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核能

核能(或称原子能)是通过核反应从原子核释放的能量,符合阿尔伯特爱因斯坦的质能方程E=mc ,其中E=能量,m=质量,c=光速。核能可通过三种核反应之一释放:1、核裂变,较重的原子核分裂释放结合能。2、核聚变,较轻的原子核聚合在一起释放结合能。3、核衰变,原子核自发衰变过程中释放能量。

核能(nuclear energy)是人类历史上的一项伟大发现,这离不开早期西方科学家的探索发现,他们为核能的发现和应用奠定了基础。可一直追溯到19世纪末英国物理学家汤姆逊发现电子开始,人类逐渐揭开了原子核的神秘面纱。

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放射性元素钋。

1902年居里夫人经过三年又九个月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,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。

1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。1954年苏联建成了世界上第一座商用核电站奥布灵斯克核电站。

从此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核能应用研究。

铀是目前最重要的核燃料,1千克铀可供利用的能量相当于燃烧2500吨优质煤。然而陆地上铀的储藏量并不丰富,且分布极不均匀。只有少数国家拥有有限的铀矿,全世界较适于开采的只有100万吨左右,即使加上低品位铀矿及其副产铀化物,总量也不超过500万吨,按消耗量,只够开采几十年。而在巨大的海水水体中,却含有丰富的铀矿资源。据估计,海水中溶解的铀的数量可达45亿吨,相当于陆地总储量的几千倍。如果能将海水中的铀全部提取出来,所含的裂变能可保证人类几万年的能源需要。不过,海水中含铀的浓度很低,1000吨海水只含有3克铀。只有先把铀从海水中提取出来,才能应用。而要从海水中提取铀,从技术上讲是件十分困难的事情,需要处理大量海水,技术工艺十分复杂。但是,人们已经试验了很多种海水提铀的办法,如吸附法、共沉法、气泡分离法以及藻类生物浓缩法等。

60年代起,日本、英国、联邦德国等先后着手研究从海水中提取铀,并且逐渐建立了从海水中提取铀的多种方法。其中,以水合氧化钛吸附剂为基础的无机吸附方法的研究进展最快。评估海水提铀可行性的依据之一是一种采用高分子粘合剂和水合氧化钻制成的复合型钛吸附剂。海水提铀已从基础研究转向开发应用研究的阶段。日本已建成年产10千克铀的中试工厂,一些沿海国家也计划建造百吨级甚至千吨级工业规模的海水提铀厂。

氘和氚都是氢的同位素。它们的原子核可以在一定的条件下,互相碰撞聚合成较重的原子核 --氦核,同时释放巨大的核能。一个碳原子完全燃烧生成二氧化碳时,只放出4电子伏特的能量,而氘-氚反应时能放出1780万电子伏特的能量。据计算,1 公斤氢燃料,至少可以抵得上4公斤铀燃料或1万吨优质煤燃料。

每升海水中含有 0.03克氘。这0.03克氘聚变时释放出采的能量相当于300升汽油燃烧的能量。海水的总体积为13.7亿立方公里,共含有几亿亿公斤的氘。这些氘的聚变所释放出的能量,足以保证人类上百亿年的能源消耗。而且氘的提取方法简便,成本较低,核聚变堆的运行也是十分安全的。因此,以海水中的氘、氚的核聚变能解决人类未来的能源需要'将展示出最好的前景。氘 -氚的核聚变反应,需要在上千万度乃至上亿度的高温条件下进行。这样的反应,已经在氢弹上得以实现。用于生产目的的受控热核聚变在技术上还有许多难题。但是,随着科学技术的进步,这些难题正在逐步解决的。

1991年11月9日,由l 4个欧洲国家合资,在欧洲联合环型核裂变装置上,成功地进行了首次氘-氚受控核聚变试验,发出了1.8兆瓦电力的聚变能量,持续时间为2秒,温度高达3亿度,比太阳内部的温度还高20倍。核聚变比核裂变产生的能量效应要高600倍,比煤高1000万倍。因此,科学家们认为,氘-氚受控核聚变的试验成功,是人类开发新能源的一个里程碑。在下个世纪,核聚变技术和海洋氘、氚提取技术将会有重大突破。这两项技术的发展和不断的成熟,将对人类社会的进步产生重大的影响。

另外,“能源金属”锂是用于制造氢弹的重要原料。海洋中每升海水含锂15~20毫克,海水中锂总储量约为2.5×1011吨。随着受控核聚变技术的发展,同位素锂6聚变释放的巨大能量最终将和平服务于人类。锂还是理想的电池原料,含锂的铝镍合金在航天工业中占有重要位置。此外,锂在化工、玻璃、电子、陶瓷等领域的应用也有较大发展。因此,全世界对锂的需求量正以每年7%~11%速度增加。主要是采用蒸发结晶法、沉淀法、溶剂萃取法及离子交换法从卤水中提取锂。

重水也是原子能反应堆的减速剂和传热介质,也是制造氢弹的原料,海水中含有 2×1014 吨重水,如果人类一直致力的受控热核聚变的研究得以解决,从海水中大规模提取重水一旦实现,海洋就能为人类提供取之不尽、用之不竭的能源。

早在20世纪60年代末和70年代初,美国阿波罗飞船登月时,6次带回368.194千克的月球岩石和尘埃。科学家将月球尘埃加热到3000华氏度时,发现有氦等物质。经进一步分析鉴定,月球上存在大量的氦-3。科学家在进行了大量研究后认为,采用氦-3的聚变来发电,会更加安全。

有关专家认为,氦-3在地球上特别少,但是月球上很多,光是氦-3就可以为地球开发1万-5万年用的核电。地球上的氦-3总量仅有10-15吨,可谓奇缺。但是,科学家在分析了从月球上带回来的月壤样品后估算,在上亿年的时间里,月球保存着大约5亿吨氦-3,如果供人类作为替代能源使用,足以使用上千年。

当今,全世界大约16%的电能是由核反应堆生产的,有9个国家的40%多的能源生产来自核能。在这一领域,国际原子能机构作为隶属联合国大家庭的一个国际机构,对和平利用、开发原子能的活动积极加以扶持,并且为核安全和环保确立了相应的国际标准。

国际原子能机构的作用相当于一个在核领域进行科技合作的政府间中心论坛。作为一个协调中心,该机构的设立便于在核安全领域交换信息、制订方针和规范以及应有关政府之要求提供如何加强核反应堆安全和避免核事故风险的方法。国际原子能机构还在旨在确保核技术的运用以求可持续发展的国际努力中扮演重要作用。

随着各国的核能计划增多,公众日益关注核安全问题,国际原子能机构在核安全领域的职责也扩大了。为此,国际原子能机构制订了辐射防护基准标准,并就特定的业务类型颁布了有关条例和业务守则,其中包括安全运送放射性材料方面的条例和业务守则。依据《核事故或辐射紧急援助公约》和《及早通报核事故公约》,一旦发生放射性事故,国际原子能机构会立即采取行动,确保向成员国提供紧急援助。

国际原子能机构还对其他几个核安全方面的国际条约担负着保存任务。这些国际条约包括:《核材料实物保护公约》,《维也纳核损害民事责任公约》,《核安全公约》以及《废燃料管理安全和放射性废物管理安全联合公约》。最后一个公约是针对核安全问题的第一个国际性的法律文书。

国际原子能机构就各成员国实施原子能计划提供援助和咨询意见,并且积极推动各国就科技信息进行交流。该机构还帮助各国政府在水、卫生、营养及药物和食品生产等领域和平利用原子能。这方面一个突出的例子是利用核辐射技术所开展的突变育种工作。通过这一工作,将近2000个新的优良作物品种业已开发成功。

当前,围绕能源选择的问题争论不休。这场争论的起因是国际社会试图控制二氧化碳向大气层的排放,因为二氧化碳进入大气层导致了全球升温。国际原子能机构强调核能的种种好处,认为作为一种重要的能源来源,核能不存在温室气体和其他有毒气体排放的问题。

通过其设在维也纳的国际核信息系统,国际原子能机构对几乎所有核科学和技术方面的信息进行收集和传播。国际原子能机构还与联合国教育、科学及文化组织合作,在意大利东北部城市的里雅斯特设立了国际理论物理中心。该中心拥有三个实验室,开展原子能基础应用方面的研究。国际原子能机构还与联合国粮农组织合作,开展原子能应用于粮食和农业生产领域的研究。该机构还与世界卫生组织合作,开展核辐射应用于医药和生物学领域的研究。此外,国际原子能机构在摩纳哥还设有海洋环境实验室。该实验室得到了联合国环境规划署和教育、科学及文化组织的协助,共同对全球海洋环境污染的情况进行研究。

世界上有比较丰富的核资源,核燃料有铀、钍氘、锂、硼等等,世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源,可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能应用作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施有许多的优点,其一核燃料具有许多优点,如体积小而能量大,核能比化学能大几百万倍;1000克铀释放的能量相当于2700吨标准煤释放的能量;一座100万千瓦的大型烧煤电站,每年需原煤300~400万吨,运这些煤需要2760列火车,相当于每天8列火车,还要运走4000万吨灰渣。同功率的压水堆核电站,一年仅耗铀含量为3%的低浓缩铀燃料28吨;每一磅铀的成本,约为20美元,换算成1千瓦发电经费是0.001美元左右,这和的传统发电成本比较,便宜许多;而且,由于核燃料的运输量小,所以核电站就可建在最需要的工业区附近。核电站的基本建设投资一般是同等火电站的一倍半到两倍,不过它的核燃料费用却要比煤便宜得多,运行维修费用也比火电站少,如果掌握了核聚变反应技术,使用海水作燃料,则更是取之不尽,用之方便。其二是污染少。火电站不断地向大气里排放二氧化硫和氧化氮等有害物质,同时煤里的少量铀、钛和镭等放射性物质,也会随着烟尘飘落到火电站的周围,污染环境。而核电站设置了层层屏障,基本上不排放污染环境的物质,就是放射性污染也比烧煤电站少得多。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。其三是安全性强。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于人为因素造成的。随着压水堆的进一步改进,核电站有可能会变得更加安全。

国际原子能机构预测到2030年核动力至少占全部动力的25%。最大的增长可能达到100%。中国危机比任何国家都严重,到2020年70%到80%的石油要从国外进口,随着时间的推移,对石油天然气进口的依赖越来越大,而中国海军的实力,不足以保证中国海上石油运输的安全。而核能是解决能源危机的主要办法。

核能俗称原子能,它是原子核里的核子中子或质子,重新分配和组合时释放出来的能量。核能分为两类:一类叫裂变能,一类叫聚变能。

核能有巨大威力。1公斤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。一座100万千瓦的核电站,每年只需25吨至30吨低浓度铀核燃料,运送这些核燃料只需10辆卡车;而相同功率的煤电站,每年则需要300多万吨原煤,运输这些煤炭,要1000列火车。核聚变反应释放的能量则更巨大。据测算1公斤煤只能使一列火车开动8米;一公斤裂变原料可使一列火车开动4万公里;而1公斤聚变原料可以使一列火车行驶40万公里,相当于地球到月球的距离。

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放射性污染。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,寄托在核能这个能源世界未来的巨人身上了。

注:核能为不可再生能源!核能为清洁能源!

2014年中国国际核电工业及装备展览会将于7月29-31日举行,同期还将召开2014中国核电可持续发展高峰论坛。由于政府高层对核电发展持积极态度,因此关于核电发展的标准制定等政策密集出台。机构预计,在国内核电项目启动以及海外市场出口的推动下,核电、常规岛和辅助设备市场将迎来扩容机遇。

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电子构成的。原子核包括质子和中子,质子数决定了该原子属于何种元素,原子的质量数等于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。虽然原子核的体积很小,但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。

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被称为同位素,它们在化学元素周期表上占据同一个位置。简单的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。

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。

核能,是核裂变能的简称。50多年以前,科学家在的一次试验中发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂,在放出23个中子的同时伴随着一种巨大的能量,这种能量比化学反应所释放的能量大的多,这就是我们今天所说的核能。核能的获得途径主要有两种,即重核裂变与轻核聚变。核聚变要比核裂变释放出更多的能量。例如相同数量的氘和铀-235分别进行聚变和裂变,前者所释放的能量约为后者的三倍多。被人们所熟悉的原子弹、核电站、核反应堆等等都利用了核裂变的原理。只是实现核聚变的条件要求的较高,即需要使氢核处于6000度以上的高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。

重核裂变是指一个重原子核,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23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。

所谓轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程,也称热核反应。它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,所以就使得轻核有了足够的动能克服静电斥力而发生持续的聚变。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、氚原子核的聚变反应瞬间释放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。目前正在研制的"受控热核聚变反应装置"也是应用了轻核聚变原理,由于这种热核反应是人工控制的,因此可用作能源。

1.可控核聚变的发生条件

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1500万摄氏度,另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应,而地球上没办法获得巨大的压力,只能通过提高温度来弥补,不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成为问题。不过在2010年2月6日,美国利用高能激光实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。

2.核聚变的反应装置

可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。

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。它的名字Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是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在20世纪50年代发明的。 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。

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,而且核燃料取之不尽,这就使得核电站的总发电成本低于烧煤电厂。

据估计,在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275万吨。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。况且以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,如果解决了核聚变技术,那么人类将能从根本上解决能源问题。

1.核工业的主要业务范围

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。

2.核燃料循环及其组成

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。

3. 铀矿地质勘探

铀是核工业最基本的原料。铀矿地质勘探的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上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-系列的基础地质工作。

分散在地壳中的铀元素在各种地质作用下不断集中,最终形成了铀矿物的堆积物,即铀矿床。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。并不是所有的铀矿床都有开采、进行工业利用价值的。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。

4. 铀矿开采

生产铀的第一步是铀矿开采。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,方法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。

5. 铀矿石的加工

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作为下一步工序的原料。

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。

为了便于浸出,矿石被开采出来后,必须将其破碎磨细,使铀矿物充分暴露。然后采用一定的工艺,借助一些化学试剂(即浸出剂)或其它手段将矿石中有价值的组分选择性地溶解出来。浸出方法有两种:酸法和碱法。由于浸出液中铀含量低,而且杂质种类多,含量高,所以必须将杂质去除才能确保铀的纯度。实现这一过程,可以选择以下两种方法:离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法。水冶生产的最后一道工序是将沉淀物洗涤、压滤、干燥,然后得到水冶产品铀化学浓缩物,又称黄饼。

6. 铀的浓缩

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。

7. 核燃料元件

经过提纯或浓缩的铀,还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,才能供反应堆作为燃料来使用。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)。

核燃料元件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。可见,核燃料元件制造是一种高科技含量的技术。

8.乏燃料的后处理

经过辐照的燃料元件,从堆内卸出时总是含有一定量未分裂和新生的裂变燃料。乏燃料的后处理的目的就是回收这些裂变燃料如铀-235,铀-233和钚,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。但此项工序放射性强,毒性大,容易发生临界事故,所以,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)。冷却与首端处理是冷却将乏燃料组件解体,即脱除元件包壳,溶解燃料芯块。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。

9. 三废处理与处置

在核工业生产和科研过程中,会产生一些不同程度放射性的固态、液态和气态的废物,简称为"三废"。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会起作用。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,使浓集放射性物质的废物体积尽量减小,并改变其存在的状态,以达安全处置的目的。这个过程称为"三废处理与处置"。

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,对于发展迅速环境压力较大的中国来说,再合适不过。

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已刻不容缓。中国能源结构仍以煤炭为主体,清洁优质能源的比重偏低。

中国预计到 2020年核电装机容量约为4000万千瓦。到2050年,根据不同部门的估算,中国核电装机容量可以分为高中低三种方案:高方案为3.6亿千瓦(约占中国电力总装机容量的30%),中方案为2.4亿千瓦(约占中国电力总装机容量的20%),低方案为1.2亿千瓦(约占中国电力总装机容量的10%)。

中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划,准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时,核电的比重将占电力总容量的4%,即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说,到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。

从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,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。

2012年7月,国务院公布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》,提出“到2015年,掌握先进核电技术,提高成套装备制造能力,实现核电发展自主化;核电运行装机达到4000万千瓦。包括三代在内的核电装备制造能力稳定在1000万千瓦以上。到2020年,形成具有国际竞争力的百万千瓦级核电先进技术开发、设计、装备制造能力”。

英国核工业有近50年的历史,拥有世界上第一座商用核电站,有对轻水堆和气冷堆核电站的设计、生产、建造和运行支持的全部能力。同时具有铀浓缩、燃料生产(包括MOX燃料)、新燃料及乏燃料运输、后处理、核设施退役及废物处理的完整核燃料循环能力。

英国第一座核电站是建于坎布里亚郡的CalderHall核电站,它是镁诺克斯气冷堆的原型,于1953年兴建,1956年开始向国家电网送电,是世界上第一座商用核电站。此后,英国又相继建成10座这样的镁诺克斯核电站。这批电站中有6座还在运行,其余5座已经关闭或正在退役。至今,英国共有l4个商业运行核电站。三种堆型(Magnox堆、AGR、PWR),31个堆在运行,平均负荷因子为64.5%,总装机容量为12.48GW(其中Magnox堆2916MW,AGR堆8380MW,PWR堆1188MW),核电占全国总电力的25%。核电在英国的气候变化目标中起很大作用。据统计,英国核电能减少全国7%14%的二氧化碳的排放。

英国核能发展水平世界领先,是核能企业寻求商务与技术合作的理想选择,也是极富魅力的核能产业投资目的地。英国核能产业拥有巨大的消费市场,其发展也获得了政府机构和政策上的大力支持;同时,英国核能产业还拥有世界领先的技术经验以及人才基地;不仅如此,英国核能成套的产业链及完备的配套服务体系也为行业发展创造了稳定健康的环境。英国核能产业的上述优势,为投资者创造了前景广阔的参与空间及投资生产环境。

英国从国家战略层面给予了核能发展政策及立法的支持。2008年,英国政府发布《核能白皮书》,一度停滞的核电发展得到了重启。2012年11月,英国发布新能源法案,支持包括核能在内的新能源发展。不仅如此,英国政府更采取了一系列措施简化新一代核能建设的审批程序。核监管办公室(ONR)通过实施通用的设计评估(GDA)加快核电站建设项目审批速度,使新建核电站项目启动得到保障。

英国政府技术战略委员会(TSB)于2010年提供了200万英镑的资金,用于在核能研发及应用领域的20项可行性研究,旨在促进创新和加强供应链建设。

德国在20世纪70年代经历了1974年的石油危机之后决定大力发展核电,当时国家对能源十分敏感,但是1986年切尔诺贝利核事故发生之后,该项政策有所变动,最后一座反应堆在1989年获批。无论1979年的民主党(SPD)如何支持发展核电,1986年8月政府宣布在未来的十年中放弃发展核电。

该项政策一经发布,R&D实验室研究30多年的高温气冷堆和快中子堆项目被迫终止,但是由于当时的大部分研究工作在民主党控制NorthRhineWestphlia,CDUl联邦政府之后继续支持国内现存的核反应堆和研究项目,一直坚持到了1998年被打败为止。

1956年,法国第一台40兆瓦可用于发电的反应堆G1在马尔库尔投产。其他两台反应堆G2和G3也先后于1959年和1960年投入运行。在此基础上,原委会开发了天然铀石墨气冷反应堆技术,并将其确定为法国早期核电站建设的技术路线。

20世纪70年代初石油危机爆发后,法国决定大规模发展核电,在美国压水堆技术基础上,制订了一项目标宏大的标准化核电发展规划。

日本从本世纪50年代初期就着手核电的开发研究和设备制造的准备工作。于1956年成立日本原子能研究所,1961年组建成日本原子能发电公司,并于1961年3月开始兴建东海核电站。至1966年7月核电站建成投入运行,开创了日本核电生产的新纪元。

利用核反应堆中核裂变或聚变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只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。除沸水堆外(见轻水堆),其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热,在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水,然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的过饱和蒸汽,经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。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),比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%-4%,其馀皆为无法产生核分裂的铀238。

举例而言,核电厂每年要用掉80吨的核燃料,只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤,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。

核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。

简史 核能发电的历史与动力堆的发展历史密切相关。动力堆的发展最初是出于军事需要。1954年,苏联建成世界上第一座装机容量为 5兆瓦(电)的奥布宁斯克核电站。英、美等国也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)。80年代因化石能源短缺日益突出,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,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。

第一代核电站。核电站的开发与建设开始于20世纪50年代。1954年前苏联建成发电功率为5兆瓦的实验性核电站;1957年,美国建成发电功率为9万千瓦的Ship Ping Port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的原型核电机组成为第一代核电机组。

第二代核电站。20世纪60年代后期,在实验性和原型核电机组基础上,陆续建成发电功率30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组,他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。世界上商业运行的400多座核电机组绝大部分是在这一时期建成的,习惯上称为第二代核电机组。

第三代核电站。20世纪90年代,为了消除三里岛和切尔诺贝利核电站事故的负面影响,世纪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,美国和欧洲先后出台了《先进轻水堆用户要求文件》,即URD文件和《欧洲用户对轻水堆核电站的要求》,即EUR文件,进一步明确了预防与缓解严重事故,提高安全可靠性等方面的要求。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。对第三代核电机组要求是能在2010年前进行商用建造。

第四代核电站。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、韩国和阿根廷共10个有意发展核能的国家,联合组成了“第四代国际核能论坛”,与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。

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。

1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中,因此核能发电不会造成空气污染。

2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。

3.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。

4.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。

5.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。

6.核能发电实际上是最安全的电力生产方式.相比较而言,在煤炭、石油和天然气的开采过程中,爆炸和坍塌事故已杀死了成千上万的从业者。

1.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。

2.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。

3.核能电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高。

4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。

5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。

6.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,会对生态及民众造成伤害。

世界各地的研究人员正在开发宽度小于人的头发的微型装置,用于从生化传感器到医学植入体的各种用途。但这方面存在着一个障碍:还没人能拿出一种与这么小的微型机械装置相匹配的能源。

任何一个随身携带过使用五磅重电池、而自重仅一磅的便携式电脑的人都该明白这句话的意思。为了实现这些装置的全部潜在用途,需要有这样一种能源,它既能提供强大的动力,又要小得足以安装在同一块芯片上。

威斯康星大学的一组工程师相信他们也许找到了正确的方法。他们已经开始了一个利用核能来提供能量的项目,但这些发电机将与向家庭和工厂提供电力的带穹顶的核电厂完全不同。

这些微型装置的能源不是靠转动的涡轮机来发电,而是利用微量的放射性物质,通过它们的衰变来产生电能。以前也有过这种做法,但规模要大得多。人们曾用这种方法给从心脏起搏器到探索太阳系外层黑暗空间的航天器等各种装置提供能源。

威斯康星大学的核能工程教授詹姆斯布兰查德说:“以前还从没在我们现在所讨论的规模上做过这种事。”布兰查德所领导的研究小组正设法开发这项技术,这项研究得到了美国能源部一项45万美元的拨款。

尽管单单提起核能就会使一些人的后背生出丝丝凉气,但研究人员称他们的发电机只使用极少的放射性物质,安全应该不是问题。布兰查德说,最适合这种技术的元素是1898年由居里夫妇发现的钋。

放射性物质已广泛应用在许多装置中,包括烟雾探测器。另外一些复印机上也使用条状的放射性物质消除纸张间的静电。但如果核电要成为未来的微型“机器”的能源,这项技术必须缩小到微观水平。布兰查德说,用放射性材料发电可以有两种方法。放射性材料衰变时发出的热量可以使一些物质放出电子,从而形成电能。但研究小组倾向于一种更直接的方法。

布兰查德说:“当放射性同位素衰变时,它会释放出带电粒子,这样你就能直接俘获这些带电粒子,利用它们产生电能。”他说,相对于这些装置的规模而言,这些粒子产生的电压是非常高的。布兰查德说,他的研究小组并没有直接考虑这些微型装置的用途。他认为,一旦有了一种合适的能源,其他人将会想出许多用途来。事实上,世界各地有数十个实验室已经在研制被称作MEMS的微型机电设备,它是当今高科技领域的关键课题之一。

布兰查德在这个项目中的同事、电气工程学教授阿米特拉尔说,一旦有了合适的能源,将会产生“以前根本不可能的许多用途”。

这项技术最直接的应用很可能是用来研制各种各样的微型传感器。一种合适的能源能够用无线联络的方式把数以百计的微型传感器联系起来,这是一项在军事上很有潜力的用途。这样的传感器小至肉眼无法看到,可以在恶劣环境中探测化学物质的存在。布兰查德说:“假如它们发现了它们不喜欢的化学物质,它们能向某个中心位置发回信号,这样人们不用到现场就能找到这些化学武器了。”这些传感器也能用来探测工厂内微量的有害化学物质和气体。一个有趣的前景是我们可以把这些传感器造得很小,把它们混入重型机械上使用的润滑油中,以便探测什么时候需要对机器进行保养。

拉尔说:“最大的影响可能是把这些传感器系统结合到日常系统中,从而使日常系统变得更加可靠、安全和智能。”

要用反应堆产生核能,需要解决以下4个问题:

①为核裂变链式反应提供必要的条件,使之得以进行。

②链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电,还会酿成灾害。

③裂变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出。

④裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大,必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害。


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