(完整版)核能及其应用

1 物理科普讲座 核能及其应用 肖国勇 新能源 ---- 时代的呼唤 目前困扰人类社会的三个主要问题是什么？ （环境污染，自然资源（主要是能源）短缺和人口爆炸性增加）。 其中至少有两个（环境污染和能源）可以靠核能能得到缓解。那么什么是核能，它是怎样产生的，有什么优点，它与我们常听说的核武器有什么联系呢？今天我们就来探讨这一问题。 众所周知，能源是一个国家国民经济的重要基础之一，是国民经济可持续发展的强有力的保证。人类进化发展的过程，是一部不断向自然界索取能源的历 史。从我们的祖先钻木取火开始，人类在与大自然斗争的 漫长过程中，利用各种能源，不断提高自己战胜自然的本 领，推动着文明的进步。现代社会中能源的人均消费已经 成为衡量一个国家发展程度和人民生活水平高低的重要标 志之一。按现在的能源消耗，世界上的石油、

天然气和煤 等生物化石能源将在几十年至200年内逐渐耗尽。 国民经济要发展，能源是基础。我国生物化石资源和水利 资源分布极不平均，60%的煤矿集中在华北，70%以上的水 利资源在西南，而我国的工业和人口集中在华东、华南沿 海和东北地区，能源的短缺成为这些地区及我国经济发展 的巨大障碍。煤、石油、天然气是重要的华工原料，用作 燃料烧掉非常可惜。同时，大量燃烧煤炭和石油严重地污 染了

环境，危及生态平衡。因此我国迫切需要一种新能源 ---- 核能。 在传统的能源构成中，火力发电和水力发电都有其局限性。例如，煤炭和石油发电时，在消耗了大量宝贵的化石资源的同时，放出的废气严重地污染了环境，使人们的生存空间越来越恶劣；另外大量的燃料需求又给交通运输部门增添了沉重的负担。而水力发电方面，因为目前只有江河发 2

电形成规模，其它尚未达到工业利用程度，所以，水力资源的发达程度就限制了其发展的空间。 而核能作为一种新型的能源，具有得天独厚的优越性。它利用地球中蕴藏丰富的放射性同位素铀的裂变反应产生的巨大的能量来发电，效率既高又不污染环境。理论上说，1公斤的铀全部裂变所释放出的裂变能，大约相当于2500吨煤或2000吨的石油燃烧时所释放出的能量。随着世界各国环境意识的加强，核能的重要性正在逐步被认识到，各国对发展核能的投入也呈稳定上升的趋势。相信在下个世纪中，核能必将得到更广阔的发展空间，这一优秀的能源形式必将得到更大的发展，从而使其更好地服务于人类和造福于人类。

核能的研究发展——从原子弹说起

原子弹是科学技术的最新成果迅速应用到军事上的一个突出的例子。从1939年发现核裂变现象到1945年美国制成原子弹，只花了6年时间。1939年10月，美国政府决定研制原子弹，1945年造出了三颗。一颗用于试验，两颗投在日本。1945年8月6日投到广岛的原子弹，代号为“小男孩”，重约4.1吨，威力不到20000吨。同年8月9日投到长崎的原子弹，代号为“胖子”，重达4.5吨，威力约20000吨。其他国家爆炸第一颗原子弹的时间是：原苏联——1949年8月29日；英国——1952年10月3日；法国——1960年2月13日；中国——1964年10月16日，印度——1974年5月18日。 1945年7月16日清晨5时30分，世界上第一颗原子弹在美国新墨西哥州的沙漠地区爆炸成功，发射场的温度高达1亿华氏度，等于太阳表面温度的1万倍。发射区1.6公里内的所有生物全都荡然无存。离发射场800米的一座32吨重的钢塔成了一堆扭曲的废物。发射场周围800米的沙粒被融化成玻璃体，绿色透明似翡翠。事后的测算表明，这次爆炸试验为1.86万吨梯恩梯当量，是预期的4倍。 1945年8月6日和9日，美国分别在日本广岛和长崎两市投下原子弹，使其遭到致名打击，8月15日，日本无条件投降。 据广岛、长崎两市1977年《致联合国的报告》称，在原子弹袭击中的死者和失踪者，广岛约有15万，长崎约8万。迄今为止，因原子弹轰炸而死去的人广岛已达22万多，长崎超过12万。 今天，核武器仅仅是作为政治对抗中的威慑力量，因为任何一个国家一旦首先使用核武器，也就意味着自身的灭亡。政治家其实对核战争毁灭性的破坏认识得比军人更清楚 1964年10月16日，我国爆炸了第一颗原子弹，成功地进行了第一次核试验。原子弹爆炸的成功吸引了全世界的目光，一夜之间中国跨进了核大国行列，全世界刮目相看。在这个追求实力的世界上，不断发生着以 3

强凌弱的事情，伊拉克、南联盟这些无远程打击力量的中小国家的败局从反面说明中国拥有原子弹的价值。

核能的产生原理

原子是由质子、中子、和电子组成的。 原子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。

核能在50多年前，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 的能量比化学反应中释放的能量大得多，这就是核裂变能， 也就是我们所说的核能。 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。 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、原子核中的质子核数（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。 链式裂变反应裂变反应是由中子引起的，而反应结果又产 生了新的中子。如果能用新的中子引起新的核裂变，裂变 反应就能连续不断地进行下去，同时不断产生能量。这种 反应就叫做链式裂变反应。 铀是自然界中原子序数最大的元素。它是一种金属，在地 壳中含量为四百万分之一。天然铀由几种同位素构成：除 了0.71%的铀-235（235

是质量数）、微量铀-234外，其余是 铀-238。铀-235原子核完全裂变防

出的能量是同量煤完全燃 烧防出能量的2700000倍。 核能电厂系统 了解核能电厂的发电原理后，下一步便来看如何将这些核分裂所产生的热，变成有用的电。这有赖核能电厂内的各个重要的系统来完成。

1 核反应堆与锅炉

核反应 核能发电的热源来自于放射性同位素的裂变能。其中主要是铀的同位素，它们在发生裂变反应时可以释放出巨大的能量。它们通常以氧化物的形式被制成棒状，作为燃料。在反应堆这一特殊装置中，人为地 4

使其实现自持性的链式反应，从而使热能持续地释放出来，带动发电机组来发电。 反应堆，原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了使核能具有实用价值，必须用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平稳地释放出来，核反应堆就是用来控制反应速度的装置。反应堆种类很多，核电站中使用最多的是压水堆。压水堆中首先要有核燃料。核燃料是把小指头大的烧结二 氧化铀芯块，装到锆合金管中，将三百多根装有芯块的锆 合金管组装在一起，成为燃料组件。大多数组件中都有一 束控制棒，控制着链式反应的强度和反应的开始与终止。由于快中子容易被铀238俘获而不发生裂变，必需设法使快中子变成慢中子，为此在铀棒周围放上不吸收或很少吸收中子的物质，使快中子跟这些物质的原子核碰撞后，能量减少，变成慢中子。这种物质叫减速剂。常用的有石墨、重水和普通水。此外为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈俚，使镉棒插入深一些；当反应过于缓慢，达不到所需功率时，使镉棒插入浅一些。镉棒叫控制棒。 压水堆以水作为冷却剂在主泵的推动下流过燃料组件，吸 收了核裂变产生的热能以后流出反应堆，进入蒸汽发生器， 在那里把热量传给二次侧的水，使它们变成蒸汽送去发电， 而主冷却剂本身的温度就降低了。从蒸汽发生器出来的主 冷却剂再由主泵送回反应堆去加热。冷却剂的这一循环通 道称为一回路，一回路高压由稳压器来维持和调节 核能电厂与一般火力电厂最主要的差别在于发电所需的热功率来源的不同。由于核能发电是属高能量密度能源的使用，如何有效、安全的将分裂所放出大量的热，经由冷却剂带出是整个核反应堆设计的重点。图十。

2 炉心架构与压力槽

燃料是主要产生热的地方。它的型式是做成燃料丸的样子。将燃料丸叠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。图十一、图十二、图十三、及图十四。

3 冷却剂

冷却剂在发热的燃料棒间的信道，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。

4 控制棒 5

用以控制核分裂反应，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，进而控制核分裂反应。图十五。

5 屏蔽系统防护体

另外还有比较重要的正常运转下的系统，如屏蔽及防护体。防护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。防护体的钢衬则做为保障其结构的密闭性用。图十六。

6 压水式核能电厂

7 气冷式核能电厂 8 液态金属快滋生式核能电厂 。 确保核电站安全的措施

为了确保压水反应堆核电站安全，从设计上采取了所能想 到的最严密的纵深防御措施。

四道屏障

为防止放射性物质处逸设置了四道屏障： 1、燃料芯块；

2、密封的燃料包壳； 3、坚固的压力容器和密闭的一回路系统； 4、安全壳。 多重保护 在出现可能危及设备和人身安全的情况时： 1、进行正常停堆

2、因任何原因未能正常停堆时，控制棒自动落入堆内，实 行自动紧急停堆；