核能及其應(yīng)用

洛南倉(cāng)頡學(xué)校黃嶸核能及其應(yīng)用新能源----時(shí)代的呼喚

目前困擾人類社會(huì)的三個(gè)主要問(wèn)題是什么？

（環(huán)境污染，自然資源（主要是能源）短缺和人口爆炸性增加）其中至少有兩個(gè)（環(huán)境污染和能源）可以靠核能能得到緩解。那么什么是核能，它是怎樣產(chǎn)生的，有什么優(yōu)點(diǎn)，它與我們常聽(tīng)說(shuō)的核武器有什么聯(lián)系呢？今天我們就來(lái)探討這一問(wèn)題。

眾所周知，能源是一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)之一，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)有力的保證。人類進(jìn)化發(fā)展的過(guò)程，是一部不斷向自然界索取能源的歷史。從我們的祖先鉆木取火開始，人類在與大自然斗爭(zhēng)的漫長(zhǎng)過(guò)程中，利用各種能源，不斷提高自己戰(zhàn)勝自然的本領(lǐng)，推動(dòng)著文明的進(jìn)步?，F(xiàn)代社會(huì)中能源的人均消費(fèi)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展程度和人民生活水平高低的重要標(biāo)志之一。按現(xiàn)在的能源消耗，世界上的石油、天然氣和煤等生物化石能源將在幾十年至200年內(nèi)逐漸耗盡這些地區(qū)及我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大障礙。煤、石油、天然氣是重要的華工原料，用作燃料燒掉非常可惜。同時(shí)，大量燃燒煤炭和石油嚴(yán)重地污染了環(huán)境，危及生態(tài)平衡。因此我國(guó)迫切需要一種新能源----核能。

在傳統(tǒng)的能源構(gòu)成中，火力發(fā)電和水力發(fā)電都有其局限性。例如，煤炭和石油發(fā)電時(shí)，在消耗了大量寶貴的化石資源的同時(shí)，放出的廢氣嚴(yán)重地污染了環(huán)境，使人們的生存空間越來(lái)越惡劣；另外大量的燃料需求又給交通運(yùn)輸部門增添了沉重的負(fù)擔(dān)。而水力發(fā)電方面，因?yàn)槟壳爸挥薪影l(fā)電形成規(guī)模，其它尚未達(dá)到工業(yè)利用程度，所以，水力資源的發(fā)達(dá)程度就限制了其發(fā)展的空間。而核能作為一種新型的能源，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性。它利用地球中蘊(yùn)藏豐富的放射性同位素鈾的裂變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大的能量來(lái)發(fā)電，效率既高又不污染環(huán)境。理論上來(lái)說(shuō)，1公斤的鈾全部裂變所釋放出的裂變能，大約相當(dāng)于2500噸煤或2000噸的石油燃燒時(shí)所釋放出的能量。隨著世界各國(guó)環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，核能的重要性正在逐步被認(rèn)識(shí)到，各國(guó)對(duì)發(fā)展核能的投入也呈穩(wěn)定上升的趨勢(shì)。相信在下個(gè)世紀(jì)中，核能必將得到更廣闊的發(fā)展空間，這一優(yōu)秀的能源形式必將得到更大的發(fā)展，從而使其更好地服務(wù)于人類和造福于人類。

核能的研究發(fā)展——從原子彈說(shuō)起原子彈是科學(xué)技術(shù)的最新成果迅速應(yīng)用到軍事上的一個(gè)突出的例子。從1939年發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象到1945年美國(guó)制成原子彈，只花了6年時(shí)間。1939年10月，美國(guó)政府決定研制原子彈，1945年造出了三顆。一顆用于試驗(yàn)，兩顆投在日本。1945年8月6日投到廣島的原子彈，代號(hào)為“小男孩”，重約4.1噸，威力不到20000噸。同年8月9日投到長(zhǎng)崎的原子彈，代號(hào)為“胖子”，重達(dá)4.5噸，威力約20000噸。其他國(guó)家爆炸第一顆原子彈的時(shí)間是：原蘇聯(lián)——1949年8月29日；英國(guó)——1952年10月3日；法國(guó)——1960年2月13日；中國(guó)——1964年10月16日，印度——1974年5月18日。1945年7月16日清晨5時(shí)30分，世界上第一顆原子彈在美國(guó)新墨西哥州的沙漠地區(qū)爆炸成功，發(fā)射場(chǎng)的溫度高達(dá)1億華氏度，等于太陽(yáng)表面溫度的1萬(wàn)倍。發(fā)射區(qū)1.6公里內(nèi)的所有生物全都蕩然無(wú)存。離發(fā)射場(chǎng)800米的一座32噸重的鋼塔成了一堆扭曲的廢物。發(fā)射場(chǎng)周圍800米的沙粒被融化成玻璃體，綠色透明似翡翠。事后的測(cè)算表明，這次爆炸試驗(yàn)為1.86萬(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量是預(yù)期的4倍。1945年8月6日和9日，美國(guó)分別在日本廣島和長(zhǎng)崎兩市投下原子彈，使其遭到致名打擊，8月15日，日本無(wú)條件投降。據(jù)廣島、長(zhǎng)崎兩市1977年《致聯(lián)合國(guó)的報(bào)告》稱，在原子彈襲擊中的死者和失蹤者，廣島約有15萬(wàn)，長(zhǎng)崎約8萬(wàn)。迄今為止，因原子彈轟炸而死去的人廣島已達(dá)22萬(wàn)多，長(zhǎng)崎超過(guò)12萬(wàn)。

今天，核武器僅僅是作為政治對(duì)抗中的威懾力量，因?yàn)槿魏我粋€(gè)國(guó)家一旦首先使用核武器，也就意味著自身的滅亡。政治家其實(shí)對(duì)核戰(zhàn)爭(zhēng)毀滅性的破壞認(rèn)識(shí)得比軍人更清楚1964年10月16日，我國(guó)爆炸了第一顆原子彈，成功地進(jìn)行了第一次核試驗(yàn)。原子彈爆炸的成功吸引了全世界的目光，一夜之間中國(guó)跨進(jìn)了核大國(guó)行列，全世界刮目相看。在這個(gè)追求實(shí)力的世界上，不斷發(fā)生著以強(qiáng)凌弱的事情，伊拉克、南聯(lián)盟這些無(wú)遠(yuǎn)程打擊力量的中小國(guó)家的敗局從反面說(shuō)明中國(guó)擁有原子彈的價(jià)值。核能的產(chǎn)生原理

是由質(zhì)子、中子、和電子組成的。原子世界上一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。任何原子都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。

核能在50多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈾-235原子核在吸收一個(gè)中子以后能分裂，同時(shí)放出2-3個(gè)中子和大量的能量，放出的能量比化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量大得多，這就是核裂變能，也就是我們所說(shuō)的核能。同位素質(zhì)子數(shù)P相同而中子數(shù)N不同的一些原子，或者說(shuō)原子序數(shù)Z相同而原子質(zhì)量數(shù)不同的一些原子，它們?cè)诨瘜W(xué)元素周期表上占據(jù)同一個(gè)位置，稱為同位素。所以，“同位素”一詞用來(lái)確指某個(gè)元素的各種原子，它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)。

原子核一般是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，最簡(jiǎn)單的氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子、原子核中的質(zhì)子核數(shù)（即原子序數(shù)）決定了這個(gè)原子屬于何種元素，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和稱該原子的質(zhì)量數(shù)。

鈾是自然界中原子序數(shù)最大的元素。它是一種金屬，在地殼中含量為四百萬(wàn)分之一。天然鈾由幾種同位素構(gòu)成：除了0.71%的鈾-235（235是質(zhì)量數(shù)）、微量鈾-234外，其余是鈾-238。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。（見(jiàn)圖１）

鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)裂變反應(yīng)是由中子引起的，而反應(yīng)結(jié)果又產(chǎn)生了新的中子。如果能用新的中子引起新的核裂變，裂變反應(yīng)就能連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，同時(shí)不斷產(chǎn)生能量。這種反應(yīng)就叫做鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。

原子核裂變過(guò)程核能電廠系統(tǒng)了解核能電廠的發(fā)電原理后，下一步便來(lái)看如何將這些核分裂所產(chǎn)生的熱，變成有用的電。這有賴核能電廠內(nèi)的各個(gè)重要的系統(tǒng)來(lái)完成。核反應(yīng)堆與鍋爐核反應(yīng)核能發(fā)電的熱源來(lái)自于放射性同位素的裂變能。其中主要是鈾的同位素，它們?cè)诎l(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)可以釋放出巨大的能量。它們通常以氧化物的形式被制成棒狀，作為燃料。在反應(yīng)堆這一特殊裝置中，人為地使其實(shí)現(xiàn)自持性的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而使熱能持續(xù)地釋放出來(lái)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組來(lái)發(fā)電。

反應(yīng)堆，原子彈爆炸時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度是無(wú)法控制的，為了使核能具有實(shí)用價(jià)值，必須用人工方法控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能比較平穩(wěn)地釋放出來(lái)，核反應(yīng)堆就是用來(lái)控制反應(yīng)速度的裝置。反應(yīng)堆種類很多，核電站中使用最多的是壓水堆。壓水堆中首先要有核燃料。核燃料是把小指頭大的燒結(jié)二氧化鈾芯塊，裝到鋯合金管中，將三百多根裝有芯塊的鋯合金管組裝在一起，成為燃料組件。大多數(shù)組件中都有一束控制棒，控制著鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的強(qiáng)度和反應(yīng)的開始與終止。由于快中子容易被鈾238俘獲而不發(fā)生裂變，必需設(shè)法使快中子變成慢中子，為此在鈾棒周圍放上不吸收或很少吸收中子的物質(zhì)，使快中子跟這些物質(zhì)的原子核碰撞后，能量減少，變成慢中子。這種物質(zhì)叫減速劑。常用的有石墨、重水和普通水。此外為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈俚，使鎘棒插入深一些；當(dāng)反應(yīng)過(guò)于緩慢，達(dá)不到所需功率時(shí)，使鎘棒插入淺一些。鎘棒叫控制棒。

壓水堆以水作為冷卻劑在主泵的推動(dòng)下流過(guò)燃料組件，吸收了核裂變產(chǎn)生的熱能以后流出反應(yīng)堆，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，在那里把熱量傳給二次側(cè)的水，使它們變成蒸汽送去發(fā)電，而主冷卻劑本身的溫度就降低了。從蒸汽發(fā)生器出來(lái)的主冷卻劑再由主泵送回反應(yīng)堆去加熱。冷卻劑的這一循環(huán)通道稱為一回路，一回路高壓由穩(wěn)壓器來(lái)維持和調(diào)節(jié)

核能電廠與一般火力電廠最主要的差別在于發(fā)電所需的熱功率來(lái)源的不同。由于核能發(fā)電是屬高能量密度能源的使用，如何有效、安全的將分裂所放出大量的熱，經(jīng)由冷卻劑帶出是整個(gè)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.爐心架構(gòu)與壓力槽燃料是主要產(chǎn)生熱的地方。它的型式是做成燃料丸的樣子。將燃料丸疊起來(lái)密封在鋯合金所鑄成的封套內(nèi)，成為燃料棒。多根燃料棒再組起來(lái)，擺成一矩陣架構(gòu)，稱為燃料組件。兩三百個(gè)的燃料組件再合并在一起，成為爐心。爐心再置于一耐高壓的壓力槽內(nèi)。圖2。

爐心架構(gòu)與壓力槽3.冷卻劑

冷卻劑在發(fā)熱的燃料棒間的信道，由下往上流動(dòng)，將熱帶出爐心與壓力槽之外。由于發(fā)電時(shí)必需藉高溫及高壓的水蒸汽推動(dòng)汽機(jī)，冷卻劑可以直接在爐心內(nèi)沸騰，產(chǎn)生水蒸汽。冷卻劑也可以將熱交給另外的蒸汽產(chǎn)生器，去產(chǎn)生發(fā)電要用的水蒸汽。圖3

冷卻劑4.控制棒

用以控制核分裂反應(yīng)，分置于爐心不同位置。可做為熱功率的微調(diào)，也可做為緊急停機(jī)之用。通常其所使用的材料，吸收中子能力特強(qiáng)，以用來(lái)影響中子循環(huán)的平衡，進(jìn)而控制核分裂反應(yīng)。圖4。

控制棒5.屏蔽系統(tǒng)防護(hù)體

另外還有比較重要的正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的系統(tǒng)，如屏蔽及防護(hù)體。防護(hù)體及其內(nèi)部粗厚的混凝土鋼筋建筑物，形成了很有效的放射線屏蔽。防護(hù)體的鋼襯則做為保障其結(jié)構(gòu)的密閉性用。圖5。

屏蔽系統(tǒng)防護(hù)體

確保核電站安全的措施

為了確保壓水反應(yīng)堆核電站安全，從設(shè)計(jì)上采取了所能想到的最嚴(yán)密的縱深防御措施。

四道屏障

為防止放射性物質(zhì)處逸設(shè)置了四道屏障：

1、燃料芯塊；

2、密封的燃料包殼；

3、堅(jiān)固的壓力容器和密閉的一回路系統(tǒng)；

4、安全殼。

多重保護(hù)

在出現(xiàn)可能危及設(shè)備和人身安全的情況時(shí)：

1、進(jìn)行正常停堆

2、因任何原因未能正常停堆時(shí)，控制棒自動(dòng)落入堆內(nèi)，實(shí)行自動(dòng)緊急停堆；

3、如因任何原因控制棒未能插入，高深度硼酸水自動(dòng)噴入堆內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急停堆。

對(duì)一切重要設(shè)備都采取了類似的多種保護(hù)措施，如設(shè)置了兩路獨(dú)立的可靠的外電源，當(dāng)一路外電源因事故停電時(shí)，可自動(dòng)切換到另一路供電。萬(wàn)一兩路外電源同時(shí)斷電怎么辦？不要緊。核電站里還有由柴油發(fā)電機(jī)提供的緊急備用電源。

專設(shè)安全設(shè)施

人們常用“萬(wàn)無(wú)一失”來(lái)形容一件事物的安全可靠，而核電站為這極不可能出現(xiàn)的“一失”出作了周密準(zhǔn)備，這就是專設(shè)安全設(shè)施。

我們可以設(shè)想這“一失”是管壁很厚的一回路主管道斷裂了。這時(shí)專設(shè)安全設(shè)施投入工作，首先向堆內(nèi)高壓注水，防止堆內(nèi)“燒干”；壓力降低后，低村注水系統(tǒng)工作，繼續(xù)向堆內(nèi)注水冷卻。與此同時(shí)，安全殼與外界自動(dòng)隔離；安全部頂?shù)膰娏芟到y(tǒng)自動(dòng)噴淋冷水，降低安全殼的溫度和壓力；消氫系統(tǒng)投入工作，除去可能引起爆炸的氫氣。

質(zhì)量保證體系

核電站有著嚴(yán)密的質(zhì)量保證體系。對(duì)選址、設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和運(yùn)行等各個(gè)階段的每項(xiàng)具體活動(dòng)都有單項(xiàng)的質(zhì)量保證大綱。

另外，還實(shí)行內(nèi)部和外部監(jiān)查制度，監(jiān)督檢查質(zhì)量保證大綱和初稿情況和是否起到應(yīng)有的作用。

質(zhì)量保證體系對(duì)參加核電站工作的人員的選擇、培訓(xùn)、考核和任命有著嚴(yán)格的規(guī)定。以操縱員為例，要求選擇基本素質(zhì)好，有一定學(xué)歷和工作經(jīng)驗(yàn)的人員，經(jīng)過(guò)課堂、核電站模擬機(jī)和核電站實(shí)際運(yùn)行培訓(xùn)，再通過(guò)國(guó)家級(jí)的考試領(lǐng)取操縱員執(zhí)照，然后才能上崗。上崗工作以后，還要進(jìn)行再培訓(xùn)和定期考核，不合格都將被吊消執(zhí)照。設(shè)置國(guó)家協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)

國(guó)務(wù)院核電領(lǐng)導(dǎo)小組及國(guó)家計(jì)委核電辦公室負(fù)責(zé)核電建設(shè)和安全管理的指導(dǎo)協(xié)調(diào)。

設(shè)立國(guó)家主管機(jī)構(gòu)

國(guó)務(wù)院授權(quán)中國(guó)核工業(yè)總公司行使對(duì)核電站的主管職能，作為核電站安全運(yùn)行的領(lǐng)導(dǎo)者，中國(guó)核工業(yè)總公司內(nèi)專設(shè)了核電站建設(shè)、運(yùn)行和安全防護(hù)管理監(jiān)督局，加強(qiáng)對(duì)核安全的專門領(lǐng)導(dǎo)、指導(dǎo)、管理和監(jiān)督國(guó)家為保證核電站安全采取的措施

建立國(guó)家核安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)

1984年10月我國(guó)成立了國(guó)家核安全局，作為國(guó)家的核安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)，其基本職能是依照我國(guó)的法律、法規(guī)，對(duì)民用核設(shè)施實(shí)行獨(dú)立的安全審評(píng)和監(jiān)督。國(guó)家環(huán)境保護(hù)局、勞動(dòng)部和衛(wèi)生部分別負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境質(zhì)量、職業(yè)安全和人身安全進(jìn)行獨(dú)立的監(jiān)督檢查和審評(píng)。

制定和完善核安全防護(hù)法規(guī)體系

國(guó)務(wù)院已頒布《中華人民共和國(guó)民用核設(shè)施安全監(jiān)督管理?xiàng)l例》，國(guó)家核安全局、環(huán)境保護(hù)局、勞動(dòng)部和衛(wèi)生部等部門還頒布初稿有關(guān)核電站廠址選擇、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、質(zhì)量保證、輻射防護(hù)和廢物管理、職業(yè)安全衛(wèi)生等安全規(guī)定以及輻射防護(hù)基本標(biāo)準(zhǔn)等。中國(guó)核工業(yè)總公司頒布了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以后還將頒布一些法規(guī)，逐步形成完善配套的核安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

實(shí)行核設(shè)施安全許可證制度

核電站在建造和運(yùn)行前其營(yíng)運(yùn)單位要向國(guó)家核安全局提出安全許可證申請(qǐng)書，提交初步和最終安全分析報(bào)告并向國(guó)家環(huán)境保護(hù)局提交環(huán)境影響報(bào)告書。國(guó)家核安全局和環(huán)境保護(hù)局分別組織有關(guān)專家對(duì)報(bào)告書進(jìn)行審評(píng)，就存在問(wèn)題向核安全和環(huán)境保護(hù)專家委員提出咨詢，并征詢國(guó)務(wù)院有關(guān)部委和地方人民政府的意見(jiàn)，在建造、運(yùn)行條件完全符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定后才頒布建造和運(yùn)行安全許可證。營(yíng)運(yùn)單位只有獲得安全許可證才能開展相應(yīng)的工作。

核電站不會(huì)像原子彈那樣發(fā)生爆炸

核燃料中有效成分是鈾－235，鈾－235同樣也是原子彈中的核炸藥