原子能及其和平利用

韩延福

摘 要：原子能也称核能，是通过核反应从原子核中释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的质能方程E=mc2。原子能除了能运用于军事领域，在民用领域同样可以大显身手。比较直接的使用方法有发电、直接供大型机械装置使用、生产放射性同位素三种。

关键词：原子能 E=mc2 核电 和平利用 放射性同位素

中图分类号：D815 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）11-0-01

随着科学技术的发展，原子能已经不再是军用领域、高端科技的专利，自1951年加利福尼亚州海边希平港建成世界上第一座试验性核电站至今，核电作为新型的能源在迅速地发展。除了发电，原子能同样可以用作大型机械的动力来源，如核动力破冰船。此外，产生原子能的反应堆同时可以生产元素同位素应用于医用领域。

一、原子能简介

原子能是指原子核里的核子——中子或质子，重新分配和组合时释放出来的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的质能方程E=mc?。公式中的E指能量，m指质量，c指光速。由于光速十分快，所以仅仅需要一点点的质量，就会产生庞大的能量。原子能目前主要有两种，聚变能与裂变能。当今的核燃料主要是铀，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。地球上的铀主要分为铀-238和铀-235，占比分别为99.7%和0.3%，铀的储量很低，适合开采的总量约为100万吨，且分布极不均匀。按照世界上目前的消耗来看，几十年就可以消耗完。但是在海洋这个巨大的宝库中，含有极为丰富的铀资源。据估算，海洋中含铀达45亿吨，是陆地总储量的几千倍，但是海水中的铀含量是很低的，1000吨的海水中含有3克铀，也就是说，1千克的铀，需要处理33万多吨的海水。值得一提是原子能同石油一样是不可再生能源，它们的不同在于原子能是清洁能源。

二、原子能的和平利用

1.核电

提到原子能，核电站绝对是人们第一个想到的和平利用方式。自1954年苏联在莫斯科西南奥布宁克斯建成第一个核电站以来，核电成为了人类能源来源的重要组成部分。据国际原子能机构在2011年发布的数据显示，全球运行中的核电机组共计442个，兴建中的核电机组65个，核电发电总量占全球电量的16%。核电占据法国发电总量的80%，是法国电力的主要来源。据2016年数据，我国目前运行中的核电机组共计34台，数量上仅次于美国、法国、俄罗斯，位列全球第四；在建核电机组20台，稳居世界首位，占全球在建核电机组数量的40%，是世界上核电发展最快的国家。

核电站的原理基本与火力发电站相同，核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。利用蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，其发电机组和火力发电站大同小异，奥妙全在核反应堆中。核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置，主要分为四类：沸水堆、压水堆、重水堆和快堆。其中快堆与前三种不同，前三种对核燃料铀的利用率只有1%-2%，快堆可以达到60%-70%，但快堆的技术相较于前三种还不完善。

核电的优点有很多，如不会产生温室气体、能量密度极高、燃料体积小、运输储存都比较方便等。1000百万瓦的核电站一年仅需30吨的铀燃料，一航次的飞机或是一次汽车就可以运送。如果是烧煤发电站，一年所需原煤大概300万-400万吨，需列车2760辆。但是，我们也需要正视核电的缺点：核电站的热效率低，相较于传统电厂，将有更多的废热直接排放进大气中；核电站的核燃料成本低，但是前期成本十分高；最关键的，核废料尤其是高放射性的核废料的处理一直是个很大很重要的国际性难题，运行中如果产生了事故，造成核泄漏，将对生态环境和民众造成极大的威胁。历史上曾有三次比较重大的核事故，分别是三里岛事故、切尔诺贝利核电站爆炸和福岛核危机，其中切尔诺贝利事故是历史上最大的核事故。

2.核动力机械

除了大家熟知的核动力航母、核动力潜艇这种军事领域核动力的应用，其他领域内核动力也发挥了很大的作用。破冰船是目前装备核动力比较多的非军用舰船。“北极”（Arktika）是世界上最大的破冰船，长134米，宽30米，排水量23000吨，安装两座反应堆。Arktika是第1艘达到北极极点的水上舰船。核动力商船从上世纪60年代美国的Savannab建成以来，经历了数十年的发展，仅俄罗斯的破冰集装箱船Sevmorput获得成功。与同尺寸的常规动力的商船相比，载货量极低，船员数量却高了2倍，加上培训船员的费用，使用起来是不经济的。核动力驱动机械的原理基本与用于发电的原理相同，区别只是在于核电站的蒸汽轮机带动发电机组，核动力舰船是带动齿轮箱，传动到螺旋桨。提到蒸汽轮机，有人戏称人类对原子能的利用还停留在用它烧开水的地步。但这是有原因的，水是反应堆良好的慢化剂和冷却剂，也是人类使用最多的热机工质之一，自然大部分热中子堆就变成烧开水的核锅炉了。

3. 生产放射性同位素

一百年前天然放射性的发现， 引起了人类对宇宙认识和知识更新的一场伟大变革。放射性同位素的主要来源是核反应堆和加速器。目前世界上的反应堆中，大概有100多个反应堆会用约5%多一点的时间生产一定量的放射性同位素，这之中多数由研究堆产生。放射性同位素目前的用处之多之广，不熟悉的人了解之后肯定是相当吃惊的。它可以应用于多个领域，例如医学、工业、农业、科学研究等。在医学上同位素主要用于显像、诊断和治疗， 另外还包括医疗用品消毒、药物作用机理研究和生物医学研究。“放疗”这个名词许多人都应该听说过，这可能是大众了解最多的一种放射性同位素的使用，主要用于治疗癌症。放射性同位素源源不断地产生辐射，而这种辐射是低温消灭真菌、细菌、病毒等微生物的首選方法。农业上，昆虫不育技术基于用X辐射使昆虫不育（丧失繁衍能力），现已成功地用于铲除损害谷物的昆虫种类， 而对于人类健康和环境无任何副作用。科研上，同位素标记原子在遗传研究中起着越来越重要的作用。

参考文献

[1]吉桂明.核动力商船的历史及其展望[J].热力动力工程，2010，2：140-140.

[2]肖雪夫 张伟华. 核电站反应堆的主要堆型简介[J].机器人技术与应用.2011，05：2-11.

[3] 蔡善钰. 放射性同位素生产与应用现状及其发展趋向[J].同位素.1999，2：49-57.endprint