一块几个月都不需要充电的电池,你马上会高兴起来,如果给你一块你一辈子都不用充电的电池,你会不会惊讶万分?如果给你一块几百代人都不用充电的电池,你会不会觉得这是痴人说梦?告诉你,美国科学家眼下就创造出了这样一个神话。   让我们看一下神话是怎么创造出来的吧。原来,早些时候,科学家就发现,当放射性物质衰变时,就能够释放出带电粒子,如果采取一定特殊的办法,就能够把带电粒子驯服归拢起来,形成电流。后来科学家依照这个发现和放电原理,发明了大型的核电池,用于工业和航天业。如在航天领域,可把核电池安装在太阳能不够用的探测卫星上,或安装在发射到太阳系外的无人飞船上。遗憾的是,因核电池必须装有一个收集带电粒子的固体半导体,但由于辐射的作用,固体半导体很快就会受损,而为了降低受损程度,核电池就必须做得足够大。正因为核电池变小很难,所以它就很难在小型或微型电子设备上派上用场,自然也就很难把它做成手机电池,事情看上去简单却又复杂。   但是人们总是在想尽办法解决着问题,终于,美国科学家想出了为核电池“瘦身”的妙计,他们把核电池内易受损的固体半导体换成了不易受损的液体半导体,这样不但能完成收集带电粒子的使命,而且还可以大幅度“瘦身”,真可谓是一举两得。按照新思路研发出的圆形核电池直径有1.95厘米,厚度仅1.55毫米,仅仅比1美分硬币大一点点,但其电力却是普通化学电池的100万倍。   英国BBC电台2009年10月9日报道了由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音)率领的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池”的新闻。该研究成果被刊登在最新一期的《应用物理杂志》的科学杂志。   据介绍,他们通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备,这种设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流。   一如我们了解到的那样,该研究小组称,虽然在很久之前核电池就已经应用在航天领域,但是因为大小的限制,在地球上核电池的应用还很少。大多数核电池通过固态半导体截获带电粒子,因为粒子的能量非常高所以半导体随着时间的推移将受到损伤。于是,为了能让电池长期使用,核电池被制造的非常大。   研究人员早在2005年就已经开始了对核动力电池的研究,经过他们的努力,至今核电池已经运用在很多专业领域,但在JaeKwon和J·David Robertson之前,由于对核能的忌惮,核电池一直被认为不适合在民间使用。所以此次微型核电池的成功研制,无疑推动了核动力的普及,说不定不久的将来就会出现核动力笔记本、核动力台式机。   权载完教授以及他的助手不但研发了微型的核电池,最主要的是实现了对电池芯片的改革。使用核电池时发出的放射能可能会损坏电池内部的固体芯片结构,但权载完利用液体芯片最大限度地克服了这一问题。权载完向BBC电台表示:“核能可用于心脏搏动调节装置或人造卫星等,已经可以安全地用于人们的生活。”   可以这样说:只需要一个硬币大小的电池,就可以让你的手机不充电使用5000年。不是神话,不是痴人说梦,而是科研人员努力的成果。权载完博士称,虽然人们总是闻“核”色变,但实际上核动力能源早就被应用在例如心脏起搏器、太空卫星和海底设备等多种安全供电项目上,这个项目也是为人类服务的一种。如果这种电池普及了,那么就省去了充电这一点儿麻烦,另外,像正在流行的电动车的电池,也有望实现让人至少一辈子不用充电的梦想。至于核电池是否会出现核污染问题,科学家指出,这个问题早在发明它的时候就同时解决了,人们不必为此担忧。   1.你知道核电池又叫做什么吗?   2.你知道人类在第一次登上月球是什么时间吗?   3.你知道微型核电池可以用来干什么吗? 第二章核电技术   在世界范围内能源的短缺的近现代社会,人们一直在寻找更好更实用的新能源,自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电以来,世界核电至今已有50多年的发展历史。截止到2005年年底,全世界核电运行机组共有440多台,其发电量约占世界发电总量的16%,核能作为未来能源的希望,人们一直在努力的探索和利用着它的发电的功能,并且也取得了不少成果,甚至研发了微型核电池。   核电的知识   ※核电技术   目前,人类实际应用的主要能源仍然是化石能源。其中煤、石油、天然气等化石能源的利用,对人类生存、发展和进步产生过巨大的影响。但是进入21世纪后,人们更加注重生存环境和生存空间的质量。大量燃用化石能源后产生的温室效应、酸雨现象对人类生存环境造成了严重破坏。同时,化石能源经过长期开采,其资源日趋枯竭,已不足以支撑全球经济的发展。因此人们加快了寻找替代能源的步伐。在这个的过程中,人们开始越来越重视核能的应用,而核能最主要的应用就是核能发电。   在第一章中我们已经接触到了核电站的一些知识,接下来我们要继续了解一下核电站的其他相关知识。众所周知,火力发电站利用煤和石油发电,水力发电站利用水力发电,那么核电站是如何发电的呢?作为利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站的核电站大体可分为两部分:一部分是利用核能生产蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统,另一部分是利用蒸汽发电的常规岛,包括汽轮发电机系统。   核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。   在发达国家,核电已有几十年的发展历史,核电也已成为一种成熟的能源。中国的核工业也已有40多年发展历史,建立了从地质勘察、采矿到元件加工、后处理等相当完整的核燃料循环体系,已建成多种类型的核反应堆并有多年的安全管理和运行经验,拥有一支专业齐全、技术过硬的队伍。核电站的建设和运行是一项复杂的技术。中国目前已经能够设计、建造和运行自己的核电站。秦山核电站就是由中国自己研究设计建造的。   ※秦山核电站核电站的组成通常有两部分:核系统及核设备,又称是核岛;常规系统及常规设备,又称为常规岛。这两部分就组成了核能发电系统。   核岛中主要的设备为核反应堆及由载热剂(冷却剂)提供热量的蒸汽发生器,它替代常规火电站中蒸汽锅炉的作用。常规岛的主要设备为气轮机和发电机及其相应附属设备,常规岛的组成与常规火电站气轮机大致相同。   反应堆种类很多,它是核电站的关键设计,链式裂变反应就在其中进行。核电站中使用最多的是压水堆。   压水堆首先要解决的问题是必须有核燃料。核燃料是把小指头大的烧结二氧化铀芯块,装到锆合金管中,将三百多根装有芯块的锆合金管组装在一起,成为燃料组件。大多数组件中都有一束控制棒,控制着链式反应的强度和反应的开始与终止。压水堆以水作为冷却剂在主泵的推动下流过燃料组件,吸收了核裂变产生的热能以后流出反应堆,进入蒸汽发生器,在那里把热量传给二次侧的水,使它们变成蒸汽送去发电,而主冷却剂本身的温度就降低了。从蒸汽发生器出来的主冷却剂再由主泵送回反应堆去加热。冷却剂的这一循环通道称为一回路,一回路高压由稳压器来维持和调节。   核反应堆是一个能维持和控制核裂变的链式反应,从而实现核能-热能转换的装置。核电厂用的压水反应堆有一个厚厚的钢质贺筒形外壳,腰部有几个进水口和出水口,称为压力容器,900兆瓦的压水堆,其压力容器高12米,直径3.9米,壁厚约0.2米。压力容器是堆芯,堆芯由燃料组件和控制棒组件等组成。水在它们的间隙中流过。水在此起两个作用,一是降低中子的速度使之易于被铀-235核吸收,二是带出热量。900兆瓦的压水堆一般装有157个燃料组件,约含80吨二氧化铀。压力容器顶装有控制棒驱动机构,通过改变控制棒的位置来实现开堆、停堆(包括紧急停堆)和调节功率的大小。   ※核反应堆原理大家都知道电是电厂生产出来的。常见的电厂有烧煤或石油的火力发电厂,有靠水力发电的水电站,还有一些靠风力、太阳能、地热、潮汐能、波浪能、沼气生产电力的小型或实验性发电装置。其实核电技术发展之后,就有了核电厂这种大规模生产电力的新型发电厂,它是靠原子核内蕴藏的能量来发电的。   这些电站一般都是由芯体和包壳组成的。核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在一种叫做“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内生产出来,并通过电网送到四面八方。以上就是最普通的压水反应堆核电厂的工作原理。   ※产生电力的新型发电厂   提到核大家都会想到它的放射性。大约在100年前,科学家发现某些物质能放出三种射线:α(阿尔法)射线、β(贝塔)射线,γ(伽玛)射线。后来的研究证明:α射线是α粒子(氦原子核)流,β射线是β粒子(电子)流,γ(伽玛)射线是光子流。   这些射线有一些共同的特点:它们都有一定穿透物质的能力;人的五官是不能感知到它们的,但它们能使照相底片感光;照射到某些特殊物质上能发出可见的荧光;通过物质时可以产生电离作用。射线主要通过电离作用对生物体产生一定的影响。   其实射线并不可怕,我们吃的食物、住的房屋,甚至我们的身体内都有能放出射线的物质。我们戴夜光表、作X光检查、乘飞机、吸烟都会接受一定的辐射剂量,一定范围内的辐射人体是可以承受的。但是,过高的辐射剂量会有害健康。   说到了核能的放射性,那么这里就介绍一下两个关于放射性的计量单位。首先是居里(Curie,符号为:Ci),它表示单位时间内发生衰变的原子核数。1居里(Ci)=37×1010贝克(Bq),1克的镭226每秒能产生37×1010次原子核衰变,该源的放射性强度即为1居里。换算:1毫居里=3.7×107次/秒1微居里=3.7×104次/秒。   然后是贝克勒尔(Becquerel,符号为:Bq),是放射性活度的国际单位制导出的单位,1Bq指每秒有一个原子衰变。比如,一克的镭放射性活度有3.7×1010Bq。   ※核反应堆   知识链接·什么叫做核事故·   一般来说,在核设施(例如核电厂)内发生了意外情况,造成放射性物质外泄,致使工作人员和公众受到超过或相当于规定限值的照射,则称为核事故。显然,核事故的严重程度可以有一个很大的范围,为了有一个统一的认识标准,国际上把核设施内发生的有安全意义的事件分为七个等级。   只有4~7级才称为“事故”。5级以上的事故需要实施场外应急计划,这种事故世界上共发生过四次,即苏联切尔诺贝利事故、英国温茨凯尔事故,美国三里岛事故和日本福岛核电站事故。   核技术方案可分为四代,其中第一代核电站为原型堆,其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景;第二代核电站为技术成熟的商业堆,目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站;第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站,其安全性和经济性均较第二代有所提高,属于未来发展的主要方向之一;第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求,目前处在原型堆技术研发阶段,共有美国、法国、韩国、日本等10个国家加入。   核电站技术在一代又一代的发展,始终不变的是要保证人们的安全,所以,安全问题一直是核电技术发展中的一个大问题,20世纪80年代苏联切尔诺贝利核电站泄漏以及2011年日本福岛核电站泄漏更是给我们敲响了警钟。为了保护核电站工作人员和核电站周围居民的健康,核电站必须始终坚持“质量第一,安全第一”的原则。核电站的设计、建造和运行均采用纵深防御的原则,从设备、措施上提供多等级的重叠保护,以确保核电站对功率能有效控制,对燃料组件能充分冷却,对放射性物质不发生泄漏。纵深防御原则一般包括五层防线,第一层防线:精心设计、制造、施工,确保核电站有精良的硬件环境。建立周密的程序,严格的制度,对核电站工作人员进行高水平的教育和培训,人人做好安全防范,有完备的软件环境。第二层防线:加强运行管理和监督,及时正确处理异常情况,排除故障。第三层防线:在严重异常情况下确保做好对反应堆正常的控制和保护系统动作,防止设备故障和人为差错造成事故。第四层防线:发生事故情况时,启用核电站安全系统,包括对外设安全系统加强事故中的电站管理,防止事故扩大,保护反应堆厂房安全壳。第五层防线:万一发生极不可能发生的事故并伴有放射性外泄要立即启用厂内外应急响应计划,努力减轻事故对周围居民和环境的影响。   安全保护系统必须采用独立设备和冗余布置,准备好事故电源,确保安全系统可以抗地展和在蒸汽、空气及放射性物质的恶劣环境中运行。核电站运行人员进行严格的技术和管理培训,通过国家核安全局主持的资格考试,获得国家核安全局颁发的运行值岗操作员或高级操作员执照才能上岗,无照不得上岗。执照在规定期内有效,过期后必须向核发机关申请再次审查。※切尔诺贝利核电站如果突发核外泄事故,应该立即启动应急计划。应急计划的内容主要包括:疏散人员、封闭核污染区(核反应堆及核电站)、清除核污染,以保证人身安全和环境清洁。   按照纵深防御的原则,必须在核燃料和环境外部空气之间设置了四道屏障。即第一道屏障:燃料芯块核然料放在氧化铀陶瓷芯块中,并使得大部分裂变产物和气体产物95%以上保存在芯块内。第二道屏障:燃料包壳,燃料芯块密封在铅合金制造的包壳中构成核燃料芯棒错合金,具有足够的强度且在高温下不与水发生反应。第三道屏障:压力管道和容器冷却剂系统将核燃料芯棒封闭在20厘米以上的钢质耐高压系统中避免放射性物质泄漏到反应堆厂房内。第四道屏障:反应堆安全壳用预应力钢筋混凝土构筑壁厚近100厘米,内表面加有6毫米的钢衬,可以抗御来自内部或外界的飞出物,防止放射性物质进入环境。   安全问题非常重要,那么对于核电站的选址自然也有很高的要求,选址时需非常慎重。国际上通行的关于核电站选址的有四个原则,分别是:经济、技术、安全、环境和社会。   所谓经济原则就是能够有足够的资金来建设和运行核电站,它所服务的地区要有足够的用电需求,所以核电站常常选址在经济较发达的地区。   事实上后面三个原则是有着密切的相互联系的。核电站必须建在经济发达的相对偏远地区,50千米以内不能有大中型城市。要求厂址深部必须没有断裂带通过,而且要求核电站数千米范围内没有活动断裂,厂址区在100千米海域、50千米内陆,历史上没有发生过6级以上地震,厂址区600年来也没有发生6级地震的构造背景。从核安全的角度来看,核电站选址必须考虑到公众和环境免受放射性事故释放所引起的过量辐射影响,同时要考虑到突发的自然事件或人为事件对核电厂的影响,所以,核电站必须选在人口密度低而且易隔离的地区。   此外,大家都知道很多核电站都是建在海边的,这是因为核电站在运行过程中会产生巨大的热量,所以核电站的选址必须靠近水源,最好是靠海,而且靠海还可以解决大件设备运输问题。一旦发生危险,在平的海岸线和放射物均匀发散的情况下,污染陆地面积只是完全在内陆的一半。但是建在海边有利的同时也多出一个风险,就是海啸或者台风带来大浪的可能。通常会建设防波堤来抵御巨浪的冲击。但是防波堤只能抵御一定程度的冲击,如果是比较大的海啸的话,防波堤无能为力,很可能产生十分严重的后果。   所以若是在内陆地区建立核电站,那么选址时更要慎重,因为内陆地区的水源全部为淡水,并且几乎所有的大江大河都直接向周边城市供应生活用水,在这种情况下建设核电站,一旦发生泄漏事故,后果不堪设想,因此一定要慎重再慎重。   1.你知道什么是核能吗?   2.你知道什么是核电厂呢?   3.它的发电过程是什么呢?   核电的未来与核电技术的发展   ◎核电行业的未来   一直以来,与欧洲国家纠结于是否要“弃核”不同,中国国内的讨论焦点一直集中在核电未来发展之争上。事实上,在日本福岛核事故沉淀半年多之后,世界上除德国、意大利等最初几个宣布放弃核电发展的国家,越来越多的国家坚定于安全、高效利用核能的道路,核电还是有发展前途的。   其实,从环保角度讲,核能无疑是应对地球温室效应的最佳手段。从技术和经济的角度看,风电和光伏发电由于其能量的存在形式,在电网接入上具有较高的技术瓶颈,而核电则具有容量大、运行小时数高、发电波动性小、经济成本低等诸多优点,能满足工业化大规模使用,可有效取代煤电,具备产业化发展的条件。从环保的角度看,对比各种能源发电,核电基本实现了温室气体的零排放。据统计,每22吨铀发电所节约的CO2量相对于100万吨煤所产生的量。全球每年产生的CO2中38%来自于煤炭、43%来自于石油,一台100万千瓦的火电机组每年产生的CO2差不多有700万吨,照此测算,当前所运行的910万千瓦核电机组一年可节约6370万吨的CO2排放,另外,核燃料运输的绝对量较小,相比较煤炭的运输又大大节约了CO2的间接排放。这些都是核电令人不忍舍弃的原因。目前来看很多国家是不会放弃核发展的,其实继续发展核电无可厚非,总不能“因噎废食”。只是未来发展核技术需要注意的事项会更多,安全、技术,甚至以前的理念,都需要国际组织、政府以及科研人员慎重考虑。   ◎技术及市场现状   世界上核工业最发达的国家目前仍然是日本,国际核电企业以日系为中心,形成三足鼎立的局面:日本富士财团的日立―美国通用、日本三井财团的东芝―美国西屋、日本三菱财团的三菱重工―法国阿海珐。日本在核电技术和市场的垄断雏形已经出现,因此中国加快发展核能应用的能源战略调整必然受制于日本。   ◎核电技术方案   纵观核电发展历史,核电站技术方案大致可以分四代,即:   第一代核电站   核电站事业的开发与建设开始于20世纪50年代。1954年,前苏联建成电功率为5兆瓦的实验性核电站。1957年,美国建成电功率为9万千瓦的shippingport原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。苏联切尔诺贝利可算作“第一代核”电站——石墨反应堆,这种第一代核电站既无内安全壳,更无外安全壳。   第二代核电站   20世纪60年代后期,有许多国家在实验性和原型核电机组基础上,陆续建成电功率在30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组,它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时,使核电的经济性也得以证明。上世纪70年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电的大发展。目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的,习惯上称之为第二代核电机组。日本福岛可算“第二代”核电站——有内安全壳,但无外安全壳。   第三代核电站   20世纪70年代末及80年代,发生在三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故,为了消减事故带来的负面影响,世界核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关,并且采取了一系列的措施,美国和欧洲先后出台了“先进轻水堆用户要求”文件,即URD文件(utilityrequirements document)和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”,即(EUR)文(European utility requirements document),进一步明确了预防与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。第三代有很多种,有沸水堆,还有比如我国建设的IP千,还有法国的EPR等等,一般都被纳入到了“第三代”。   ※第四代核电站   第四代核电站   随着核能的发展,到了2000年1月,在美国能源部的倡议下,美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能的国家,联合组成了“第四代国际核能论坛”(GIF),于2001年7月签署了合约,约定共同合作研究开发第四代核能技术。根据设想,第四代核能方案的安全性和经济性将更加优越,废物量极少,无需厂外应急,并具备固有的防止核扩散的能力。高温气冷堆、熔盐堆,钠冷快堆就是具有第四代特点的反应堆。第四代核电站有着自己的特点:具有能提供清洁、可持续的核能,能为世界长期使用的可持续性;低成本、短周期建设,可在不同的电力市场竞争的经济性;会具有更优良的安全性和可靠性(包括非常低的堆芯损坏程度、防止核扩散等)。传统的核反应堆有很大的改善空间,这就导致了第四代核电技术的发展。现在发展的第四代核电技术都面临很多问题,需要我们去探索和解决。但是我们有理由相信随着经济社会的进一步发展,先进核能系统会得到长足地进步,也会获得越来越多人的支持。   知识链接   第一代核电站为原型堆,其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景;第二代核电站为技术成熟的商业堆,目前在运行的核电站绝大部分属于第二代核电站;第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站,其安全性和经济性均较第二代有所提高,属于未来发展的主要方向之一;第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求,目前处在原型堆技术研发阶段。   ※中国的核电分布   ◎中国核电分布   我国的核电站起步于秦山核电站(中核)。秦山核电站地处浙江省海盐县。一期工程采用中国CNP300压水堆技术,装机容量1×30万千瓦,设计寿命为30年,综合国产化率大于70%。运营年表是:1985年3月浇灌第一罐核岛底板混凝土(FCD),1991年12月首次并网发电,1994年4月设入商业运行,1995年7月通过国家验收。经过十多年的管理运行实践,实现了周恩来总理提出的“掌握技术、积累经验、培养人才,为中国核电发展打下基础”的目标。   二期工程及扩建工程:这一期工程则采用中国CNP650压水堆技术,装机容量2×65万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率二期约55%,二扩约70%,1#、2#机组先后于1996年6月和1997年3月开工,经过近8年的建设,两台机组分别于2002年4月、2004年5月投入商业运行,使我国实现了由自主建设小型原型堆核电站到自主建设大型商用核电站的重大跨越,为我国自主设计、建设百万千瓦级核电站奠定了坚实的基础,并将对促进我国核电国产化发展,进而拉动国民经济发展发挥重要作用。扩建工程(3#、4#机组)是在其设计和技术基础上进行改进,2006年4月28日开工,3#机组计划于2010年12月建成投产,4#机组力争2011年年底投产。   秦山三期(重水堆)核电站采用加拿大成熟的坎杜6重水堆技术(CANDU6),装机容量2×728兆瓦,设计寿命40年,综合国产化率约55%,参考电厂为韩国月城核电站3号、4号机组。1号机组于2002年11月19日首次并网发电,并于2002年12月31日投入商业运行。2号机组于2003年6月12日首次并网发电,并于2003年7月24日投入商业运行。   方家山核电工程是秦山一期核电工程的扩建项目,工程规划容量为两台百万千瓦级压水堆核电机组,采用二代改进型压水堆技术,国产化率达到80%以上,预计两台机组分别在2013年和2014年投入商业运行。项目建成后,秦山核电基地将拥有9台核电机组,总容量达到630万千瓦。该项目位于浙江海盐,南临杭州湾,建成后将承接华东区域电网,区位优势相当明显。   我们熟知的核电站还有广东大亚湾核电站(中广核)。大亚湾核电站是采用法国M310压水堆技术,装机容量2×984万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率不足10%,1987年8月7日工程正式开工,1994年2月1日和5月6日两台单机容量为984MWe压水堆反应堆机组先后投入商业营运。   岭澳核电站位于广东大亚湾西海岸大鹏半岛东南侧。它的一期工程,采用中国CPR1000压水堆技术,装机容量是2×99万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率约30%,于1997年5月开工建设,2003年1月全面建成投入商业运行,2004年7月16日通过国家竣工验收。   二期工程,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,装机容量是2×100万千瓦,设计寿命40年,1号和2号机组综合国产化率分别超过50%和70%,于2005年12月开工建设,两台机组计划于2010年至2011年建成并投入商业运行。   三期工程,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,装机容量是2×100万千瓦,设计寿命为40年,预计2011年开工建设。   田湾核电站(中核)位于江苏省连云港市连云区田湾,厂区按4台百万千瓦级核电机组规划,并留有再建2至4台的余地。它的一期工程,采用俄罗斯AES-91型压水堆技术,装机容量是2×106万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率约70%。于1999年10月20日正式开工(FCD),单台机组的建设工期为62个月,分别于2007年5月和2007年8月正式投入商运。   ※压水堆技术二期工程3号和4号机组的建设已启动,单机容量均为100万千瓦。   三期工程5号和6号机组的建设已启功,采用中国二代加CPR1000核电技术。   目前中国还有很多在建的核电站,如,红沿河核电站(中广核),它位于辽宁省大连市瓦房店东岗镇,地处瓦房店市西端渤海辽东湾东海岸。规划建设6台机组,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,单机容量100万千瓦,设计寿命40年,综合国产化率约60%,1号机组于2007年8月正式开工,至2012年建成投入商业运营;宁德核电站(中广核),规划建设6台机组,采用中国改进型CPR1000压水堆技术,单机容量是100万千瓦,设计寿命为40年,综合国产化率约75%以上,1#机组于2008年2月FCD,1、2#机组计划于2013年左右建成并投入商业运行。   ※广西防城港核电项目   其中广西防城港核电项目是我国北部湾地区首个核电项目,项目规划建设6台百万千瓦级压水堆核电站,一次规划、分期建设。其中,一期工程规划建设两台百万千万级压水堆核电机组,首台机组于2014年建成并投入商业运行。广西防城港核电站项目规划建设6台百万千瓦级核电机组。其中,一期工程采用自主品牌中国改进型压水堆核电技术CPR1000,建设两台单机容量为108万千瓦的核电机组,工程总投资约260亿元,设备国产化比例将达到87%,首台机组预计于2015年建成并投入商业运行。项目将从工程设计、工程管理、设备制造、调试运营等各个方面,使具有自主知识产权的我国核电技术得到进一步推广应用。一期工程建成后,每年可为广西提供150亿千瓦时安全、清洁、经济的电力,与同等规模燃煤电站相比,每年可减少电煤消耗600万吨,减少二氧化碳排放量约1482万吨、二氧化硫和氮氧化物排放量约1364万吨,环保效益相当于新增了982万公顷森林,不但能有力地促进广西经济发展方式的转变,也将对实现我国控制温室气体排放目标、保护生态环境、保障北部湾经济区电力供应发挥积极作用。还有很多为了解决能源问题而进行建设的核电站。相信不久我们一定会看到核电站的更多有利的一面来证明核电站建设是有价值的。   1.你知道市场现状是什么吗?   2.纵观核电发展历史,核电站技术方案大致有几种呢?它们都是什么呢?   3.你知道中国的核电分布都是哪里吗?   微型核电池   “核电池”是一种温差发电器,是由一些性能优异的半导体材料,如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等,把许多材料串联起来组成。此外还得有一个合适的热源和换能器,在热源和换能器之间形成温差才可发电。这种电池又称为“放射性同位素温差发电器”或“原子能电池”。   核电池在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式,向外放出比一般物质大得多的能量,这是因为它们的热源就是放射性同位素。这种很大的能量有两个显著的特点。一个是蜕变时放出的能量大小、速度不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,因此,核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长,这决定了核电池可长期使用。核电池采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90,半衰期为28年)、钚-238(Pu-238,半衰期89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池,燃料放在电池中心,周围用热电元件包覆,放射性同位素发射高能量的α射线,在热电元件中将热量转化成电流。   换能器是核电池的核心。目前常用的换能器叫静态热电换能器,它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差,从而发电。它的优点是可以做得很小,但是以目前的技术来看,它的效率颇低,现在为止热利用率只有10%~20%,大部分热能被浪费掉。   虽然核电池在外形上有多种形状,但其实最外部分都是由合金制成的,它们的存在是为了保护电池和散热;次外层是辐射屏蔽层,这一层可以防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了,在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分,放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。   美国人在1959年1月16日制成了第一个核电池,它重1800克,在280天内可发出116度电。在此之后,核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”,上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年,美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆,在短短5个月中得到的火星情况,比以往人类历史上所积累的全部情况还要多。火星表面温度的昼夜差超过100℃,如此巨大的温差,一般化学电池是无法工作的,它们的工作电源正是核电池。   核电池在大海深处有很大的用武之地。在深海里,太阳能电池根本派不上用场,燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短,所以只得派核电池去了。例如,现在已用它作海底潜艇导航信标,能保证航标每隔几秒钟闪光一次,几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源,用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核电池用作海底电缆的中继站电源,它既能耐五六千米深海的高压,安全可靠地工作,又少花费成本,令人十分称心。   知识链接   在医学上,核电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠,以便能放入患者胸腔内长期使用。以前在无法解决能源问题时,人们只能把能源放在体外,但连结体外到体内的管线却成了重要的感染渠道,很是使人头疼。现在可好了,眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳,内装150毫克钚238,整个电池只有160克重,体积仅18立方毫米。它可以连续使用10年以上。   ◎核电池和阿波罗飞船   阿波罗11号飞船是1969年7月21日,人类第一次成功地登上月球时所乘坐的工具。在月球表面的“静海区”着陆之后,进行了一系列科学实验,例如采集岩石样品、测定太阳风等等。很多人或许还能记得,或者仅靠想象,也能想得到当时人们都在屏住呼吸从电视屏幕上观看人类第一次登上月球的情景,感同身受的笑着、激动着看着船长阿姆斯特隆和飞行员奥德林在月面上手舞足蹈的动人场面。   在阿波罗11号飞船上,安装了两个放射性同位素装置,其热功率为15瓦,用的燃料为钚-238。不过阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的,也就是说它仅仅用于提供热源。所以,该装置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)装置,意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器。   当然,在此之后发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船上,安装的放射性同位素装置全部是为了发电用的。这就是SNAP-27A装置。它用的燃料是钚-238,设计的电输出功率为635瓦,整个装置重量为31千克,设计寿命为一年。它们的使命主要就是用于阿波罗月面探查的一系列科学实验。   月球上的黑夜时间占一半,一夜约为地球上的两周,它的一天等于地球上的27天。太阳电池在黑夜期间完全停止工作。与此同时,处于背阳的月面,其温度会急剧下降好几百度,从酷热一下变成了严寒。所以为了使卫星上的地震仪、磁场仪以及其他机械能正常工作,必须利用余热进行保温。   阿波罗11号飞船的后继者——阿波罗12号飞船首次装载的放射性同位素电池——SNAP-27A装置,其寿命远远超过设计时考虑的一年,并能连续供给70瓦以上的电力,完全符合预期的设计要求。由于这一实验获得成功,于是后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP-27A这一装置。   在过去的20年里,微机电系统和纳米技术的研究取得了巨大的进展,研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。然而,能量供给装置很难微小型化到相应尺度,传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳米器件,这导致了整个系统体积增大、频繁充电或电池单元组布置的困难因此,研究者们自20世纪90年代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中,基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型嫩料电池的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机供给燃料到工作腔中,或者促成化学反应实现能转换。微型铿电池也在研究当中,但是这类电池目前能量密度低,寿命短。目前的研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列,其缺点在于需要光作为原始能源。放射能的应用时非常广泛的,比如应用于工业、农业和医疗服务等许多不同的领域,能量产生是其最重要的应用领域,这是因为核能在许多场合都是比常规能量产生形式更高效的能量产生方法。   ※微型核电池   国际上首先提出了结合微机电系统技术和核能科学的是美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究者,他们于1999年在美国能源部的资助下开展了微型核电池或称放射性同位素电池的研究,随后在美国国防部的资助下,继续在美国康乃尔大学开展工作。在中国,包括厦门大学萨本栋微机电研究中心在内的国内外许多研究小组也开始致力于这项研究工作。与其他技术相比,微型核电池在许多领域具有应用前景,特别是在需要长期时间功能的应用场合,如植入式生物医疗微器件与用于环境监测的微型传感器或传感器网络放射性同位素的能量密度比化石或化学燃料的能量密度高了一成,并且若选择合适的放射性同位素,可以实现长寿命的微型核电池。   实现微型核电池的最重要的方面是放射性同位素的选择,主要是基于辐射类型,安全性、能量、相对比放射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线具有很强的穿透能力,需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha粒子可以用于在半导体产生电子一空穴对,但是它们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的最佳选择。镍-63有超过100年的放射期,在我们的研究中可作为首选。从镍-63发射出的粒子或电子,具有淤的平均能量和的最高能量,这低于引起硅晶体结构永久性损伤的200~250KeV闽值能量。另一方面,最高运动能量67KeV的电子无法穿透人类皮肤的外层,这保证了操作者的安全。   Beta型微型电池所开发的第一种类型的微型核电池是基于Beta辐生伏打效应,即由于电子空穴对(EHPs)产生的正电荷流动,从而形成电势差。当EHPs扩散进入半导体pn结的耗尽区,在pn结内建电场的作用下,实现对电子-空穴对的分离,即电子向n区,空穴向p区运动,产生电流输出。虽然辐生伏打效应与光生伏打效应类似,微型核电池的开发比太阳能电池的开发要困难得多。主要原因在于核电池中的电子通量密度比太阳能电池中的光子通量密度要低。对于微电池而言,由于使用了非常低放射强度的同位素,电子通密度还会降低。从Beta放射性同位素放射出来的电子的能分布通常真有很宽的频谱范围。带有不同能的电子会停留在半导体pn结器件不同深度的位里。因此,产生的EHPs的空间分布是不同的。为了获得更高的能量输出,需要对pn结器件进行优化设计,并采取微制造工艺达到尽可能将EHPs收集到耗尽层的目的。   传统核电池的一种工作方式是利用电容器收集辐射电荷。在我们的研究中,弹性变形的铜悬臂梁放于距离镍石放射源一段间隔的位置,当悬仲梁收集了来自放射源的带电荷粒子后,镍-63剩余负电荷因此,产生了静电力,将悬臂梁吸引向放射源当悬胃梁接触到放射源,悬臂梁放电从而回到初始位里,再次进行下一循环周期的电荷收集。因此,实现了自主往复式悬有梁,或称直接收集型电荷运动转换装置。寄生电阻用于表示收集电荷的泄漏通道。电荷转换导致电荷转换式中I为来自放射性同位素的全放射电流,A为电容器的面积,R为等效阻抗,V为放射源与悬臂梁之间的电压,t为时间,d为电极间的距离,D为表示被悬臂梁收集的部分全放射电流的经验系数。   微型核电池(penny-sized nuclear battery),是核电池的一种,它的体积很小,只有一分钱硬币的厚度,电力非常强,且使用起来很安全。它的原理通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备,这种设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流。   在手机非常普及的今天,人们在受着手机带来的方便的同时也苦恼着,那就是你不得不为你的手机电量是否充足、是否要马上充电等问题而操心劳神,所以,如果给你一块几个月都不需要充电的电池,你马上会高兴起来,如果给你一块你一辈子都不用充电的电池,你会不会惊讶万分?如果给你一块几百代人都不用充电的电池,你会不会觉得这是痴人说梦?告诉你,美国科学家眼下就创造出了这样一个神话。   让我们看一下神话是怎么创造出来的吧。原来,早些时候,科学家就发现,当放射性物质衰变时,就能够释放出带电粒子,如果采取一定特殊的办法,就能够把带电粒子驯服归拢起来,形成电流。后来科学家依照这个发现和放电原理,发明了大型的核电池,用于工业和航天业。如在航天领域,可把核电池安装在太阳能不够用的探测卫星上,或安装在发射到太阳系外的无人飞船上。遗憾的是,因核电池必须装有一个收集带电粒子的固体半导体,但由于辐射的作用,固体半导体很快就会受损,而为了降低受损程度,核电池就必须做得足够大。正因为核电池变小很难,所以它就很难在小型或微型电子设备上派上用场,自然也就很难把它做成手机电池,事情看上去简单却又复杂。   但是人们总是在想尽办法解决着问题,终于,美国科学家想出了为核电池“瘦身”的妙计,他们把核电池内易受损的固体半导体换成了不易受损的液体半导体,这样不但能完成收集带电粒子的使命,而且还可以大幅度“瘦身”,真可谓是一举两得。按照新思路研发出的圆形核电池直径有1.95厘米,厚度仅1.55毫米,仅仅比1美分硬币大一点点,但其电力却是普通化学电池的100万倍。   英国BBC电台2009年10月9日报道了由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音)率领的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池”的新闻。该研究成果被刊登在最新一期的《应用物理杂志》的科学杂志。   据介绍,他们通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备,这种设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流。   一如我们了解到的那样,该研究小组称,虽然在很久之前核电池就已经应用在航天领域,但是因为大小的限制,在地球上核电池的应用还很少。大多数核电池通过固态半导体截获带电粒子,因为粒子的能量非常高所以半导体随着时间的推移将受到损伤。于是,为了能让电池长期使用,核电池被制造的非常大。   研究人员早在2005年就已经开始了对核动力电池的研究,经过他们的努力,至今核电池已经运用在很多专业领域,但在JaeKwon和J·David Robertson之前,由于对核能的忌惮,核电池一直被认为不适合在民间使用。所以此次微型核电池的成功研制,无疑推动了核动力的普及,说不定不久的将来就会出现核动力笔记本、核动力台式机。   权载完教授以及他的助手不但研发了微型的核电池,最主要的是实现了对电池芯片的改革。使用核电池时发出的放射能可能会损坏电池内部的固体芯片结构,但权载完利用液体芯片最大限度地克服了这一问题。权载完向BBC电台表示:“核能可用于心脏搏动调节装置或人造卫星等,已经可以安全地用于人们的生活。”   可以这样说:只需要一个硬币大小的电池,就可以让你的手机不充电使用5000年。不是神话,不是痴人说梦,而是科研人员努力的成果。权载完博士称,虽然人们总是闻“核”色变,但实际上核动力能源早就被应用在例如心脏起搏器、太空卫星和海底设备等多种安全供电项目上,这个项目也是为人类服务的一种。如果这种电池普及了,那么就省去了充电这一点儿麻烦,另外,像正在流行的电动车的电池,也有望实现让人至少一辈子不用充电的梦想。至于核电池是否会出现核污染问题,科学家指出,这个问题早在发明它的时候就同时解决了,人们不必为此担忧。   1.你知道核电池又叫做什么吗?   2.你知道人类在第一次登上月球是什么时间吗?   3.你知道微型核电池可以用来干什么吗?

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