核能的利用与发展前景

核能的利用与发展前景

上世纪两次石油危机给西方国家的经济带来沉重的打击，同时也大大促进了全球范围内可再生能源的发展。从20世纪70年代开始，尤其是近年来，可再生能源已逐渐成为常规化石燃料的一种替代能源，世界上许多国家或地区将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分：美国的加利福尼亚，2017年20%的电力将来自可再生能源（2002年已经达到12%）；欧盟，2010年22%的电力或整个能源的12%将来自可再生能源（1999年可再生能源电力为14%，1997年占整个能源的6%）；德国，2020年20%的电力和2050年整个能源的50%将来自可再生能源（2002年电力占6.8%）；日本，2010年光伏发电要达到483万千瓦（2003年为88.7万千瓦）；拉丁美洲，2010年整个能源的10%要来自可再生能源。

新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。

新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。

据世界断言，石油，煤矿等资源将加速减少。核能、太阳能即将成为主要能源。本文重点分析核能作为新能源的优缺点和发展前景，具体到最新技术的发展，以及在其利用过程中可能会面临的问题等。

核能（或称原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=m c²;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三

种核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。

因此，运用核能进行发电就是运用这三种核反应之一进行。第三种方式反应速度太慢，得到的功率过少，因此人们放弃第三种方式，开始着手研究第一二种方式，竭力发展相应的新技术使对巨大的核能的利用成为可能。

目前商业运转中的核能发电厂都是利用核分裂反应而发电。核电站一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统），使用的燃料一般是放射性重金属：铀、钚。

与常规能源相比，目前商业运转中的核能发电厂有如下的优点：

1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。

2.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。

3.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。

4.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。

5.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。

对于核聚变，目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。

所以如何发展核聚变技术就成为核工程者要全力解决的一个重要问题。

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和

高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。因此，核聚变反应又叫做“热核反应”。

原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应（参见核聚变）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。

20世纪50年代，位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人经过深入研究，穷心竭志，终于发明了托卡马克装置。

托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布苏联在托卡马克上实现了控核聚变研究的重大突破。从此，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。

虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而

压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。

虽然这种方法和原理都不太复杂，但是实践起来还是存在不少问题，比如现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，再加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。

半个世纪以来，聚变研究取得了巨大的进展。但是，在1992年的欧洲SOFT会议开幕式上，Umberto Colombo就指出:“虽然聚变研究取得了重要的进展(91年11月JET的首次实验从聚变得到可观的能量就是说明)，但是我们并未缩短到达商用聚变堆的距离。”

从1996年以来，美国执行其重建聚变能科学计划，把聚变研究从围绕ITER的技术研究转到基础科学研究上来。1998年，美国正式退出了ITER 国际聚变研究计划。从此，美国聚变界从1996年起，研究工作打破了托卡马克主导一切的局面，全面活跃。1999年7月，来自美国和世界的350名聚变科学家参加了历时两周的会议，讨论聚变所有的重大问题，为加强磁聚变和惯性聚变之间、科学和技术问题之间、聚变的基本理解和应用之间相互作用提供了一个重要的论坛。确认，磁约束聚变的下一个前沿课题是燃烧等离子体科学，并且认为，从技术上讲，托卡马克为进行燃烧等离子体实验已做好了准备。几年来，美国的聚变技术研究得到了很大发展，并提出了不少创新慨念，为下一步聚变装置和向着未来聚变堆前进提供了重要机遇。

从等离子体技术开始，等离子体面对部件(PFC)和等离子体与材料的相互作用，磁体技术，氚燃料和氚化的废气流的安全操作、在内部部件中氚的滞留量及其装料的最小化、对氚和活化产物的流动与释放的认识，远距离操作和维修的改进，等离子体腔体技术，聚变材料计划等等一系列技术和计划的实行，使现有的和近期的等离子体实验能达到它们的性能目标，并