新能源之核能

16核能像风能、水能和太阳能一样，核能可以生产出电力而不会排放二氧化碳及其它温室气体。最大的不同在于，核能是唯一被证实能在全球范围大量生产供给清洁电力的方案。如果为了满足我们对清洁能源的迫切需求，核能和“新的可再生能源〞应被视为伙伴而不是竞争对手。因此，核能在现实也应列为可持续能源。2核能简史近代科学虽然在450年前就萌芽，但是人类直到100年前，对原子的结构，仍然一无所知。但在最近的100年中，近代的物理和化学的进展惊人。1896年，贝克勒尔发现铀可以不可见的射线，不断的放出能量；1899年，汤姆生证实阴极射线其实就是带负电的电子；1905年，爱恩斯坦提出相对论及质能转换公式E=mc2；

1912年，拉赛福从散射实验中，推断原子的质量集中在很小很小的核心，原子几乎是空心的；1914年，拉赛福宣告原子核内带正电的粒子，就是氢离子(后来命名为质子)；贝可勒尔3核能简史1920年，科学家为了解释原子核的结构，推测原子核内应该有质量和质子相当的中性粒子；1932年，查德维克发现中子；1938年，德国的OttoHahn及FritzStrassmann用中子撞击铀，发现产生钡。1939年，LiseMeitner及OttoFrisch提出核分裂反响的理论，而费米那么推测铀核分裂的同时，会有二、三个中子释放出来，费米的推测马上就被几个实验室证实；1939年，爱因斯坦写信给美国总统罗斯福，促请进行原子弹的研究；1944年，费米验证人类可以控制连锁反响；1945年，欧本海纳领导完成了原子弹的制造和引爆；4核能简史1954年，苏联建造了世界上第一座核能电厂；1956年，英国及法国也开始运转核能电厂；1957年，美国；1961年，德国；1962年，加拿大、比利时；1963年，意大利、日本……；1977年，中国台湾、韩国……。到现在，全世界约有32个国家的480座商用核子反响炉运转，提供人类电力需求的百分之十七。这一切真是太快了。这一切是怎么发生的呢？和传统的能源比较，核能有什么特性？核能的展望又是如何呢？5原子的探索1896年，贝克发现铀可以不可见的射线不断的放出能量，这是人类第一次发现放射线。很快，各地的科学家也发现钍、钋、镭等物质也会放出射线。1898年，居礼夫人把这种物质自行放出射线的现象，称为放射性。1899年至1903年间，拉赛福利用电场、磁场、游离等实验，发现铀及其它原子所放射的射线，是高能量的带电粒子--它们是α、β射线。6爱因斯坦的质能观1887年，两位美国物理学家Michelson及Morley以他们创造的精密仪器，测量发现地球绕太阳运动，并不影响光的速度。1905年，爱因斯坦分析Michelson及Morley的测量程序，提出相对论。相对论的思维和复杂的数学非常「特别」，据说爱因斯坦曾说过世界上大约只有十个人懂得他说的东西，不过爱因斯坦不成认他说过那样的话。相对论提出两项假设：以等速相对运动时，各观察者的物理定律都有相同的公式；光的速度恒定。相对论推论：质量和能量相关，质量也是能量的一种型式，质量和能量可以依E=mc2公式转换。一克的物质消灭，所产生的能量可以让一颗100瓦的灯泡点亮三万年。但是当时，包括爱因斯坦本人，没有人知道怎么让质量转换为能量。7追寻中子发现是α、β射线后，拉赛福即利用这些高能量的带电粒子进行散射实验，并从散射的结果和粒子的动能、动量的计算。在1911年推断原子有个占尽质量，带正电的核心，并在1914年，进一步宣告：原子核内带正电的最小粒子，就和氢的原子核一样。后来这个组成原子和带正电的粒子，被命名为proton—质子。在1914年，科学家也开始利用天然放射粒子α，尝试将较轻的核子撞破。较轻的核子带较少的正电，α粒子有时机在还没被排斥掉之前，撞击到核子。1919年，拉赛福就利用这个方法，把氮转变为氧，证明核子可以转换，但是科学家仍然无法让核子分裂。要把较重的核子撞破，需要不会被核子排斥的粒子。8追寻中子1920年，伴随着原子结构的探索，科学家确定原子核所带的正电荷数目，与该原子的原子序相同。但是，如果原子核全部由质子组成，原子核的总质量又和测量的结果相差大约一倍。为了解释这个结果，科学家不约而同的推测：原子核内应该含有质量和质子相当的中性粒子，他们给这个还在找寻中的粒子取名为neutron—中子。中子那么的小，又是电中性，自然很难找寻。

1932年，英国科学家查德维克终于经由云雾室的轨迹实验，证实中子的存在。中子不带电，不会被带正电的原子核排斥，科学家利用它，把原子核当做靶子，又开始进行「轰炸」了。其中，意大利物理学家费米特别重视中子的利用。费米在往后的几年间，利用镭和铍混和所产生的中子，成功的完成了60种以上的元素的原子核转换。同一时间，费米等人也发现低能量的中子反而比高能量的中子更能促成核子转换。9核子链锁反响1938年，德国的OttoHahn及FritzStrassmann用中子撞击铀，并从靶子的分析中，发现了钡。1939年，奥地利的LiseMeitner及OttoFrisch证实了OttoHahn及FritzStrassmann的实验，实际上是铀的核分裂。他们发现遭到中子的撞击，铀核可以分裂成质量大约相等的两个核子，钡以及氡，同时还会放出2个中子。不但如此，经过计算，两个核子以及2个中子的质量总和，比一个铀核子和一个中子的质量轻，依E=mc2公式，这个过程会释放能量。科学家很快的推论：如果让核分裂产生的中子再去撞击铀核而产生链锁反响，那么，按照E=mc2质能转换公式，核分裂会释放出以前人类所无法想象的巨大能量！10核子链锁反响核子连锁反响的发现叫很多人寝食难安。首先发现核分裂的是德国科学家，如果纳粹利用核分裂制成原子弹，那大战还有什么好打？1939年8月，爱因斯坦致函美国总统罗斯福，促请进行原子弹的研究，并警告德国可能展开原子弹的工作了。1939年9月，第二次世界大战在欧洲爆发了。一开始，美国并未参战，对原子弹的研究并不是非常积极。1941年，日本偷袭珍珠港后，美国宣布参战，而情报也显示，德国在海参堡的主持下所进行原子弹的研究，已经有相当的进展，罗斯福总统终于下达总发动令，以制造原子弹为目标，成立了最高机密的曼哈顿方案。11曼哈顿方案曼哈顿方案是由意大利逃往美国的著名科学家费米主持，方案中也网罗了欧洲的Szilard，EugeneWigner，加拿大的Zinn及美国的安德森等科学界的一时之选。1942年，费米等人在芝加哥大学运动场看台下的室内球场，利用高纯度的铀和石墨，堆成了所谓的芝加哥反响堆。反响堆内的石墨，可以让核分裂所产生的高速中子，经过碰撞而降低速度，提高低一波核分裂反响的机率。费米等人以镭和铍混和所产生的中子为中子源，并以吸收中子能力极高的镉片做控制，成功的引发核子链锁反响。随着反响堆的逐步堆高，链锁反响也越来越强。1944年12月，在最后的一层材料堆砌完成后，费米指挥工作人员逐步将镉片抽出反响堆，成功地达成持续的核子链锁反响。芝加哥反响堆的成功，固然直接导致原子弹的制造，却也显示人类有时机从核子链锁反响取得巨量的能源。12曼哈顿方案芝加哥反响堆固然证实原子弹的理论，但是制造原子弹却绝非易事。芝加哥反响堆利用石墨，让核分裂所产生的高速中子，经过碰撞而减速。中子的速度愈低，引发核分裂的机率愈大。但是原子弹必须在极短的时间内，让核子链锁反响快速的进行。让核分裂所产生的高速中子，经过碰撞减速后再诱发核分裂，实在缓不济急。因为能量不够集中，就产生不了什么破坏性。如果要让中子不经过减速而诱发足够的核分裂，就必须提高分裂材料的纯度，来弥补中子速度太快而降低的核分裂机率。13曼哈顿方案可以产生持续核子链锁反响的分裂材料只有铀-235和钸-239，要制造原子弹，纯度需达99％以上。天然铀中仅含有0.7％的铀-235，其余99.3％是铀-238。铀-235和铀-238是同位素，化学性质完全相同，要把铀-235从天然铀中别离出来，亦即，要浓缩铀-235，只能靠物理的方法。钸-239那么是铀-238吸收一个中子以后，经过衰变而得，要生产钸，就必须建造规模比芝加哥堆更大的核反响器。14曼哈顿方案芝加哥反响堆由费米主持，原子弹的制造那么由欧本海纳领军，在美国新墨西哥州沙漠中的小镇—LosAlamos，召集空前的阵容秘密进行。在二次大战中，为了取得足够的核分裂材料，美国在田纳西州的橡树岭建造了规模庞大的气体扩散工厂，把铀和氟化合成气体，利用铀-235和铀-238质量有微小差异，穿过薄膜的速度有微小的性质，经过大约4000个串级的薄膜，把缩铀-235的浓度提高到99％以上。除了利用气体扩散的技术进行缩铀-235的浓度之外，美国也在橡树岭建造大型的电磁系统，利用铀-235和铀-238质量有微小差异，游离穿过电磁场的转弯曲度微有不同的性质，别离铀-235和铀-238。15曼哈顿方案至于另一种可以制造原子弹的材料--钸-239，美国也在华盛顿州的Hanfort建造核反响器，利用和芝加哥反响堆核连锁反响相同的原理，持续以产生的中子撞击铀-238，使其转化而生产钸-239。钸-239是铀-238吸收一个中子以后，经过衰变而得。钸和铀的化学性质完全不同，要把钸-239从铀-238中别离出来似乎比浓缩铀-235简单，事实却不然。一方面钸是剧毒物质，另一方面，从核反响器取出的铀，含有铀-235分裂成的数百种高放射性物质，要把钸别离出来，即使是现在，也很不容易。这里不厌其烦的交代原子弹材料的制造，是因为有些人误以为核能电厂会像原子弹一样爆炸。核能电厂使用的核燃料浓缩度很低〔我国的核能电厂所用的铀燃料浓缩度不超过5％〕，要像原子弹一样爆炸是不可能的。16巨大的火球为了赶在德国之前制造出原子弹，美国日夜赶工，终于在1945年制造出足够的铀-235和钸-239，而新墨西哥州沙漠小镇LosAlamos的科学家们也完成了必要的理论、计算以及原子弹的装置，一切就待试验了。虽然理论上可行，但是这个前所未有的装置，是不是真的可以产生强烈的爆炸？或是根本不会爆炸？欧本海纳虽然有相当的信心，但是事情难保不会有意外的结果。1945年7月16日，科学家及工程人员聚集在新墨西哥州的隔壁州—内华达州，引爆了人类史上第一颗原子弹。巨大的火球转变为蕈xùn状的云团涌向天际，核分裂所产生的力量，果然石破天惊。17原子的组成

原子是由质子、中子和电子组成的。世界上一切物质都是由原子构成的，任何原子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。一个铀-235原子有92个电子，其原子核由92个质子和143个中子组成。

50万个原子排列起来相当一根头发的直径。如果把原子比作一个巨大的宫殿，其原子核的大小只是一颗黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。一座100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。18原子核的结构

原子核一般是由质子和中子构成的，最简单的氢原子核只有一个质子，原子核中的质子数（即原子序数）决定了这个原子属于何种元素，质子数和中子数之和称该原子的质量数。19同位素质子数Ｐ相同而中子数Ｎ不同的一些原子，或者说原子序数Ｚ相同而原子质量数不同的一些原子，它们在化学元素周期表上占据同一个位置，称为同位素。所以，“同位素〞一词用来确指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。同位素按其质量不同通常分为重同位素(如铀-238、铀-235、铀-234和铀-233〕和轻同位素〔如氢的同位素有氘、氚〕。20核能

科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出2—3个中子和大量的能量，放出的能量比化学反响中释放出的能量大得多，这就是核裂变能，也就是我们所说的核能。原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用，而核电反响堆也是利用这一原理获取能量，所不同的是，它是可以控制的。21铀的特性及其能量的释放铀是自然界中原子序数最大的元素，天然铀由几种同位素构成：除了0.711%的铀-235〔235是质量数〕、微量铀-234〔0.0058％〕外，其余是铀-238〔99.238％〕。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。也就是说1克Ｕ-235完全裂变释放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。22核能如何释放核能的获得主要有两种途径，即重核裂变与轻核聚变。Ｕ-235，有一个特性，即当一个中子轰击它的原子核时，它能分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2—3个中子和β、γ等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。如果有一个新产生的中子，再去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变，以此类推，这样就使裂变反响不断地持续下去，这就是裂变链式反响，在链式反响中，核能就连续不断地释放出来。23轻核聚变两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反响叫轻核聚变反响。它是取得核能的重要途径之一。在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反响必须在极高的压力和温度下进行，故称为“热核聚变反响〞。

氢弹是利用氘氚原子核的聚变反响瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用，正在研究受控热核聚变反响装置也是应用这一根本原理，它与氢弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。24核聚变能量的释放与铀相同数量的轻核聚变时放出的能量要比铀大几倍。例如1克氘化锂〔Ｌi-6〕完全反响所产生的能量约为1克铀-235裂变能量的三倍多。实现核聚变的条件十分苛刻，即需要使氢核处于几千万度以上高温才能使相当的核具有动能实现聚合反响。25U-236分裂核裂变中子U-235U-236分裂分裂碎片分裂碎片中子中子中子伽马射线千萬分之一秒內U-235分裂26核聚变氘氚中子14.1MeV氦-43.5MeV27核裂变28链式反响29核裂变

质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放出能量的过程。原子弹――根据核裂变的原理制成。属于不可控制的链式反响的结果！30核聚变 2个质量较小的原子核结合成质量较大的新核，同时释放出能量的过程。31二战末美国在日本投掷了两枚原子弹一颗于1945年8月6日投于日本的广岛，另一颗于8月9日投于日本的长崎。

32从飞机上拍下原子弹在广岛爆炸的情景33爆炸后的长崎34悲哀的历史广岛市80％的建筑物化为灰烬，6.8万人当场丧生，5年后因原子弹死亡人数到达24.7万人；长崎市60％的建筑物被摧毁，当场伤亡8.6万人，5年后共死亡14万人。该地区核爆炸的幸存者也不同程度受到放射性污染，患了各种怪异的后遗症，在随后几年中，又有大批人痛苦地死去。

351964年10月16日14时59分50秒整，在中国新疆罗布泊腾起了蘑菇云：中国成功进行了第一次当量为2万吨梯恩梯炸药的核试验，爆炸了一颗原子弹。36氢弹――根据核聚变的原理制成。威力比原子弹还大。1966年12月28日12：00时，首次氢弹试爆成功37从原子弹试爆到氢弹试爆，美国用了7年，苏联用了4年，英国接近5年，法国是8年多，但是中国只用了2年8个月。

1988年9月29日上午成功在中央分区核试验场罗布泊进行首度中子弹试爆。38核能的军事应用39核能的和平用途二次大战后，有鉴于核能的无限潜能，各工业强国皆致力于核能和平用途之开发，经斟酌本身的工业条件后，各自开展其适用之商用核能发电反响器。二次世界大战期间，美国为将铀－238转换成核弹所需之钸－239以达军事目的，以芝加哥反响堆为根底，开展了石墨为缓和剂的反响器，但是美国后来的核能开展，是以轻水式反响器为主；英国那么开展气冷式石墨缓和剂反响器；加拿大致力于重水式反响器之开展；苏俄为军民兼用及经济考虑而开展独特的水冷式石墨缓和剂反响器，它兼具商用发电及生产核武原料的双重功能。40核能的和平用途虽然美国的核能技术最先进，但是世界上第一部用来发电的核反响器，却是苏俄于1954年在莫斯科附近建造完成的ObninskAPS，容量仅5MWe的一部小型轻水冷却石墨缓和式反响器〔LWGR〕。英国于1956年建造完成第一座气冷式反响器〔GCR〕CalderHall1号机。1957年美国西屋公司也利用核子潜艇的反响器技术，在宾州的ShippingPort兴建完成第一座容量为60MWe的商用压水式反响器〔PWR〕核能电厂。1960年，由美国奇异公司设计的第一座容量184MWe沸水式反响器〔BWR〕在伊利诺伊州的Dresden核电厂开始运转发电。1962年，第一座重水式反响器〔PHWR〕在加拿大诞生。41核能的和平用途法国、日本、西德、瑞典等国亦经由西屋公司及奇异公司的技术转移而建立了本身的轻水式反响器工业。轻水式商用核能电厂的容量亦自第一部的60MWe级顺利开展到300MWe、600MWe、900MWe及至今日的1000MWe、1300MWe、乃至1450MWe级。42世界核能利用的现状截至1999年，全世界有29个国家的433座核电站在运行。目前全世界核电提供的电能占世界电力供给的17%，为此每年可以减少23亿吨CO2的排放量，这意味着如果不使用核电，全世界CO2的排放量将增加10%。根据世界核协会(WNA)网站提供的资料，截至2023年6月l日，全球有29个国家共运行着441台核电机组(见表l)，总净装机容量为376.4GWe;有13个国家正在建设60台核电机组，总装机容量为63.OGwe;有27个国家方案建设155台核电机组，总装机容量为171.SGwe;有37个国家拟建设338台核电机组，总装机容量为384.4Gwe。预计2021年全球核电反响堆的铀需求量为6897ltu(81338tU308)。4344世界原子能消费增长了107倍，年复合增长率11%。80年代以来，各国的份额根本稳定，目前美国，法国，日本分别占到约31%，16%和11%的份额。俄罗斯，韩国和德国各占约5-6%，中国约占3%。目前开发核能的途径有两条：重元素的裂变，如铀的裂变；轻元素的聚变，如氘、氚、锂等45世界总储量在可收回本钱130美元/克条件下为540万吨，澳大利亚占据了近3成，哈萨克斯坦，加拿大和俄罗斯分别占12%，9%和9%。按目前的消耗量，陆地上的铀只够开采几十年。但海水中的铀储量估计在46亿吨，同时，核聚变比核裂变产生的能量效应要高600倍，其燃料主要为氢，氘，氚。可以预见，随着人类海洋铀，氘，氚提取技术尤其是核聚变技术的突破，核能将为人类提供取之不尽，用之不竭的能源动力46前三位为美国，法国，日本，分别占到其发电量的20%，74%和29%。德国，韩国和乌克兰那么分别占到其发电量的28%，32%和48%，而中国仅占1.8%。2023年世界核电总共奉献了其发电量的13.5%。47总的趋势，北美，西欧，东欧的份额呈下降趋势；远东，中东和南亚，拉美呈上升趋势。世界总装机预测低估值2023，2030，2050分别到达429，500和557十亿瓦特；高估值那么分别到达526，746，1228十亿瓦特。48做为世界第二大经济体和开展中国家，中国核能的开展对其能源产业优化升级和经济结构调整具有战略意义，按照其《核电中长期开展规划》，力争2023年核电占电力总装机的比例到达5%以上。中国目前的核电厂主要集中在东南沿海地区，49美国三里岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故引起公众对核的恐惧。在过去10年中，核电变成了一个倍受争议的话题，它已从世界开展最快的能源沦为开展最慢的能源。50但是这种恐核心理导致的核电开展停滞，已带来严重的负面影响，例如，1999年瑞典核电占47%，因为关闭核电站，只能被迫向丹麦燃煤电厂购电，不但电费上涨，而且导致西欧CO2的排放总量超标。由于电力紧张，美国也中止了暂停建核电站的规定，重新起动核电站建设方案。51与欧美兴旺国家相反，亚洲由于经济迅速崛起，核电开展方兴未艾，亚洲目前共有90座核电站在运行，其中2/3集中在日本。韩国、中国大陆和台湾地区、印度、巴基斯坦等仍有许多座新核电站在建设之中。52由于先进堆型的开发，核电技术的不断完善，核平安程度越来越高，加上全球经济的迅速开展，以及为了解决温室气体排放及酸雨等环境问题，核电在未来20年又将有一个新的开展，对开展中国家更是如此。53核反响堆核反响堆及其组成

核反响堆是一个能维持和控制核裂变链式反响，从而实现核能—热能转换的装置。核反响堆是核电厂的心脏，核裂变链式反响在其中进行。

反响堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。

堆芯中的燃料：反响堆的燃料，不是煤、石油，而是可裂变材料Ｕ-23554核反响堆燃料包壳：为了防止裂变产物逸出，一般燃料都需用包壳包起来，包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。控制棒和平安棒：为了控制链式反响的速率在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和平安棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调节反响速率；平安棒用来快速停止链式反响。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。冷却剂：为了将裂变的热导出来，反响堆必须有冷却剂，常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。慢化剂：由于慢速中子更易引起铀-235裂变，而中子裂变出来那么是快速中子，所以有些反响堆中要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂，一般慢化剂有水、重水、石墨等。55核反响堆反射层：反射层设在活性区四周，它可以是重水、轻水、铍、石墨或其它材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去，减少中子的泄漏量。屏蔽系统：反响堆周围设屏蔽层，减弱中子及γ剂量。辐射监测系统：该系统能监测并及早发现放射性泄漏情况。56反响堆的结构形式和分类反响堆的结构形式是千姿百态的，它根据燃料形式、冷却剂种类、中子能量分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各类型结构形式的反响堆。目前世界上有大小反响堆上千座，其分类也是多种多样。按能普分有由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆；按冷却剂分有轻水堆，即普通水堆〔又分为压水堆和沸水堆〕、重水堆、气冷堆和钠冷堆。按用途分有：〔1〕研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究；〔2〕生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚-239；〔3〕动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。57研究实验反响堆是指用作实验研究工具的反响堆，它不包括为研究发展特定堆型而建造的、本身就是研究对象的反响堆，如原型堆，零功率堆，各种模式堆等。研究实验堆的实验研究领域很广泛，包括堆物理，堆工程、生物、化学、物理、医学等，同时，还可生产各种放射性同位素和培训反响堆科学技术人员。研究实验堆种类很多，例如：游泳池式研究实验堆：在这种堆中水既作为慢化剂、反射层和冷却剂，又起主要屏蔽作用。因水池常做成游泳池状的长圆形而得其名。58研究实验反响堆罐式研究实验堆：由于较高的工作温度和较大的冷却剂流量只有在加压系统中才能实现，因此，必须采取加压罐式结构。重水研究实验堆：重水的中子吸收截面小，允许采用天然铀燃料，它的特点是临界质量较大，中子通量密度较低。如果要减小临界质量和获得高中子通量密度，就用浓缩铀来代替天然铀。此外，还有固体慢化剂研究实验堆、均匀型研究实验堆、快中子实验堆等。59动力反响堆世界上动力反响堆可分为潜艇动力堆和商用发电反响堆。核潜艇通常用压水堆做为其动力装置。商用规模的核电站用的反响堆主要有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆和快堆等。60轻水堆轻水堆是动力堆中最主要的堆型、在全世界的核电站中轻水堆约占85.9%。普通水(轻水)在反响堆中既作冷却剂又作慢化剂。轻水堆又有两种堆型：沸水堆和压水堆。沸水堆的最大特点是作为冷却剂的水会在堆中沸腾而产生蒸汽，故叫沸水堆。压水堆堆中的压力较高，冷却剂水的出口温度低于相应压力下的饱和温度，不会沸腾，因此这种堆又叫压水堆。61由燃料组件组成的堆芯放在一个能承受高压的压力壳内。冷却剂从压力壳右侧的进口流入压力壳，通过堆芯筒体与压力壳之间形成的环形通道向下，再通过流量分配器从堆芯下部进入堆芯，吸收堆芯的热量后再从压力壳左侧的出口流出。由吸收中子材料组成的控制棒组件在控制棒驱动装置的操纵下，可以在堆芯上下移动，以控制堆芯的链式反响强度。62轻水堆中典型燃料元件轻水堆通常以浓缩铀作燃料63压水堆沸水堆64压水反响堆65沸水反响堆66重水堆重水堆以重水作为冷却剂和慢化剂。由于重水对中子的慢化性能好，吸收中子的几率小，因此重水堆可以采用天然铀作燃料。这对天然铀资源丰富，又缺乏浓缩铀能力的国家是一种非常有吸引力的堆型。在核电站中重水堆约占4.5%。67加拿大坎杜重水堆的示意图68重水堆69重水反响堆70气冷堆气冷堆是以气体作冷却剂，石墨作慢化剂。气冷堆经历了三代。第三代为高温气冷堆。采用高浓缩铀作燃料，并用氦作为冷却剂。由于氦冷却效果好，燃料为弥散型无包壳，堆芯石墨又能承受高温，所以堆芯气体出口温度可高达800℃，故称之为高温气冷堆。核电站的各种堆型中，气冷堆约占2%~3%。71高温气冷堆72快中子增殖堆前述的几种堆型中，核燃料出裂变主要是依靠能最比较小的热中子，都是所谓热中子堆。在这些堆中为了慢化中子，堆内必须装有大量的慢化剂。快中子反响堆不用慢化剂，裂变主要依靠能量较大的快中子。如果快中子堆中采用239Pu(钚)作燃料，那么消耗一个239Pu核所产生的平均中子数达2.6个，除维持链式反响用去一个中子外，因为不存在慢化剂的吸收，故还可能有一个以上的中子用于再生材料的转换。例如可以把堆内天然铀中的238U转换成239Pu，其结果是新生成的239Pu核与消耗的239Pu核之比(所谓增殖比)可达1.2左右，从而实现了裂变燃料的增殖。所以这种堆也称为快中子增殖堆。它所能利用的铀资源中的潜在能量要比热中子堆大几十倍。这正是快堆突出的优点。由于快堆堆芯中没有慢化剂，故堆芯结构紧凑、体积小，功率密度比一般轻水堆高4-8倍。但传热问题显得特别突出。通常为强化传热都采用液态金属钠作为冷却剂。快中子堆虽然前途广阔，但技术难度非常大，目前在核电站的各种堆型中仅占0.7%。7374快中子堆75快中子增殖堆76由于快堆堆芯中没有慢化剂，故堆芯结构紧凑、体积小，功率密度比一般轻水堆高4~8倍。由于快堆体积小，功率密度大，故传热问题显得特别突出。快中子堆虽然前途广阔，但技术难度非常大，目前在核电站的各种堆型中仅占0.7%。77供热堆供热堆是专门用于供热的一种反响堆，当然也可以利用供热堆提供的热能，采用吸收式制冷或喷射制冷的方式实现冷、热联产；或用于海水淡化。我国5MW的供热堆，1989年已开始在清华大学运行，至今已取得良好的经济效益。200MW的供热站也正在建设之中。78什么是核电站核电站就是利用一座或假设干座动力反响堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反响堆是核电站的关键设备，链式裂变反响就在其中进行。目前世界上核电站常用的反响堆有压水堆、沸水堆、重水堆和改进型气冷堆以及快堆等。但用的最广泛的是压水反响堆。压水反响堆是以普通水作冷却剂和慢化剂，它是参军用堆根底上开展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。79核电站工作原理核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反响堆〞的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。80压水堆核电站

以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反响堆平安而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统，其形式与常规火电厂类似。81沸水堆核电站82重水堆核电站83快堆核电站8485核能的和平利用――核电站如果使原子核的裂变和聚变在可控制的条件下缓慢进行，释放的核能就可有效地利用。86核能的和平利用――核电站思考：在电站工作过程中，能是如何转化的？核能→内能→机械能→电能87核能的和平利用――核电站88核能的和平利用――核电站秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的30万千瓦压水堆核电站。89核能电厂与火力电厂的异同水蒸汽出汽轮机与发电机冷却冷凝器冷水进锅炉核反应器核反应器90火电站与核电站的区别核电站和火电站的主要区别是热源不同，而将热能转换为机械能，再转换成电能的装置那么根本相同。火电站靠烧煤、石油或天然气来取得热量，而核电站那么依靠反响推中的冷却剂将核燃料裂变链式反响所产生的热量带出来。91火电站与核电站的区别92核燃料和冷却剂燃料是主要产生热的地方。它的型式是做成燃料丸的样子。将燃料丸迭起来密封在锆合金所铸成的封套内，成为燃料棒。多根燃料棒再组起来，摆成一矩阵架构，称为燃料组件。两三百个的燃料组件再合并在一起，成为炉心。炉心再置于一耐高压的压力槽内。

冷却剂在发热的燃料棒间的通道，由下往上流动，将热带出炉心与压力槽之外。由于发电时必需藉高温及高压的水蒸汽推动汽机，冷却剂可以直接在炉心内沸腾，产生水蒸汽。冷却剂也可以将热交给另外的蒸汽产生器，去产生发电要用的水蒸汽。93临时贮藏回收废物处理最终储存产生能量采矿转化浓缩核燃料制作核燃料的循环94核裂变的燃料核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常由3种同位素构成：铀-238，约占铀总量的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7％；还有极少量的铀-234。95与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个突出的不同特点：〔1〕是生产过程复杂，要经过采矿、加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反响堆使用的核燃料；〔2〕是还要进行“后处理〞。96铀的浓缩方法：〔1〕气体扩散法；〔2〕激光别离法。97核聚变的核燃料最容易实现核裂变反响的是原子核中最轻的核，例如氢、氘、氚、锂等。其中最容易实现的热核反响是氘和氚聚合成氦的反响。作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034g，地球上有15×1014亿吨海水，故海水中的氘含量即达450亿吨，因此几乎是取之不尽的。98核电厂重要组件燃料丸燃料棒燃料组件压力槽99燃料棒和屏蔽系统燃料棒：用以控制核分裂反响，分置于炉心不同位置。可做为热功率的微调，也可做为紧急停机之用。通常其所使用的材料，吸收中子能力特强，以用来影响中子循环的平衡，进而控制核分裂反响。屏蔽系统：另外还有比较重要的正常运转下的系统，如屏蔽及围阻体。围阻体及其内部粗厚的混凝土钢筋建筑物，形成了很有效的放射线屏蔽。围阻体的钢衬那么做为保障其结构的密闭性用。100核能的和平利用――核电站燃料丸及燃料棒压力槽钢衬围阻体混凝土外壳101压水是式核电厂围阻体水蒸汽出冷水进压力槽调压罐汽轮机发电机冷凝器海水冷却蒸汽发生器102压水堆核电站103蒸汽发生器104稳压器105核电站的系统和设备通常由两大局部组成：核的系统和设备，又称核岛；常规的系统和设备，又称常规岛。目前核电站中广泛采用的是轻水堆，即压水堆和沸水堆。压水堆核电站的最大特点是整个系统分成两大局部，即一回路系统和二回路系统。106通常一个压水堆有2~4个并联的一回路系统(又称环路)，但只有一个稳压器。每一个环路都有一台蒸发器和1~2台冷却剂泵。压水堆核电站由于以轻水作慢化剂和冷却剂，反响堆体积小，建设周期短，造价较低；加之一回路系统和二回路系统分开，运行维护方便，需处理的放射性废气、废液、废物少，因此在核电站中占主导地位。107核电站系统核电站是一个复杂的系统工程，它集中了当代的许多高新技术。为了使核电站能稳定、经济地运行，以及一旦发生事故时能保证反响堆的平安和防止放射性物质外泄，核电站设置有各种辅助系统、控制系统和平安设施。以压水堆核电站为例，主要有以下系统。108核岛的核蒸汽供给系统核蒸汽供给系统包括下述子系统：一回路主系统〔包括压水堆、冷却剂泵、蒸汽发生器、稳压器和主管道等〕、化学和容积控制系统、余热排出系统〔又称停堆冷却系统〕、平安注射系统〔又称紧急堆芯冷却系统〕、控制、保护和检测系统。109核岛的辅助系统核岛辅助系统包括以下主要的子系统：设备冷却水系统、硼回收系统、反响堆的平安壳及喷淋系统、核燃料的装换料及贮存系统、平安壳及核辅助厂房通风和过滤系统、柴油发电机组。110常规岛的系统常规岛系统与火电站的系统相似，它通常包括：二回路系统、循环冷却水系统、电气系统。111核电站的废物处理系统112核燃料的平安循环使用和处理113核能的必需性经济开展与合作组织〔OECD〕的国际能源部是一个研究全球能源需求的国际团体。私营的世界能源委员会发挥着相同的作用。所有组织的预测均无情地指出相同的结论：如果不迅猛的扩大核能生产，世界将无法满足其越来越大的能源需求。114目前的核能状况核能发电只有五十多年的历史，目前核能的发电量相当于当时各种发电方式的发电量的总和。世界上大约三分之二的人口居住在这样的国家中，核电站是其电力生产和工业根底不可缺少的一局部。在拥有一半世界人口的国家里，它们正在方案建设或者已经在建设核电站。这样，全球核能的迅速增长就不需要根本性的变动，只需加快现有的策略就可以了。115目前的核能状况现在，大约480个核反响堆正在为32个国家发电。至少有15个国家的25%及25%以上的电力供给依赖于核能。在欧洲和日本，核电所占的比例在30%以上。在美国，核电提供20%的电力需求。116目前的核能状况在全球范围内，有50多个国家的科学家们在使用近300个核反响堆，用以：研究核技术生产用于医疗诊断和癌症治疗的放射性同位素同时，在世界大洋里，核反响堆驱动着400多艘舰艇。这些反响堆对船员和环境都没有构成危害。冷战之后，一个新的浪潮是把核材料从武器中撤离，将其改为民用的核能燃料。117强有力的核政策很多国家都庄重的承诺对核能的责任。这些国家有中国，印度，美国，俄罗斯和日本。这些国家拥有世界一半的人口。其它国家如阿根廷，巴西，加拿大，芬兰，韩国，南非，乌克兰以及几个中欧东欧国家也正在加强发挥核能在国家经济上的作用。一些尚未使用核能的重要开展中国家如印度尼西亚、埃及和越南也在考虑这种选择。118强有力的核政策核能具有能源的独立性和供给平安性。拥有六千万人口的法国从核能中获得其75%的电力。它也是世界上最大的电力出口国。意大利也拥有六千万人口，但它不生产核电，是世界上最大的电力进口国。119有关辐射的一些事实全球各地的地面和大气层都有自然的辐射。这种“自然环境〞下的辐射，在不同的区域间有很大的不同，而它却正是我们全人类所生存环境的一局部。像许多事物一样，辐射有利也有弊。大剂量的辐射是危险的。许多证据说明，小剂量的辐射是无害的。120有关辐射的一些事实核反响堆所产生的辐射与自然辐射相似，但它的强度更大。核电站使用防护墙把辐射隔离开来，附近的数百万居民可以平安地生活。事实上，人们所接受到的辐射有90%来自于自然界，有10%来自于医疗放射。核能的辐射泄漏量是微缺乏道的。121核电站放射性影响核电站的放射性也是公众最担忧的问题。其实人们生活在大自然与现代文明之中，每时每刻都在不知不觉地受到来源于天然放射性的本底和各种人工放射性辐射影响。122

各种液体的放射性水准

核电站排出的水1～10微微居里／L家用水20″河水10～100″啤酒130″海水350″威士忌酒1200″牛奶1400″123核电站排放物会使人的一生寿命缩短24s。这与因抽烟缩短寿命7～10年相比，可以说微乎其微。减寿因素平均缩短寿命体重超过正常的25%3.6年男性比女性短寿3.0年抽烟每天1盒7.0年每天2盒10.0年居住在城市5.0年1970年核电站辐射小于1分钟2000年核电站发电量小于30分钟124防止放射性泄漏的屏障为了防止放射性裂变物质泄漏，核平安规程对核电站设置了如下7道屏障：陶瓷燃料芯块、燃料元件包壳、压力容器和管道、混凝土屏蔽、圆顶的平安壳构筑物、隔离区、低人口区。有了以上7道屏障，加上核工业和核技术的进步，今后是不再可能发生前苏联切尔诺贝利电站那样的事故的。125核电站的多层平安保护126宾州三哩岛核能事故1979年，美国宾州三哩岛核能电厂发生了严重核能事故，虽然民众并未受到辐射外释的威胁，但是电厂的炉心却已熔损。事情的起因是电厂的工程人员在操作设备时，不慎造成跳机。跳机后电厂释压阀因瞬间高压力开启后，卡在开启的位置而没有关闭回去，结果反响炉冷却水从卡住的阀门流失，因为机组压力下降。但是电厂运转人员并没有觉察冷却水流失，反而在机组压力下降时，错误判断以为反响炉仍然充满冷却水，而将已经自动启动补水的平安注水系统关闭。结果造成反响炉因为冷却缺乏而熔损。这个事件虽然对于民众的健康并无任何影响，但是对于核能工业的打击却非常严重。127切尔诺贝利：传闻与现实1986年苏维埃乌克兰的切尔诺贝利核灾难是唯一危害公众的核能事故。它引起公众对核能的平安性的广泛担忧。但是切尔诺贝利反响堆存在着严重的设计缺陷，而且薄弱的平安措施也没能弥补人为的错误。相反，美国三英里岛意外事件有着完善的保护体系，它从没危害过任何人，现在已成为本工业的全球标准。存在着像切尔诺贝利的严重缺陷的反响堆已经被去除或改造，而且人们也永远不会再建造类似的反响堆。128切尔诺贝利：传闻与现实联合国利用世界一流的辐射专家，对切尔诺贝利事故所产生的健康影响进行彻底的调查，调查不仅限于事故最初死亡的31人。由此次事故引起的1800例甲状腺癌几乎全部成功地治愈。除此之外，事隔15年之后，科学证明该地区远近没有癌症病例的增加。理论上，预计切尔诺贝利事故长期可能造成的影响是3000例晚年癌症死亡。任何这样的增加都是很小的，无法在统计上得到确认。129切尔诺贝利：传闻与现实联合国的官方调查和发现并没有看轻切尔诺贝利事故的严重性。但是这些调查和发现确实反驳了许多骇人听闻的报道并恰当地呈现这一偶然事件。煤矿事故和瓦斯爆炸每年会引起数千例死亡。具有挖苦性的是，这些死亡是如此的平常以至于它们大多数都没有被报道。例如，数十人丧生于一次煤矿事故而几乎不为人所知，即使这次事故在一天内引起的死亡比整个核能史引起的死亡人数还要多。130切尔诺贝利：传闻与现实过多使用燃烧化石燃料对健康的最大影响在于空气污染。世界卫生组织〔WHO〕估计此类污染每年要造成近三百万例死亡。医疗专家预测，到2025年燃烧化石燃料引起的死亡会呈3倍增长。这些消灭性的健康影响相当于在不久的将来每天发生600次“切尔诺贝利污染〞。核能的危害哪怕再被扭曲，也不及它严重。131优良的核平安记录尽管切尔诺贝利事故损坏了核能的形象，此次事故遗留下来的积极面是它促使世界采取更强有力的核平安制度。1989年，核工业建立了世界核操作协会〔WANO〕以培养全球核平安文化。通过私营外交手段，世界核操作协会(WANO)已经建立起了囊括所有核能国家的跨国技术交流网络。今天，世界上所有的核反响堆都是世界核操作协会同行操作检查制度的一局部。132优良的核平安记录世界核操作协会同行操作检查制度的目的是确保它们遵守由联合国国际原子能组织(IAEA)规定的严格平安标准。加强平安操作是不会有任何过失的。在世界上大多数的核工厂里，与平安有关的事故几乎为零。国家与国际保险法把责任分配给核工厂经营者。比方在美国，反响堆经营者分担一个独立共用金保险系统，该保险系统不花纳税人的一分钱。今天，核电站创造了一个优良的平安记录—既包括核电站工人的平安，也包括公众的平安。133优良的核平安记录在运送核原料方面，使用设计精密的能够承受极大冲击力的集装箱是该行业的标准。约有2万个装核废料的集装箱已被平安地运送了总计超过3千万公里的路程。在运送无论是用于研究、医疗、还是核电站的这些和其它辐射性物质的过程中，从来没有发生过有害辐射物质泄漏的事件。134核废料：平安控制和灾难性的散失核能的魔力在于仅从一小把铀元素里就能提取大量的能量，而高浓度铀元素可在地面下找到。核能的废料保持同样少的分量，并能平安地归还地球作为地下储存。由于核能释放那么大的能量而留下来的废料又那么少且易于管理，铀被喻为大自然对洁净经济开展的恩赐。相反，化石燃料产生的废料量太大，而且无法控制回收，因而不得不排放到环境中去。135核废料：平安控制和灾难性的散失根据现行的政策，化石燃料和核能在不同的标准下操作。至于化石燃料产生的废料，政府在公众要求“廉价能源〞的压力下，已允许把环境当作免费的废料场。此外，在大多数的国家，核能的价格已经包含了专门为永久性平安存放和处理核废料而划拨的费用。136核废料的可管理性现代文明制造的大量工业废料需要谨慎的对待和处置。在这些工业废料中，核废料相对而言份量小而易处置。相反，化学废料：总量比核废料大几千倍会永久残存有毒物质在处置问题上相对困难得多由于有效的防御和遏制，民用核能产生的废料从未对人类或自然环境造成伤害。137核废料的可管理性对于高辐射的核废料，需要使用设计完善的长期储存库，让它的辐射量逐渐减弱到自然含量。但废料处理决不是“不能解决〞的问题，由于问题非常少，相对而言，废料处理是核能的优点。全世界的反响堆每年所产生的核废料可以装进一栋篮球场大小的两层楼房里。138地质储存：有科学支持的自然解决方法有没有可以把核废料从生物圈平安隔离开来的稳固的地质储存点？如果对此有疑心，请想一想数万亿升的天然气在地下的同一位置储存了好几百万年。相对而言，需要永久存放的核废料的数量是非常少的。而且它远不是挥发性的气体或液体，它是一种固体的稳定的陶质。139地质储存：有科学支持的自然解决方法大自然为我们提供了很好的“存放〞核废料的例子。大约二十亿年以前，在现在的非洲加蓬所在地，一个富铀矿发生了自发的系列大规模铀反响。从那以后，尽管经历了数千个世纪的热带雨水和地表水的冲刷，那些“反响堆〞所遗留下来的历时长期的辐射“废料〞移动不超过10米。140地质储存：有科学支持的自然解决方法辐射学家，地质学家和工程师为核废料的地下平安存放制定了详尽的方案。一个稳定的地质构造形成了非常可靠的障碍物。“多层构造阻隔物〞提供了额外的保护层，包括瓷质燃料本身及使用寿命长的坚实容器。即使遇到强烈地震或者经过长远的年代，地质储藏库的设计也能确保有害辐射不会到达地面。如果新技术能提供重新利用这些材料或加速辐射衰退的方法，这些废料也可以回收。141预防武器的危害核反响堆并非潜在的炸弹，它的燃料也并非炸药。只有重要的军用工程才能够制造用于核武器的罕有材料。八个国家开展了核武器。超过180个政府承诺不会开展这种武器，并接受了为检测核武器工程工程而设的国际原子能组织(IAEA)的监督检查。所有的核材料必须受到严格关注。但是用于发电的核能并没有增加核武器或核武器扩散的危险。142核电与核弹在核电迅猛开展的今天，公众最关心的仍是核电的平安问题。首先公众提出的第一个问题是：核电站的反响堆发生事故时会不会像核武器一样爆炸？答复是否认的。143核弹是由高浓度〔＞90%〕的裂变物质〔几乎是纯235U或纯239Pu〕和复杂精密的引爆系统组成的，当引爆装置点火起爆后，弹内的裂变物质被爆炸力迅猛地压紧到一起，大大超过了临界体积，巨大核能在瞬间释放出来，于是产生破坏力极强的、消灭性的核爆炸。144核电反响堆的结构和特性与核弹完全不同，既没有高浓度的裂变物质，又没有复杂精密的引爆系统，不具备核爆炸所必须的条件，当然不会产生像核弹那样的核爆炸。核电反响堆通常采用天然铀或低浓度〔约3%〕裂变物质作燃料，再加上一套平安可靠的控制系统．从而能使核能缓慢地有控制地释放出来。145核电站的平安在设计上，核电站是异常巩固的。事实上，它们是有史以来所建造的最巩固的建筑物之一。对于外部防御，这些自然的防御由平安控制和防卫部队而得到加强。尽管不能够防止任何假想攻击的穿透，大多数反响堆的设计都能够防止不可能发生的最严重辐射泄漏。冷酷的现实是，恐怖主义者如欲进行大屠杀，如果选择其它目标，可以更可靠地击中目标并可造成更大的影响。146可控核聚变核聚变反响是在极高温度下发生的。在这种极高的温度下，参加反响的原子〔氘原子、氚原子等〕的核外电子都被剥离，成为裸露的原子核，这种由完全带正电的原子核〔离子〕和带负电的电子构成的高度电