1、核能高效安全的未来之能上海交通大学 电子信息与电气工程学院 F1203025 班童嘉俊摘要：在全球能源紧缺的大环境下，核能以其远超化石能源的清洁性以及相比新能源的技术成熟性获得了世界广泛关注。但是，在核危机影响下，核能发展受到阻碍。本文在详细介绍了核能的发电原理（包括核裂变、可控核聚变）的同时，分析了核事故的原因，并对公众对于核能的误解进行了澄清，阐明了核能利用的高效性与安全性。同时文章还举例分析了发展核能的利弊。本文旨在全面的阐述核能的特点，推动核能的广泛利用以解决当前社会所面临的能源危机并展望核能利用的未来发展趋势。关键词：核能、安全、高效、核裂变、可控核聚变、托卡马克、惯性约束引言：在哥
2、本哈根气候大会上，中国向世界作出承诺到 2020 年中国碳排放量将必 2005年下降 40%45%。我国的新能源技术尚不成熟，而在最近十年内，我国核电发展的势头锐不可当，已然跃升为世界核电大国。因此，发展核能是当下兑现节能减排承诺的必由之路。十八大胜利召开后，受福岛核危机影响而被迫停止的核电项目审批在“安全高效”下谨慎重启。这标志着我国的核电事业以“高效安全”为准则审慎、快速地向高水平迈进，而核能也再次成了我国能源计划的重要内容。正文1.核能原理概述1.1 核能核能（又称原子能） ，是指通过转化其质量从原子核释放的能量。核能通过以下三种方式之一释放：1、核裂变：通过利用中子轰击等方法使重原子核
3、（如， ）分裂成多个U235轻原子以释放结合能的方法；2、核聚变：通过高温使轻原子（如，氕、氘）碰撞结合成重原子以释放结合能的方法；3、核衰变：自然界中慢得多的核裂变形式。当核子通过以上方式发生转变，其核子总质量会变小，这部分质量转化为能量，其能量转化符合爱因斯坦质能方程 。2mcE1.2 核裂变发电目前而言，由于核衰变速率慢，能量低，不受控制，以及受控核聚变技术尚未成熟等原因，核裂变仍是当前社会核能利用的主流。目前核电发电原理为可控制裂变链式核反应：用中子轰击 使之裂变，裂变新产生更多中子从而使核反应继续下去，形成核链式反应U235使原子核内的能量源源不断的释放出来。图 1.2.1 核链式反
4、应示意图利用原子核链式反应原理建造的反应堆需将裂变时释放出的中子减速后，再引起新的核裂变，由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态，这种中子被称为热中子，热中子更容易引起铀235 等裂变。堆内主要由热中子引起裂变的反应堆叫做热中子反应堆（简称热堆） 。核电站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。核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成。反应堆是核电站的核心。反应堆工作时放出的热能，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统。由蒸汽
5、驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。 图 1.2.2 核电站工作原理示意图1.3 可控核聚变1.3.1 核聚变的难点核聚变的条件比较苛刻：a. 聚变的燃料氘需要被加热到很高的温度，因为氘核都带正电，只有足够高的温度才能够让两个氘核具有很大的热运动动能，足以克服它们之间的静电斥力，达到核力作用范围，产生大量核聚变。 （据估算，温度需达到 1 亿摄氏度。在如此高温下，氘完全电离，处于等离子气状态。 ）b. 高温等离子体还需有足够的密度，并持续足够长的时间。这样才能达到反应自持，并获得能量增益。因此，要达到核聚变要求就必须要有可以在较长时间内承受 1 亿摄氏度高温
6、的材料作为容器。而且，该材料必须有很好的隔热性能，因为用隔热性不好的材料做容器会导致等离子气体的温度下降过快，难以做到持续输出聚变能。而这样的材料目前尚未找到。因此核聚变之路在很长一段时间内停滞不前。而高温等离子体的约束也成了实现核聚变的关键课题。1.3.2 托卡马克磁约束装置原理：带电粒子在磁场中运动可分为两部分：垂直磁力线方向上做 Larmor 运动，沿磁力线方向（均匀磁场）则可以自由运动。因此，除非受到其他作用，带电粒子是不会离开磁场约束的。所以，磁场可以将等离子体与周围物质隔开。图 1.3.2.1 磁场约束带电粒子示意图托卡马克基本结构：它主要有产生等离子体电流的变压器（铁芯或空芯）
7、、产生纵向磁场的线圈、控制等离子体柱平衡位置的极向场线圈和环形真空室组成。利用与上文相似的原理，将等离子体约束在环形磁场中。图 1.3.2.2 托卡马克基本结构内线圈（产生极向磁场）线圈（产生环形磁场）外线圈（产生极向磁场）铁芯环形磁场极向磁场图 1.3.2.3 托卡马克磁场示意图磁约束发展：50s: 建立了最初的小型磁约束装置60s: 建立了成功的托卡马克装置70s: 建立了中型尺寸的托卡马克装置80s: 建立了大型的托卡马克90s: 达到了聚变功率的是相当的水准2006 年: 协议建造国际热核试验反应堆 ITER1.3.3 激光约束核聚变原理：使用强大的激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，瞬
8、间产生极高温度和极大压力，被高度压缩的稠密扥离子体在扩散之前，向外喷射儿产生向内聚心的反冲力，使核燃料达到核聚变条件，并维持一段约束时间，完成全部核聚变，释放大量核能。图 1.3.3.1 激光惯性约束原理图发展： 1963 年: 前苏联科学院巴索夫院士，提出用激光引发聚变的建议。1972 年: 美国利弗莫尔国家实验室的 J.纳科尔斯等公开发表了高密度爆聚的理论，重点于是转向多束激光辐照微球靶的高压缩爆聚实验。1973 年: 中科院实现了激光聚变，探测到聚变反应中释放出的高能量的中子。1.3.4 核聚变小结 目前，受控核聚变的方式尚处于研究当中，还不成熟，但各国对于受控核聚变的研究十分重视。研究
9、人员在受控核聚变领域不断取得新突破。目前欧洲正在建 ITER 项目，建成后会成为世界最大的磁约束核聚变装置。美国的重力约束核聚变装置世界领先，不过主要用于军事目的。当前最先进的聚变技术主要是日本及德国等。磁约束核聚变已经能够达到点火温度，持续运行时间也有所突破。2. 核能优缺点2.1 优点核能不会产生空气污染，也不会加剧温室效应，是名副其实的清洁能源。核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，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。表 2.1
10、.1 核能与其它能源的能量密度比较核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济 情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。表 2.1.2 核能与其他能源发电成本比较2.2 缺点核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，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。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里，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。核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。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，会对生态及 民众造
11、成伤害。3.核能安全问题讨论3.1 核事故以及原因切尔诺贝利核电站事故：该事故是迄今为止最为严重的核事故。据估算，核事故后产生的放射污染相当于广岛原子弹爆炸产生的放射污染的 100 倍。迄今为止，据不完全统计，事故导致死亡 9.3 万人，致癌 27 万人，经济损失 180 亿卢布（合 36.6 亿人民币） 。此次事故的原因，官方解释有两个，第一个于 1986 年 8 月公布，完全把事故的责任推卸给核电站操纵员。第二个则发布于 1991 年，该解释认为事故是由于压力管式石墨慢化沸水反应堆（RBMK）的设计缺陷导致，尤其是控制棒的设计。福岛核电站事故：该事故是自切尔诺贝利事故以来最大的核事故。20
12、11 年 4 月 12日，日本原子能安全保安院根据国际核事件分级表将福岛核事故定为最高级 7 级。事故发生后，辐射性物质进入风中，通过风传播到中国、俄罗斯等一些地区。此次事故的原因，除了日本大地震影响，福岛核电站本身的隐患也是导致这次事故的主要原因。福岛第一、第二核电站在此前就曾发生过多次事故。福岛核电站一号机组已经服役 40 年，已经出现许多老化的迹象，而这一机组原计划延寿 20 年，至 2031 年退役。3.2 核能是安全的3.2.1 核电站三道屏障密封的燃料包壳。燃料包壳的材料具有对中子的吸收截面小、耐腐蚀、机械强度高等性质，低温水堆通常用纯铝，中温水堆用铝合金，高温水堆用不锈钢或锆合金
13、。 坚固的压力容器和密闭的回路系统。这是反应堆冷却剂压力过界，由冷却剂一回路和反应堆压力容器组成。壳体是一层厚合金钢板。其功用是燃料元件包壳密封万一损坏，放射性物质漏到水中，也仍然处在密封的一回路中，受到压力壳的屏障。压力壳能承受 175 大气压(约 17.7 兆帕)的压力，350的温度，能有效地阻止第一道屏障泄漏出的放射性物质逸出边界。能承受内压的安全壳。它是一座顶部呈球形的预应力钢筋混凝土建筑物，其壁厚约1 米，内衬 67 毫米钢板。前几道屏障崩溃时，安全壳仍能以其坚实的设计和建筑质量，把事故的影响控制在安全壳内，可靠地防止放射性物质外泄，确保核电站周围的环境不受污染。3.2.2 核能安全
14、性与其它能源的比较谈及核电站人们每每回想起如上文所述的重大核事故，其所造成的后果十分严重，这也在一定程度上增加了人们对于核电站的恐惧心理。而实际上，由上文的分析可以看出，这两期核事故的主要原因并不是核电站本身的问题，在很大程度上，人为的失误是事故的主要原因。所以，公众对于核电站的恐慌其实是不必要的。对于核电站，公众的恐慌还源自于与核相联系的辐射。而实际上，建造核电站所产生的辐射并没有公众所想象的那么大，是完全在可接受范围内的。相比较而言，其它能源反而会带来更强的辐射。表 3.2.2.1 核电站与煤电站辐射比较再者，对于公众的危害不仅仅体现在辐射一个方面，而需从多个方面同时考虑。如果将原料开采、
15、电站运行、所带来的各方面威海考虑在内，我们将发现核能的安全性远高于其它的能源。表 3.2.2.2 各种能源危险性比较4.核能发展前景4.1 裂变核能发展隐忧4.1.1 舆论压力目前，由于福岛核危机的余波影响，以及公众对于核能的先入为主的不良印象，导致大多数民众对于大批兴建核电站仍持反对态度。而事实上，公众对于核电的恐慌也不无道理，因为虽然历史上的多次核事故都是由人为失误引发的，但是，谁也无法保证在大量的核电站兴建时或使用时不会出现人为失误。而一旦人为失误发生，所造成的后果是无法估计的。因此，核电的大发展必然会有极大的舆论压力。另一方面，核废料也是引发舆论的另一原因。发展核电，必然会产生大量的核
16、废料。核废料有放射性，且这种放射性不能用化学、物理方法消除。核废料由于放射性产生各种有害射线，而释放的射线导致核废料自身的温度不断上升，甚至造成溶液自行沸腾、固体自行熔融。4.1.2 原料储备建造核电站，需要一定量的铀储备，而我国并不是铀储备大国。美国是最早建立战略铀储备的国家之一，EIA 数据显示，21 世纪以来美国的战略铀储备已趋于稳定， 2010 年美国工业有储备为 112.3 百万吨。早在 20 世纪初，前苏联就已经建立了有储备，WNA 透露在 1997 年底俄罗斯拥有近 58000 吨公共铀储备。而从 20 世纪六七十年代开始，日本一直加速建设战略铀储备体系。目前日本攫取铀资源的网络
17、已遍布全球，以目前的铀储备速度，10 年后日本铀储量有望超过美、俄等大国。在可查到的公开资料中，国内的铀资源数据并不乐观。在国际原子能机构发布的 2009年版铀红皮书2009 铀：资源、产量和需求中，中国探明的铀矿储量只有 17.14 万吨。据了解，除去核电站新开工期需填装的燃料，每百万千瓦机组一年大约消耗 160-180 吨铀。那么，即使按照核电总装机到 2020 年 6000 万千瓦算，每年大约需耗铀超过 1 万吨。因此，有业内人士担心，我国的铀资源储备恐怕难以满足核能发展的需求。4.2 可控核聚变潜力巨大4.2.1 聚变能清洁安全可控核聚变如果研制成功并投入使用，核能的安全性将进入一个新
18、的高度。核聚变利用氘、氚等轻核聚变成氦释放能量，期间不产生任何污染环境的放射性物质，无论是原料还是产物都不会产生放射性污染。而且由于核聚变的要求十分苛刻，一旦发生紧急事故，装置将无法维持极高的温度和等离子气密度，会导致核聚变无力维持，这相当于自动紧急停堆，为聚变电厂的安全提供了保障。4.2.2 聚变能资源丰富核聚变利用的主要原料是氘、氚。据测算，每升海水中含有 0.03 克氘，所以地球上仅在海水中就有 45 万亿吨氘。1 升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于 300 升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的 1000 万倍，可以说是取
19、之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。因此，地球上的聚变能储量远比裂变能、化石能源丰富。把海水中的能量通过核聚变释放出来，按目前世界的能源消耗水平，可供人类利用上亿年。4.3 结语渐趋枯竭的化石能源越来越无法满足人们的需求，而化石能源的所带来的污染，温室效应也无法满足当今世界环境友好的要求，人们不得不将目光转向可再生的、清洁的能源。而刚刚起步的太阳能等新能源还无法满足人们的需求，这是人们不得不使用核能来填补能源空缺。在核能中核裂变虽然可以满足人们的需求，但限于其安全性及资源限制，裂变能无法作为长期的供能方式。聚变能以其高能量输出，清洁安全的能源利用方式，以及几乎用之不竭的原料资源，势必将成为未来长期能量输出的主流能源。可以肯定，聚变能一旦可以稳定输出，世界将不再有能源危机。参考文献：1.中国战略有储备体系落后美日三四十年 2012-08-10 申银万国研究所 蒋建蓉 罗云峰2.中国铀资源隐忧 2012-10-17 张惠（ 发表在能源 ）3.核聚变未来的新能源 毛剑珊4.http:/ 百度百科）7.http:/ 军工行业-道客巴巴）8.http:/ （ 托卡马克的基本概念-百度文库 ）9.http:/
