能源化学

能源化学

核能

专 业：

应用化学

学 号：

10055231

姓 名：

李昊辰

核能的开发与利用

摘要：经济的发展、能源的短缺，促使核电工业迅速崛起。核能以其独有的优势受到了世界各国的重视与欢迎。然而在发展核技术的同时也给周围环境造成了一定程度的放射性污染。本文介绍了产生核能的原理以及核能所具有的各种优势；归结了国内外核能技术的发展情况及前景以及放射性污染的危害，综合阐述了发展核能的必要性。

关键词：核能开发利用放射性必要性

背景：进入改革开放30多年以来，我国经济高速发展，而作为支撑我国经济高速发展的支柱之一，能源在其中占据了举足轻重的地位。而在全世界范围内，不管是政治、经济活动；还是人类日常的生活方式都离不开对能源的依赖。但随着消费量不断的增加，地球化石原料（石油、天然气、煤）的使用年限越来越短以及环境破坏日益严重，开发新能源已成为人类一项迫切和重要的任务。与传统能源相比，核能具有高能效、低污染、经济、可持续发展的优点。对核能技术的应用也将变得越来越广泛。我国出台的“十一五”核电规划提出，到2020 年，核电装机容量将达到4000 万千瓦，将占全国发电量的4％，平均每年就要兴建一个相当于大亚湾核电站的核电站。作为主要核电能源，铀矿资源在我国湘、赣、粤等地区已被大量开采。此外，由于核武器等战略能源储备以及民用科研需要，开发越来越多的铀矿和伴生放射性矿产资源已是大势所趋。然而，对核能的开发与利用是一把双刃剑，一旦核泄漏造成放射性污染，对世界来说又将是巨大的灾难。

核能技术：“核能”来源于保持在原子核中的一种非常强的作用力——核力。核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。取得核能的方式有两种：一是目前已达到实用阶段的核裂变方式，二是目前还处于研究试验阶段的核聚变方式。

自然界中的所有物质，将它们进行化学分解，就能分出氢、氧、铀等多种元素。这些元素结合起来便形成物质。保持物质性质的最小单位为分子。分子还可以分成原子，原子是代表元素的最小单位。原子由一个带正电荷的原子核和围绕该原子核周围的带负电荷的电子组成。原子核由质子和中子构成。

1．核裂变：铀-235是自然界中存在的一种易于发生裂变的元素。当使用一个中子轰击铀-235原子核时，这个原子核能分裂成两个较轻的原子核，同时产生2到3个中子和β、γ等射线，并放出能量。如果新产生的中子又打中另一个铀—235原子核，引起新的裂变。以此类推，这样就使裂变反应不断地持续下去，这就是链式裂变反应。在链式反应中，核能就连续不断地释放出来。目前建成的核电站其原理均是利用铀的裂变能。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270万倍。这就意味着，一座100万千瓦的火电厂每年要烧掉约330万吨煤，而同样容量的核电站一年只需耗用大约1．2吨核燃料。

核裂变示意图

2.核聚变：在1938年发现铀核裂变的前5年，人们就已经发现了核聚变。都带正电的原子核间由于核力的作用既彼此吸引又互相排斥，当两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的静电斥力也越来越大。当两个原子核之间相距只有约3x10-12(万亿分之三)毫米时，它们之间的吸引力才会大干静电斥力，两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量，这就是核聚变。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘(dao)、氚(chuan)等。

核聚变示意图

与核裂变相比，核聚变发电有着无可比拟的优点：

(1)能量巨大。核聚变比核裂变释放出更多的能量。例如，铀-235的裂变反应，将0．1％的物质变成了能量；而氘的聚变反应，将近0．4％的物质变成了能量。

(2)资源丰富。重核裂变使用的主要原料是铀，目前探明的储量仅够使用几十年；而轻核聚变使用的是海水中的氘，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”，地球上海水中就有45万亿吨氘，足够人类使用数百亿年。而且地球上锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。因此受控核聚变的燃料取之不尽、用之不竭。

(3)成本低廉。1千克氘的价格只为1千克浓缩铀的1／40。

(4)安全、无污染核。聚变不产生放射性污染物，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会发生爆炸。

但是，实现核聚变的条件十分苛刻，为了使2个原子核聚变，必须使两个原子核的一方或双方有足够的能量，去克服彼此之间的静电斥力，满足这样的条件需要几千万甚至几亿摄氏度的高温。因此，核聚变技术还没有应用在我们的日常生活中。

核能技术的应用——核能发电

核能发电（nuclear electric power generation ）：利用核反应堆中核裂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，其他类型的动力堆都是以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个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。

其具体过程为：核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能

与传统的火力发电相比,利用核裂变所产生的能量发电具有无可比拟的优势，其具体体现在以下几个方面：

（1）高能效——铀是高能量的核燃料，1千克铀可供利用的能量相当于燃烧2050吨优质煤，其能量密度比起化石燃料高上几百万倍。

（2）低污染——目前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。

（3）经济性——核能具有巨大的能量。举例而言，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，这和目前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。以发电成本衡量（构成核能发电成本的因素很多，包括基建投资费用、安全防护费用、核燃料费用，以及核电站退役处理费用），据美国1984年统计,核电成本为2.7美分/千瓦时，而燃煤的发电成本为3.2美分/千瓦时，燃油发电成本为6.9美分/千瓦时。

（4）可持续发展——世界上有比较丰富的核资源，核燃料有铀、钍氘、锂、硼等等。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，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。以目前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。

国内外核能发展现状以及前景

截至2006年，全世界在运转中的核反应堆达435座，其中有29座以上正在建设中。美国运转的核电站最多，为103座。法国次之，为59座。日本为55座（1座以上在建设中），俄罗斯为31座（7座以上在建设中）。

拥有核能发电的30个国家中，由核能供电的份额变化较大。其中法国高达占78%，比利时占54%、韩国占39%、瑞士占37%、日本占30%、美国占19%、南非占4%和中国占2%。

现在核能发电站的扩建集中在亚洲：至2006年底建设中的29座就有15座在亚洲。最近建设的36座核反应堆已与电网联网的有26座在亚洲。印度核能发电所占比例现小于3%，但至2006年底，拥有建设中核电站的1/4，在建设中29座核电站中拥有7座。印度的计划更令人印象深的是：到2022年将增长8倍，达到电力供应的10%；到2052年将增长75倍，达到电力供应的26%。75倍的增长意味着年均增长9.4%，与全球1970~2004年的平均增长率相同。

中国的核工业在五十年代中期开始建立,现已形成比较完整的核工业体系。八十年代初中国核电开始起步，其自行设计建造的秦山30万千瓦压水堆核电站，于1985年3月正式开工,1991年12月并网发电。利用外资和引进国外成套设备兴建的大亚湾核电站两台90万千瓦机组，于1987年8月开工建设，1994年投入商业运行。“九五”期间有4个核电项目8台机组开工建设，总装机容量为660万千瓦。它们分别是：1996年6月开工建设的秦山二期核电站两台60万千瓦压水堆机组，1997年5月开工建设的岭澳核电站两台100万千瓦级压水堆机组，1998年6月开工建设的秦山三期核电站两台70万千瓦级重水堆机组，这三个项目均于2003年建成投产；于1999年10月开工建设的田湾核电站两台100万千瓦级压水堆机组，则于2005年建成投产。自八十年代初核电起步以来，中国在核电站的建设和运行、前期准备工作、国产化、有关法规和管理体系的建立等方面做了大量的工作，并取得了相当的进展，为今后的发展奠定了基础。中国通过6个核电项目11台机组的建设，现已形成基本配套的核动力、核燃料科研开发工业体系；积累了科研、设计、建设、运行等一整套宝贵经验；培养和造就了一支专业齐全，具有相当实力的科研、设计和工程建设队伍，建立了一批大型

实验台架，进行了大量科研攻关和设计研究。通过在建项目的实施，掌握了较多的设计资料，积累了大型核电站的工程建设和项目管理经验，国产化能力有了较大的提高。并且已经逐步建立了比较完整的核燃料循环体系，初步形成了从铀矿地质勘查、铀矿采冶、铀同位素分离、核燃料元件制造、乏燃料后处理直至核废物处理与处置等完整的核燃料循环工业体系。特别是改革开放三十年来，在与国际广泛交流的基础上，引进和开发了先进的技术和工艺，在核燃料生产的几个主要环节上，实现了更新换代，不仅对提高产品质量、降低生产成本等发挥了重要的作用，而且可以满足或基本满足中国核电更大发展的需求。此外，在核能技术开发方面，中国已在先进压水堆、快中子增殖堆、高温气冷堆和低温供热堆方面开展了不少工作。

2007年10月初，经国务院批准，国家发改委对外发布我国《核电发展专题规划(2005-2020年)》。根据规划，在未来的13年中，我国将新增投产2300万千瓦核电站。到2008年，国家统一明确了鼓励核电发展的税收政策，积极推进核电建设，改善中国的能源供应结构，以保障能源安全和经济安全，保护环境。同时，中国正在加大能源结构调整力度，官方正计划调整核电中长期发展规划，加快沿海核电发展，力争2020年核电占电力总装机比例达到百分之五以上。之前在核电规划中，核电比重为百分之四。中国目前建成和在建的核电站总装机容量为870万千瓦，预计到2010年中国核电装机容量约为2000万千瓦，2020年约为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，近期发展热中子反应堆核电站；为了充分利用铀资源，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。

核能技术的隐患——放射性污染

正如世间没有完美的事物，核能的开发与利用是一把双刃剑，一旦造成放射性污染，后果不堪想象。核能的开发与利用是一把双刃剑，一旦造成放射性污染，后果不堪想象。核电站在正常运行期间，不可避免地要向环境排放放射性污染物。核电站排放的气态放射性污染物包括:85Kr、133Xe、135Xe、131I、133I、90Sr、137Cs、14C 以及3H 等;液态放射性流出物包括：3H、54Mn、58Co、60Co、110Ag、 124Sb、131I、90Sr、134Cs 和137Cs 等，这些放射性核素排放至海里将对生态环境带来一定程度的影响。

放射性污染具有以下特性:

(1)与一般化学毒害物质污染不同，放射性污染通常是无嗅无色，其放射性与物质的化学状态无关，很不容易察觉。

（2）每一种放射性核素都有一定的半衰期，不因气压、温度而改变。有的放射性核素的半衰期极长，而有些则只有几分钟甚至几秒。对于短半衰期（小于1-10 年）的放射性核素通常采取隔离，让其自然衰变就可以减少放射性污染。因此，科研人员关注更多的是，半衰期超过10 年的放射性核素在环境中的污染行为。

（3）通常放射性核素都能发射出具有一定能量的一种或几种射线（α、β、γ射线）。除了核反应条件外，任何化学、物理、生物的处理都不能改变放射性核素的性质，但放射性核素能随着介质的扩散或流动在自然界中迁移，并进入植物、动物、人体内被吸收、富集。

（4）放射性核素被动物和人体吸收富集后，其电离辐射会引起生物组织内分子和原子电离，破坏组织中的大分子结构，威胁健康。其损伤方式有急性的，但多数情况下为慢性的、隐性的（远期效应、躯体效应、遗传效应），往往不易察觉，所以必须要预先排查，防患于未然。

核能的开发与利用是一个世界范围的议题，西方发达国家比我们更早地意识

到潜在的污染与问题。不少发达国家的核能开发与利用比我国早起步10-20 年，随之而来的放射性污染也较早地出现，如：前苏联的切尔诺贝利核电站和美国核电站事故；美国、澳大利亚、葡萄牙等国的铀矿污染，加拿大、波兰、蒙古和罗马尼亚等国的核污染问题；这些都是在核能开发与利用中的前车之鉴。为此，必须要重视放射性核素与环境关系的研究。

结论

与传统化石能源以及太阳能、风能等新能源相比，核能拥有高效、清洁、经济等诸多优点。从以上论述来看，对核能的开发与利用可以有效地解决人类能源紧缺的问题，自然界中丰富的核资源也可以免去人们对于能源枯竭的担忧。核电站的基建费用是火力发电厂的1.5到2倍，但其运行成本及维修费用却比火力发电厂要便宜不少，再加上原料成本等因素综合考量，利用核能技术发电可以大大节约成本。与拥有核技术的其它国家相比，我国对核能的研究起步较晚，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。在发展核技术的同时，不能忽视的一点是核技术带来的放射性污染，目前世界上还没有能有效解决和污染的方法，因此在发展核技术的同时也不能放松对放射性污染与环境关系的研究。

参考：

①https://www.360docs.net/doc/1d11023715.html,/view/105748.htm

②https://www.360docs.net/doc/1d11023715.html,/view/22222.htm

③https://www.360docs.net/doc/1d11023715.html,/view/b52a83a6f524ccbff1218436.html?from=rec&pos=0&weight=15&lastw

eight=7&count=5

④https://www.360docs.net/doc/1d11023715.html,/view/fed006d8ad51f01dc281f1bd.html?from=rec&pos=0&weight=90&lastw

eight=52&count=5

⑤https://www.360docs.net/doc/1d11023715.html,/view/1e1f9c04eff9aef8941e062f.html?from=rec&pos=2&weight=12&lastw

eight=8&count=5

⑥https://www.360docs.net/doc/1d11023715.html,/f/14676788.html?from=like&retcode=0

⑦https://www.360docs.net/doc/1d11023715.html,/f/11279402.html?from=like

⑧李华. 源于大亚湾核电站气态排出物中的放射性核素浓度计算. 辐射防护,2007,27(4)：233.

⑨江年(摘). 美国核反应堆发生放射性泄漏. 中国环境科学，2007，27（2）：230.