化学与能源论文.docx

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化学与能源论文

化学与能源论文

核能的利用

摘要

中国作为一个能源大国目前依旧面临着巨大的资源与环境挑战，人均资源匮乏，环境堪忧。

化石能源开采殆尽，环境愈加恶劣。

我们不应该坐以待毙，应当寻找新能源打破当前困境。

新能源有别于传统化石能源，具有清洁无污染、安全高效率等优点。

而化学新能源是将化学能直接转化成电能，如锂离子电池、燃料电池、电化学电容器等，具有广阔的应用发展前景。

本文阐述了核能的历史及原理，讨论了核能的优点与广阔应用前景，并且理性的认识和探讨其缺点，希望能为解决当前的能源危机提供一些建议。

一、核能的历史

简史---------------------

19世纪末英国物理学家汤姆逊发现了电子。

　　1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。

　　1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。

　　1898年居里夫人发现新的放射性元素钋。

　　1902年居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。

　　1905年爱因斯坦提出质能转换公式。

　　1914年英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。

　　1935年英国物理学家查得威克发现了中子。

　　1946年德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。

　　1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。

　　1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。

　　1957年苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站。

　　二战后，人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。

美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。

发展进程---------------

第一代核电站。

核电站的开发与建设开始于20世纪50年代。

1954年前苏联建成发电功率为5兆瓦的实验性核电站；1957年，美国建成发电功率为9万千瓦的ShipPingPort原型核电站。

这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。

第二代核电站。

20世纪60年代后期，在实验性和原型核电机组基础上，陆续建成发电功率30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组，他们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。

第三代核电站。

20世纪90年代，为了消除三里岛和切尔诺贝利核电站事故的负面影响，世纪核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台了《先进轻水堆用户要求文件》，即URD文件和《欧洲用户对轻水堆核电站的要求》，即EUR文件，进一步明确了预防与缓解严重事故，提高安全可靠性等方面的要求。

第四代核电站。

2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷共10个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”，与2001年7月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能技术。

二、核能发电的原理

1.核能发电的能量来源

核反应堆中可裂变材料（核燃料）进行裂变反应释放裂变能。

裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。

反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。

若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。

实现链式反应是核能发电的前提。

2.核能发电的过程中能量的转换

核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。

3.目前核能的获得途径

核能的获得途径主要有两种，即重核裂变与轻核聚变。

核聚变要比核裂变释放出更多的能量。

例如相同数量的氘和铀-235分别进行聚变和裂变，前者所释放的能量约为后者的三倍多。

被人们所熟悉的原子弹、核电站、核反应堆等等都利用了核裂变的原理。

只是实现核聚变的条件要求的较高，即需要使氢核处于6000度以上的高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。

●核能的优点：

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.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。

　　3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。

　　4.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，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。

　　5.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。

●核能的缺点：

　　1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射性，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。

　　2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热，故核能电厂的热污染较严重。

　　3.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。

　　4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。

　　5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。

　　6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。

三、核能的其他应用

1、宇航、卫星中的核电源

人造地球卫星和宇宙飞船都需要使用长期、可靠性高的电源。

然而通常的化学电池重量大、使用期短，不能适应卫星、飞船工作。

因此，在卫星、飞船中多数采用太阳能电池和蓄电池联合供电。

但是，太阳能电池在离太阳太近或较远外，都不能适用。

另外在需要供电功率较大时，太阳能设备体积和重量也很大，不适用于空间设备。

核电池是利用放射性同位素的射线被物质吸收产生热能，并通过热－电转换设备获得电力。

将它制成圆柱形电池。

燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

这种电池尺寸小，重量轻，目前核电池已应用在地球轨道的卫星上。

2、火箭核推进发动机

利用核能作为航天器推进初级能源的核动力装置可以分为核热火箭发动机和核电火箭发动机两类。

核热火箭发动机系统是利用核能加热工质产生推力的火箭发动机系统。

它的工作原理与化学火箭发动机相似，只是加热能源不同。

核热火箭发动机的比冲高，寿命长，但技术复杂，适用于长期工作的航天器。

利用核裂变反应堆的核火箭发动机系统，工质一般为氢气，被反应堆加热后调整喷出，产生推力。

3、核能供热

核能供能是利用核反应堆生产的能量直接供热。

它可以用这种能量单纯供热，也可以用综合利用。

如热电联供。

核能供热是核能应用的一个重要方面。

目前约有70%一次能源用于供热，而核能供热的优点是环境污染小，燃料运输量小，因此核能供热的市场前景十分广阔的。

一座20万千瓦的低温核热站可以满足500万平方米的建筑面积供暖。

每年节省标准煤30万吨，减少1亿多万吨公里的运输量。

同时减少排放烟尘。

4、核能海水淡化

世界不少国家和地区面临日益严重的淡水供应短缺问题，海水淡化是解决淡水短缺的重要途径。

海水淡化反应堆装置利用核反应堆产生的热能使海水脱盐转化为淡水的装置。

海水脱盐通常只要求在140℃以下的热水（汽），因而采用低温供热堆比较合适。

一座200MW核供热堆与多效蒸馏淡化工艺相匹配，日产淡水可达16万吨。

5、利用核能冶炼钢铁

人们多年来主要用高炉将铁矿石通过焦炭还原获得生铁。

现在正在研究一种新的炼铁法，叫做直接还原法。

这种方法不用大量焦炭，而是因850℃的氢或者氢与――氧化碳混合为气体作为还原体，在炼铁炉内将铁矿石直接还原成海绵铁，然后再用电炉将海绵铁炼成钢。

四、对于应用核能的思考

老子说：

“祸兮福所倚，福兮祸所伏。

”

从前苏联的切尔诺贝利核电站事故和美国的三里岛压水堆核电事故，到福岛核电站核反应堆爆炸事件，众多的核事故为核能的安全运用敲响了警钟。

虽然科技给我们带来方便，但是从另一个方面来说，也有隐患，在利用科技成果同时，也应同时防范科技对人的损害。

中国大规模建设核电的脚步应该放缓，考虑的最重要的问题即是保证其安全性。

如何在重大自然灾害（如地震、海啸等）发生时确保不发生重大核泄漏事件，是中国核建设者在核电站的选址、设计、制造、安装、调试运行等全过程中首要考虑的问题。

针对其安全问题，提出以下建议---------

（1）从国家能源系统角度出发加强核能规划

需要综合考虑全国能源结构、资源存量、经济发展、人口分布、环境风险等因素，从系统角度进行合理布局。

从国家到核电企业各层面需要强化安全预案，全面加强核电站安全标准。

（2）从法规政策配套措施等层面做好安全发展保障

需要结合国情，在更高层面上架构核电安全机制。

尽快出台《原子能法》，以原子能立法为主旨，建立核安全相关技术标准认可机制、管理办法及工作程序；建立相对独立和较为完整的核辐射安全监管技术能力体系；建立核电厂安全评价指标体系，提高核电工程公司的准入条件；建立全国联网的放射源监管系统及完善全国辐射环境监测网络体系等。

（3）加强先进核电技术的研发应用

以AP1000为代表的三代核电技术采用失效概率低的非能动安全系统，仅利用地球引力、物质重力等自然现象就可驱动核电厂的安全系统，从而冷却反应堆堆芯，带走堆芯余热，并对安全壳外部实施喷淋，进而使核电站恢复到安全状态。

反应堆堆芯熔化概率（CDF）提升至10的负7次方数量级，远低于目前对二代的10的负5次方的要求。

但三代技术的大规模建设必须依赖配套产业链，所以国内企业对AP1000的消化吸收的进度成为了中国核电未来由沿海逐步延伸向内陆的速度。

而第四代先进核能系统（快堆、超高温气冷堆、钍基熔盐堆等）具有革命性技术进步，反应堆具有固有安全（非概率安全）特性，无需场外应急。

（4）建立核电安全应急处理队伍，加强核辐射损伤的防治研究

设立专项科研基金，重点立足软硬件双过硬的积极预防。

加强核辐射事故医学应急救援、急性核辐射危重病人抢救、有效抗放射和促排药物等特殊药物研制等。

尽量避免或减轻可能发生核事故造成的人员伤亡和财产损失。

（5）建立公众参与和信息公开制度

加强公众宣传教育，消除因不了解带来的盲目担忧。

本次日本核泄漏事件产生的心理层面影响要远大于实质性影响，在众媒体的聚焦下，对核安全的担忧将被放大，或将在短期内影响全球核电事业的发展。

针对公众核能与核辐射基本知识的缺乏，需要利用电视、广播、报纸、互联网、手册等多种形式，广泛开展核与放射突发事件应急科普知识宣传教育工作，组织编写核与放射突发事件医学应急科普知识和公众心理健康宣传资料，做好公众宣传教育工作，注意心理效应的防治。

同时掌握核辐射及自我保护基本常识，学会核辐射的自救，能提高救援效果。