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第二届核能科普知识竞赛系列科普文章(一)核能:不可或缺的替代能源
日期:2003年07月08日     

    核能是20世纪人类的一项伟大发现,并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日,著名科学家费米领导几十位科学家,在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆,标志着人类从此进入了核能时代。在这以前人类利用的能源,只涉及到物理变化和化学变化,当核能进入人们的生产和生活后,一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生。

  第一座反应堆首次启动时,功率仅为0.5瓦。60年后,核能已占全世界总能耗的6%。国际原子能机构公布,截至2002年底,全世界共有441台核电机组在运行,2002年共生产电力2.574万亿千瓦小时,约占当年世界总发电量的17%。其中,核发电量占本国总发电量比例最高的国家是立陶宛,达到80%,其次是法国,达到79%。

  当前,世界上的主要能源是煤、石油、天然气这些化石燃料,化石燃料不是可再生能源,用掉一点儿就少一点儿。燃烧化石燃料向大气排放大量的“温室气体”二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物,并排放大量的烟尘,这些有害的物质对环境造成了严重的破坏。核能不产生这些有害物质。1987年,世界卫生组织总干事布伦特兰领导的世界环境和发展委员会提出了“可持续发展”的概念,就是“既满足当代人的需求,又不危及后代人满足其需求的发展”。为了实现可持续发展,人类迫切地需要新的替代能源。目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源,就是核能。

  核能分为核裂变能和核聚变能两种。核裂变能是通过一些重原子核发生“链式裂变反应”释放出的能量,核聚变能是由两个轻原子核结合在一起释放出的能量。迄今达到工业应用规模的核能只有核裂变能。核聚变又叫“热核反应”。氢的同位素氘(H,重氢)是主要的核聚变材料。氘以重水的形式存在于海水中。氘的含量占氢的0.015%。1升海水中的氘通过核聚变释放出的能量相当于300升汽油燃烧释放出的能量。全世界海水中所含的氘通过核聚变释放的聚变能,可供人类在很高的消费水平下使用50亿年。2002年12月2日,我国新一代受控核聚变研究装置———核工业西南物理研究院的中国环流器二号A装置建成并举行开机仪式,为我国进一步参与核聚变研究的国际合作创造了条件。

  核能问世的准备时期,可以追溯到19世纪末至20世纪初。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,居里夫人发现新的放射性元素钋。1902年,她经过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E=mC2(C为光速,E为能量,m为转换成能量的质量)。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,称为质子。1932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?哈恩和他的助手斯特拉斯曼用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象。

  有些元素可以自发地放出射线,这些元素叫做放射性元素。放射性元素可以放出三种看不见的射线。一种是α射线,就是氦原子核。一种是β射线,就是高速电子。一种是γ射线,就是高能光线。其中γ射线的穿透能力最强。

  当中子撞击铀原子核时,一个铀核吸收了一个中子而分裂成两个较轻的原子核,同时发生质能转换,放出很大的能量,并产生2个或3个中子,这就是举世闻名的核裂变反应。

  在一定的条件下,新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变,这样一代代传下去,像链条一样环环相扣,所以科学家将其命名为链式裂变反应。1946年,在法国居里实验室工作的我国科学家钱三强、何泽慧夫妇发现了铀原子核的“三裂变”、“四裂变”现象。

  链式裂变反应释放出巨大的核能,1千克铀-235裂变释放出的能量,相当于2500吨标准煤燃烧产生的能量。只有铀-233、铀-235和钚-239这三种核素可以由能量为0.025电子伏的热中子引起核裂变。它们都是核燃料,其中只有铀-235是天然存在的,而铀-233、钚-239是在反应堆中人工生产出来的。铀-235在天然铀中的含量仅为0.7%。

  反应堆是通过受控的链式裂变反应将核能缓慢地释放出来的装置,是和平利用核能的最主要的设施。反应堆的种类繁多,一般是根据用途分为动力堆、生产堆和研究堆。动力堆是利用核裂变释放的能量来产生动力,进行发电、供热、推动船舰等。生产堆是利用中子生产新的核燃料。研究堆是利用中子进行基础科学和应用科学的研究。

  为了实现核能的进一步发展,当前世界许多国家的核科学家正在研究与发展先进的核反应堆,进一步提高反应堆的安全性和经济性。我国“863”计划正在研发两种先进反应堆。一种是由清华大学核能技术设计研究院承担的10兆瓦高温气冷实验堆。高温气冷堆具有安全性好(不会对厂外公众造成危害)、发电效率高(蒸汽发电效率38%~40%,氦气透平发电45%~47%)、用途广(可进行煤的汽化和液化、制氢等)的优点。该反应堆已于2003年1月29日达到满功率并网发电。另一种是由中国原子能科学研究院承担的中国实验快堆。快中子反应堆的主要优点是可大大提高铀资源的利用率,从目前轻水堆的1%左右提高到60%至70%。该反应堆正在建造,其主厂房已于2002年8月15日封顶。

  如果说20世纪核能的出现和发展是核能的第一个春天,那么现在核能正处于向第二个春天过渡的蓄势待发时期。让我们努力迎接核能新的春天的到来。

(科技日报)