第三章 五、核能的利用

核电站

随着社会的不断进步和发展，人们对于电的需求在迅速增长，人类正在努力建造各种电站，例如：水电站、热电站、风力电站、地热电站，等等。由于不可再生的化石能源日趋珍贵，发展核电是目前人类解决能源危机的一种选择。

核电站是20世纪核物理学的一系列重大发现的直接结果。

核电站的反应堆是热源，核电站的主要组成部分是常规岛和核岛。

核电站的常规岛与核岛

核电站利用反应堆产生的热，通过蒸汽轮机做功，带动发电机，由发电机产生电能。核电站发出的电，跟普通电厂一样，也要与电网并网输出。可见，核电站与普通发电厂之间的区别，只是动力源不同而已。由于核电站的发电系统与通常的热电厂相同，所以安装这些设备的区域叫做常规岛。

核电站利用核反应堆（nuclear reactor）来释放核燃料中的核能，安装反应堆的建筑称为核岛。

图3.5-1是一类核电站工作流程的示意图。

核电的安全性

核电的安全问题一直受到人们的关注。

首先应该明确的是，核电站反应堆所用的核燃料，浓度比原子弹中的核反应材料低，不可能发生核爆炸。核电引起的安全问题主要在两个方面：一是核反应万一失控，会损坏设备，引起放射性物质外泄；二是放射性废料处理不当会产生环境污染。

历史上曾经出现过两次较大的核电事故。一次是美国三里岛电站二号堆，于1979年3月28日因堆芯失水造成的放射性外逸的事故。这是因为一系列操作与管理上的失误，以及设备上的故障等几方面的因素造成的，这是核电历史上第一次重大事故。

另一次重大事故是苏联的切尔诺贝利核电站（位于乌克兰境内）。1986年4月26日，4号反应堆因违章操作，以及这种堆型的不完善，发生了令世人震惊的事故，造成了重大损失。

为了防止核电站事故的发生，现在的反应堆都有一系列的防护措施。在结构上设有四道安全屏障。第一道屏障是耐高温耐腐蚀的陶瓷体燃料芯块，可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内，不向外释放。第二道屏障是燃料元件包壳，它由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。第三道屏障是压力壳，它将燃料棒和一回路的水完全罩住，即使燃料元件包壳有少量射线泄漏也不会扩散到外界。第四道屏障是安全壳，它由1米多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。

对核电站放射性气态废物和液态废物的处理，主要是采取贮存衰变等方法进行稀释，然后排放到指定的区域。相比起来，核电站固体废物的放射性比较强，它要先在核电站内专用的废物库暂存（我国规定暂存的时间为5年），然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的处置场永久贮存，一般要存放几百年。

用过的燃料称做乏燃料。人们更为关注的是核电站乏燃料的处置问题。乏燃料还存在剩余的放射性。目前对乏燃料的处理有两种方式，一种是在最终处置前进行处理，把其中剩余的铀资源提取出来，再用做核电站的燃料，这样做的成本非常高。另外一种是与核电站的放射性固体废物一样直接送到处置场，但问题是处置场难找。原因有两个，一是乏燃料的处置期比较长，对场址的地质、水文、环境等技术条件要求很高；二是大多数居民不愿意把处置场建在自己居住区的附近。这也成为影响一些国家发展核电站的重要因素。从全球看，目前还没有一种令人满意的处理核废料和乏燃料的方法。

到2002年底，全世界核电占总电力的比例达到17%，在法国超过70%，韩国从核电站获得超过40%的电力，中国从核电站获得大约1.6%的电力。

英国国家防护局的统计表明，1986年英国居民每年受到的放射剂量中，87%来自天然（室内氡气大约占一半），11.44%来自医疗，0.47%来自核爆炸，0.1%来自包括核电厂在内的各种核设施。由此可见，人类由于核电生产而受到的核辐射，是微不足道的。不但如此，这种比例在两次重大的核事故之后并没有改变。目前，世界上已经有几十座核电站在经历几十年的安全运行后关闭退役。

自从20世纪50年代初在美国和苏联先后建成核电站后，核电的作用已被公认。核电是未来发展的能源之一。在21世纪，随着科学和技术的发展，核电期待着更安全、更经济的核反应堆堆型的开发和受控核聚变技术的成熟。核电正在给人类带来更多的电力。

STS

三里岛核电站与切尔诺贝利核电站事故

1979年3月28日，在美国三里岛核电站，出现二回路给水泵故障，此时操作人员判断失误，未去排除故障，反而关闭自动启动的安全注射泵，发生了堆芯熔毁的严重事故。由于压水堆有安全保护系统，立即向反应堆自动注水，所以事故没有扩大。最终，放射性物质被安全壳完全限制在反应堆大厅内，没有外泄到周围环境。在核电站下游两个不同地点采集的河水样品中没有查出异常放射性，核电站周围80 km范围内居民最大的个人所受辐射剂量也只相当于一次X光医疗照射。

1986年4月26日凌晨，苏联的切尔诺贝利核电站4号机组由于严重违章操作，反应堆堆芯发生热爆炸和化学爆炸，造成大量放射性物质扩散。苏联西部、东欧和西欧的部分地区大片土地、环境受到严重污染。虽然当时进行了大规模救援工作，出动了300架飞机，空投了5 000多吨灭火物质来覆盖反应堆，但堆芯物质还是燃烧了近十天，直至全部熔化。这就是举世震惊的切尔诺贝利核电站事故。这次事故当时导致了31名核电站工作人员死亡，203人患急性放射病，前后两次共疏散了13万人口，大约400万人遭到了低剂量的辐射。切尔诺贝利核电站的反应堆没有安全壳，而且石墨温度高达700℃，易燃，遇水将产生易燃气体，这些都是不安全的隐患。

核能的多种用途

利用核能的主要途径是发电，但是除此以外还有一些其他应用。

在能源结构上，用于供暖等低温用热占总热耗量的50%左右。这部分热大多由直接燃煤取得，因而给环境造成严重污染。在我国的能源结构中，将近70%的能量是以热的形式消耗的，而其中大约60%是120℃以下的低温供热。所以20世纪80年代发展起来的低温堆在供热方面有着重要的意义。我国已经有试验堆在运行。

人类向太空进军，必须解决高效能源问题。核能源可以低功率长期供电，作为航天器的电源。阿波罗飞船登月后，航天员将实验仪器安放在月球表面，这些仪器使用的就是核电池，它使仪器能长时期地向地球发回科学数据。

核动力已经广泛应用于海洋舰艇。1961年，世界上第一艘核动力航空母舰下水。它进行过总航程为30 000 km的无补给环球航行，40多年也只换过3次燃料，累计航程已相当于绕地球20多圈。全世界现在已经有核动力潜艇300多艘，它续航能力强、水下航速高、隐蔽性好。

科学漫步

中国核能研究与利用的步伐

1958年，在苏联专家的帮助下，我国制造的第一座实验性重水反应堆在北京建成。

1981年，我国自行设计制造的第一座核反应堆在西南反应堆工程研究设计院建成，并成功地进行了高功率运行。

1970年，我国第一艘核潜艇下水，导弹核潜艇也于1983年建成。1988年，我国成功进行了核潜艇向预定海域发射运载火箭的试验，成为世界上第五个拥有潜射战略弹道导弹能力的国家。

1990年，我国自行研制的第一座脉冲核反应堆在西南反应堆工程研究设计院建成，是世界上继美国之后，第二个掌握这种新堆型设计与制造技术的国家。

1991年，我国自行设计建造的第一座压水堆型核电站——泰山核电站首次并网发电成功。这一年，我国向巴基斯坦出口了一座30万千瓦的压水堆型核电站，使我国跻身国际核电市场，成为世界上第八个核电输出国。

1994年，我国目前最大的核电站——大亚湾核电站投入商业运行。“九五”期间，我国又有4座核电站（8套机组）投入了建设。它们是：秦山二期260万千瓦压水堆核电站；秦山三期270万千瓦重水堆核电站；岭澳两个百万千瓦级压水堆核电站；连云港2 100万千瓦压水堆核电站。

STS

原子弹与科学家的责任

原子弹是利用铀核裂变的链式反应制成的，在极短时间内就会释放大量核能，发生猛烈爆炸，其装置有“内爆式”和“枪式”两种。

“内爆式”原子弹的构造如右图所示。核燃料一般做成球形，体积小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。为了降低中子逃逸率以减少临界质量，节省核燃料，四周用铀238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回。

“枪式”原子弹的构造如左图，弹壳里分开放置着一块球形和一块圆柱形高浓度铀235。每一块的体积都小于临界体积而大于临界体积的一半，在贮存时不会发生爆炸。这两块铀235彼此隔开一段距离，其中球形的被固定，圆柱形的后面装上普通炸药和引爆装置。当普通炸药爆炸时，两块铀压在一起形成一个整块，其体积超过临界体积，立刻发生链式核反应而猛烈爆炸。

第二次世界大战时核裂变的研究已经成熟。当时法西斯侵略战争在蔓延，一些科学家，特别是那些从法西斯迫害下逃亡出来的科学家，已经预感到制造原子弹的危险，尤其是风传德国正在加紧链式反应的研究，又获悉德国采取了禁止铀矿石出口等措施，更使他们焦虑万分。1939年7月，核物理学家西拉德（L．Szilard）等人一起找到爱因斯坦，想借助他的名声敦促美国赶在德国之前造出原子弹。于是爱因斯坦在1939年8月2日签发了给美国总统罗斯福的著名信件。罗斯福总统采纳了他们的建议，下令成立了铀顾问委员会，并于1942年7月委任奥本海默（J．R．Oppenheimer，1904~1967）负责领导代号为“曼哈顿工程”的原子弹研制工作。

1945年7月16日，第一颗原子弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时支撑原子弹的钢塔全部熔化，在半径400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物，半径1 600m范围内所有动植物全部死亡。

原子弹的巨大威力震惊了世界，也使反对原子武器的呼声空前高涨。舆论不仅谴责下令使用原子弹的人，也要追究科学家的责任。大部分原子弹研研制的创议者成了反核战争的积极分子，奥本海默本人则辞去了职务，去进行宇宙线的纯科学研究。

为了打破核大国的核垄断，最终消灭核武器，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功。同时，我国政府郑重宣布：中国在任何时候、任何情况下都不会首先使用核武器。我国研制成功原子弹，极大地增强了我国的国防力量。

科学漫步

月球：一个核聚变原料宝库

据测算，现在即使在发达国家，每人一生所消耗的能量，也只相当于10克氘聚变时释放的能量，而每500升海水中便含有15克氘。海洋是一个饱含能源的宝库。

但是，氚与氚发生核聚变反应时，要放出大量中子，中子会破坏容器壁，这是受控聚变反应工程中必须解决的一个难题。若利用氦3同位素进行受控聚变反应，不会产生大量中子，所以氮3同位素是更理想的热核动力原料。但地球上氦3同位素的储量不大，而月球的表面尘埃中，却存在着多达百万吨以上的氦3同位素。100吨氦3就能满足全球一年的电力需求，以目前的能源消耗水平计算，月球上的氦3足够人类使用一万年！月球很有可能与海洋一起成为人类未来的能源宝座。

问题和练习

1．核电厂与热电厂的主要区别是什么？

2．核电的发展中应该注意哪些安全问题？

3．利用聚变能的主要困难是什么？

发布时间：2018/9/10 下午7:29:03  阅读次数：1740