核能的研究综述

席 静，王 静，梁 斌

(兰州石化职业技术学院 应用化学工程学院，甘肃 兰州 730060)

能源是世界范围内备受关注的热点问题之一，能源的开发利用不仅是国民经济的基本支柱，更是人类生存和发展的基础。现代社会进入了能源高速消耗的阶段，无论是能源储量问题还是能源安全问题都给能源的开发利用带来了极大的挑战。由于传统化石能源呈现出日渐枯竭的状态，所以再生能源(如氢能，核能，生物质能等)也愈来愈受到能源界的关注。核能作为新能源主力军的一份子，开发前景良好，但是开发利用的过程中受到了种种挑战[1]。

1 核能的概述

1.1 什么是核能

初中化学中已经学到，物质都是由分子构成的，分子又由原子构成，而原子是由带正电荷的质子、不带电的中子和带负电荷的电子三种粒子组成。其中质子和中子处在原子的中心，依靠强大的核力紧密地结合在一起构成原子核。而我们所说的核能，就是要将牢固的原子核分裂或者重新组合(聚合)，从而获得巨大的能量，也可以称之为原子能[2]。

1.2 核能的产生

核能的理论基础是由著名科学家爱因斯坦建立的相对论。爱因斯坦相对论用方程式E=MC2表示，该方程式表明，质量和能量是成正比的的，其比例常数是光速的平方。从1905爱因斯坦的相对论公开发表起，世界各国的科学家都对核能都进行了多方面的探索。

在1939年，科学家们首次尝试用中子轰击较大的原子核(重原子核)，将其变成了两个中等大小的原子核，这个过程称之为原子核的裂变，不言则明，原子核的裂变会释放出巨大的能量，这一能量叫做核裂变能。接下来科学家又尝试用中子轰击铀235的原子核，这一过程不仅获得了巨大的能量，同时还产生几个新的中子。科学家们发现产生的中子会继续轰击其他的铀核，从而导致一系列铀核持续发生裂变，持续释放巨大能量。这一过程被科学家称之为链式反应，但是链式反应在瞬间发生，需要加以控制才能继续利用。1942年科学家利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变，这标志着人类从此进入了真正意义上的核能时代[3]。

除了将重核裂变获得核能之外，也可以将质量很小的原子核(轻原子核)结合在一起，这个过程也会释放出巨大的能量，也就是核聚变能。主要包括氢的同位素氘(2H，重氢)和氚(3H，超重氢)聚合的反应，叫做核聚变。氘核(由一个质子和一个中子构成)与氚核(由一个质子和两个中子构成)，在超高温下结合成氦核，会释放出更大的核能，而大量氢核的聚变，可以在瞬间释放出惊人的能量。氢弹就是利用此原理制成的。

除此之外，核衰变也可以获得能量，即原子核可以在自发的衰变过程中释放出能量。但是目前为止。核裂变能和核聚变能是人类利用的主要核能类型，其中核裂变的核燃料主要铀。

2 核能的开发利用

在核能利用的理论被科学界建立公开之后，很多国家随即就开始探索利用核能的方法，典型的利用方法就是核武器的使用和核电站的建立。

2.1 核武器

核武器指利用核反应产生的光热辐射、冲击波和感生放射性，造成杀伤和破坏以及大面积放射性污染的后果，从而达到战略目的的大杀伤力武器[4]。主要包括氢弹、原子弹、中子弹、三相弹、反物质弹等。核武器爆炸，不仅释放的能量巨大，而且核反应过程非常迅速，微秒级的时间内即可完成。

1945年7月16日，美国物理学家奥本海默带领其团队成员研制的的原子弹成功爆炸，这是人类历史上的第一颗成功爆炸的原子弹。1952年，美国物理学家泰勒带领其团队成员研制的氢弹成功爆炸，这是人类历史上第一颗成功爆炸的氢弹。1962年，美国物理学家塞姆·科恩带领其团队成员研制的中子弹成功爆炸。自第一颗原子弹爆炸开始，核武器产生的巨大的威力，使得在场的科学家们都感到了死神的到来。当今世界拥有核武器的国家有美国，俄罗斯，中国，英国，法国，印度，巴基斯坦，以色列，朝鲜，日本，因此为了维护世界和平，核武器的滥用被禁止[5]。

2.2 核电站

核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能来进行发电的方式，与火力发电极其相似。将火力发电使用的电站锅炉用核反应堆和蒸汽发生器来代替，能量由矿物燃料的燃烧能变成了核裂变能。核电的动力堆都是由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(沸水堆除外)[6]。

科学家发现一块铀矿石所释放的射线能量会持续极长的时间，并且精确计算出一公斤铀235完全释放的能量相当于2700 t的优质煤所燃烧释放的能量。1942年12月，意大利物理学家费米团队首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放，并且在美国建立了世界上第一个“核反应堆”的装置，开启了核能利用的时代。美国在1952年建成第一座余热型核电站，随即前苏联在1954年建成第一座真正意义上的核电站。1987年，我国的第一座核电站—秦山核电站也成功建成。

3 核能开发利用的优点

3.1 洁净

核能发电不会产生二氧化碳，因此不会加重地球的温室效应。而且也不会排放大量的污染物质到大气中，也不会加剧大气污染。

3.2 原料充足

目前，核能发电所使用的铀原料，除了利用其进行核能发电之外，尚无其他用处，因此可以保证充足的原料。

3.3 燃料成本较低

在核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，而且核燃料能量密度能比化石燃料高上几百万倍。因此无论是燃料开发成本，还是运输，储存成本都较低。

4 核能开发存在的问题

核电的投资成本较大，热污染较严重。核电厂虽然产生的三废较少，但是依然会产生高低阶放射性废料，即使所占的体积不大，但是其具有放射线，故必须慎重处理。而且核电厂的反应器内有大量的放射性物质，若一旦发生事故泄露带环境中，将会对地球生态及生物造成巨大的伤害。所以兴建核电厂较易引发政治歧见纷争[7]。从1979年的三里岛核事故，到1986年的的切尔诺贝利核灾难，使得大家都处于一种“谈核色变”的尴尬处境当中。尽管核电站的建立比核武器的使用要安全得多，但是核电站依然是恐怖分子攻击的对象。曾在2010年，分析计算机蠕虫病毒发现，该病毒发起的网络攻击，可以越过物理上的保安人员，直接对控制核电站的系统进行攻击，这也暴露了核电站的另一个潜在的弱点。

5 核能开发的前景

即便核能开发被喻为潘多拉的盒子，但是核能开发依然存在着其他能源无法比拟的优点：在产生相同当量的能量值时，核能所需的原料最少，所产生的“三废”最少。因此核能的应用前景是不可估量的。主要可以预测的方面有实现“人造小太阳”(可控的核聚变发电)，建造核裂变型发电站，研发核电池，制造核火箭等[8]。据国际的权威机构预测，在未来25年中，世界范围内将大力兴建90～300座1600 MW的反应堆，这意味着全球即将迎来核电站建设的新高峰期。在核电利用技术方面，美国、法国、俄罗斯等国较为成熟，也建立了趋于充分完善的市场培育机制，这些核电大国对待核电的态度将很大程度上影响到世界核电的发展趋势。

6 我国核能利用技术的前景

我国目前建成和在建的核电站总装机容量为870万kW，预计到2050年，我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kW(约占中国电力总装机容量的30%)，中方案为2.4亿kW(约占中国电力总装机容量的20%)，低方案为1.2亿kW(约占中国电力总装机容量的10%)[9]。

我国核电也已经由起步进入发展阶段，具有自主设计建造第一代核电的能力，目前对于如何积极推进核电发展，我国也从政府层面作出了的重大决定，接下来的几十年我国核电建设的步伐也将迅速加快，并且逐步会提高核电在电力供给中的比重[10]。在我国大力发展核电,对于改善电力能源结构、缓解环境污染和保障能源安全，都具有十分重要的作用与意义，这意味着在我国核能利用的发展前景将越来越广阔。