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新能源

核能发电

近年来，随着经济的快速发展，以石油、煤炭和天然气为主的常规能源出现了前所未有的危机，除其储藏量不断减少外，更严重的是科学研究发现，化石能源在使用后产生的二氧化碳气体作为温室效应气体排放到大气中后，人为地导致了全球变暖，引发了人们对未来社会发展动力来源的广泛关注和思考。

因此，开发新能源成为各国迫切迫切解决的问题。

常见的新能源有，风能、太阳能、潮汐能、地热能核能等。

其中核能以安全、高效、绿色等特点而倍受许多国家的追捧。

目前全世界已有30个国家拥有核电站。

在这些国家中，有26个国家有建造更多其他核电站的计划。

另外，有15个暂未拥有核电站的国家正在准备建造属于这些国家的核电站。

一核能的发展利用

核能是人类历史上的一项伟大发明，这离不开早期西方科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。

在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。

二战时，原子弹诞生了。

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。

1核能利用的形式

原子能释放的形式主要有两种：

轻核聚变成为一个较重核

重核裂变成两个质量中等的核

在轻核中，如将平均结合能小的核聚变成平均结合能大的核，将释放巨大的能量。

例如，2个2H核，聚变成1个或1个2H核和3H核聚变成1个核，并释放出一个,都会释放巨大能量。

这是核聚变反应和氢弹研制的理论依据。

在重核区，重核的平均结合能比中等核小，当它分裂为两个中等核时，平均结合能升高，所以重核裂变时释放巨大能量，这是制造核能反应堆与原子弹的理论根据。

核聚变：

数个小原子核结合并释放能量。

核裂变和链式反应

铀核裂变

（核反应方程）

一个铀核裂变一般产生2-3个中子。

这些中子又会引起新的裂变，产生更多的能量。

链式反应

用中子轰击铀核，使铀核发生裂变，放出能量.铀核分裂时，还同时放出2～3个中子，又可以轰击其它铀核，使它们也发生裂变.

这些铀核分裂时，同样放出中子，从而引起更多的铀核发生裂变.于是裂变反应便会链锁式地自行持续下去.这种现象叫做链式反应.

如果对裂变的链式反应不加控制，在极短时间（约百万分之几秒）会释放出大量核能，发生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的.

所以为了安全的利用核能，我们就必须要控制链式反应的速度，使核能平稳而又缓慢地释放出来。

为此，科学家研制了专门装置-核反应堆。

（核反应堆内部）

二核反应堆的工作原理

核能是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。

只是以核反应堆及核能发电站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（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一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。

核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。

核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。

（核反应堆原理图）

三核电站的种类划分

1、核反应堆有多种用途

  核反应堆按其用途不同，分为动力堆、生产堆、研究堆和其他用途的堆。

每个反应堆同时具有多种用途，但设计时往往要偏重于某一方面的功能：

核电反应堆侧重于提供热能；生产堆偏重于制造放射性同位素；增殖堆偏重于生产核燃料，等等。

2、核电站可划分为四代

  第一大类的核电反应堆，也是第一代核电站，主要是20世50-70年代美国、前苏联、法国、英国建造的首批原型堆，其反应堆叫做热中子裂变反应堆，即热中子堆，简称“慢堆”。

  第二类（第二代）是20世纪70年代至2000年投入使用的商业反应堆，目前多正在运行，主要有美国、欧洲、日本的压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）；俄罗斯设计的轻水堆（VVER）；东欧的压力管式沸水堆（RBMK），以及加拿大和印度的坎杜重水堆；这些其反应堆多为快中子增殖反应堆，简称“快堆”。

 第三类（第三代）反应堆派生于目前正在运行的反应堆，基于相同的原理，汲取了反应堆几十年来的运行经验，安全性更高，实际上，日本已建造了2台机组，根据发展走势，2010-2015年期间第三代反应堆将替代目前正在运行的第二代反应堆。

  第四代反应堆尚上于研发阶级，是未来的系统，将会有重大的革新和发展，目前已有多种规划，预计将在2030年达到技术成熟，2035-2040年开始建造首批机组。

第一、二代核反应堆都是重原子核——235U或239Pu，裂变成两个或两个以上中等重量的原子核时释放出核能；第三代反应堆是在第二代基础上更强调安全性的反应堆，第四代核反应堆目前尚处于研究中，至于核聚变反应堆将是未来发展的方向，它原理是两个轻原子核——氘核和氚核，聚合形成一个较重的原子核——氦核，释放出核能。

第一、二、三代核电站都已经工业化；第四代核电站预计要经过相当长的时间，才能实现商业发电。

3、热中子反应堆，简称热堆

 热堆所用的核燃料是235U。

1克235U核裂变所释放的能量相当于2．7吨标准煤完全燃烧所产生的能量。

  235U核裂变的发生，要靠中予去轰击；235U受到中子轰击后其原子核发生裂变，产出两个或两个以上质量较轻的原子，同时释放出2～3个中子。

这些中子再去轰击未裂变的铀核，从而实现链式反应。

  为了实现平缓的核反应，以实现核能的均衡释放，反应堆用人工控制用于轰击铀核的中子数，使下一波中子的数量等于上一波中子的数量。

此外，还要将中子“慢化”。

因为动能为l兆电子伏特的中子，其速度达到每秒2万公里。

中子的速度太快，很难打中小小的铀核。

采用慢化剂（普通水、重水或石墨等）使中子的速度变慢（慢中子又称热中予），中子就能有效地轰击铀核。

所以，热中子堆又称热堆。

全世界的核电站，绝大多数是热堆，主要有以下5种：

（1）轻水堆：

轻水堆用普通水作冷却剂（又称载热剂）和慢化剂。

它有沸水堆（BWR）和压水堆（PWR）两种。

我国在役和在建的轻水堆都是压水堆。

（2）重水堆：

重水堆用重水作冷却剂和慢化剂。

重水其分子中的氢是重氢——氘。

氘核中有l个质子和l个中子，相对原子质量是2，所以可写成氢-2，占氢总量的七千分之一。

  我国秦山核电公司的第三期工程建成的核电站，为重水堆（CANDU一6型）。

轻水堆的核燃料中，235U丰度为2％～5％，换料时要停堆。

重水堆的核燃料中235U丰度仅是铀元素的天然丰度0.72%，换料时不必停堆。

（3）高温气冷堆：

它用氦气作冷却剂，石墨作慢化剂。

（4）石墨气冷堆：

二氧化碳作冷却剂，石墨作慢化剂。

（5）石墨水冷堆：

冷却剂是水，慢化剂是石墨。

4、快堆

  快堆，是快中子增殖反应堆的简称。

冷却剂用金属钠，并正在研究气冷和铅冷。

  在热堆中，丰度达99．2％的238U没有被利用而成的核废料。

在快堆中，238U吸收l个中子，先后转化为2个短寿命核素239U（半衰期23．5分）和239Np（镎）（半衰期2．346天），两者都经历一次贝它衰变，最后成为239Pu（钚），239Pu为阿尔法放射体，半衰期2．4x104年，易于裂变，是重要的核燃料。

在快堆中，所生成的239Pu比消耗的235U来得多，所以快堆称之为增殖堆。

快堆可使铀资源利用率提高60～70倍，同时可以消耗慢堆所产生的难以处理的长寿命的锕系元素（周期表中89号和89号以后的所有元素），可以减轻地质处置核废料的负担。

  在热堆中，热中子的平均能量为0．025兆电子伏特，在快堆中，中子能量大于0．1兆电子伏特，有时也把能量高于热中子能量的中子称为快中子。

快堆中不用中子慢化剂。

5、核聚变堆

  1927年，奥地利人豪特曼斯和他的同伴们讨论太阳能来源的问题。

认为太阳决非一般的燃烧过程，“否则太阳上的物质从亿万年以来，在放出这样大量热能过程中早已该耗尽了”。

  他们开始了“太阳内部的热核反应理论的研究”，假设了“太阳能量的来源系由于轻元素原子的融合”。

l934年，英国物理学家卢瑟福等首次实现了核聚变反应。

1952年、l953年，美国和前苏联分别爆炸了热核装置——氢弹；l967年我国也实现了氢弹爆炸。

 核聚变是两个轻原子核——氘和氚（氢-3）聚合成较重的原子核——4He（氦），并释放出1个中子。

氘可从水中提取：

l升海水中含34毫克氘。

地球上氘总量有40万亿吨，可供人类用200亿年；氚用锂的同位素—6Li（锂）转换；锂在地壳中含十万分之几，高原盐湖中，有可能含有较丰富的锂。

  氘和氚的核聚变，目前还不可控，所以只能造氢弹。

科学家们的研究证明，要实现受控的聚变，有两种途径：

一个叫做磁约束，另一个叫做惯性约束。

我国核工业西南物理研究院的托克马克装置属于磁约束类，并建成了中国环流器一号、新一号和二号三个装置。

欧盟、日本、俄罗斯、加拿大等，正在积极推行新的国际热核实验堆计划。

“纲要”把“磁约束核聚变”列为2005～2020年的“前沿技术”项目，“以参加国际热核聚变实验反应堆的建设和研究为契机”，对受控核聚变进行全面地攻关，同时开展对“某些以能源为目标的非托克马克途径的探索和研究”。

四世界核能发展的现状

截至2010年，全世界运转中的核反应堆435座，有29座以上在建设中。

美国运转最多，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。

从法国高达占78%，到比利时占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到：

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。

　　俄罗斯协同核原料大国占领制高点,有31座核反应堆在运转，5座在建设中，并有大的扩能计划。

　　澳大利亚的铀矿储量居世界第一位，而俄罗斯的浓缩铀生产能力居于世界领先地位，这一协议意味着世界核能的龙头已经产生。

　印度核能发电所占比例现小于3%，但印度计划到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%。

日本55座核反应堆在运转，1座在建设中，并计划使核能发电占电力份额从2006年30%提高到后10年内的超过40%。

韩国于2006年投运第20座核反应堆，核能发电已供应其电力的39%。

欧洲总计有166座核反应堆在运转中，有6座在建设中。

但有几个禁用核能的国家，如奥地利、意大利、丹麦和爱尔兰。

并且有几个国家如德国和比利时也开始禁用核能。

芬兰、法国、保加利亚和乌克兰也有核能扩能计划。

英国拥有19座运转的核反应堆，其中许多已相当陈旧，可能将投资新的核电站。

美国有103座核反应堆，提供电力份额19%。

美国核反应堆3/4已进行了技术更新。

我国的核电事业自上世纪八十代初开始起步，"八五"期间有3台机组（共2100兆瓦）建成投产，即我国自行设计建造的秦山一期300兆瓦核电机组和利用外资、引进成套设备兴建的大亚湾核电站两台900兆瓦核电机组。

3台核电机组一直在安全稳定地运行。

2000年核电发电量为160亿度，占全国总发电量的1.19%。

中国现有4座核反应堆在建设中，并计划到2020年扩大近5倍，这将使核能发电占总电力4%

我国已能自主设计建设300兆瓦压水堆核电站，基本实现了600兆瓦压水堆核电站的自主开发、设计和建造。

通过已建和在建核电项目的实施，在核电研究与工程实验、工程设计、设备设计与制造、工程建设、项目管理等方面已经具有相当的基础和实力，具备了以我为主、中外合作条件下建设百万千瓦级压水堆核电站的能力和一定的开发创新能力，这是我国今后继续发展核电极为宝贵的基础。

目前，我国已形成了基本配套的军民两用核动力与核燃料循环科研开发工业体系，具备了自主设计建造中小型核电站的能力和核电站燃料组件的生产能力，核技术（包括核供热、同位素和辐射技术等）在工业、农业和医学等领域得到广泛应用。

经过几十年的发展，我国在科研、设计、建设和运行等方面积累了许多宝贵经验，培养和造就了一支专业齐全、具有相当实力的科研、开发、设计和工程建设队伍。

我国的核能和平利用产业已经形成了一定的规模，在某些技术领域达到了世界先进水平。

核能有很多的优点，当然核能不是万能的，也有缺点。

核能虽然清洁无污染，但一旦核泄漏，造成的后果是严重的。

1957年·前苏联乌拉尔核废料罐爆炸

1957年9月29日，在前苏联的大型核工业聚集区乌拉尔地区，一个地下核废料存储罐突然发生爆炸，一片直径10公里的带有放射元素的烟云升空。

1万多居民当即撤离污染区。

由于当时天气极恶劣，狂风把放射性烟云刮到数百公里之外，结果造成南乌拉尔地区3000平方公里受到核污染，区内草木不生，成千上万人患辐射病。

1986年·前苏联切尔诺贝利核灾难

1970年，位于前苏联乌克兰北部基辅州的切尔诺贝利核电站建成，该核电站为乌克兰提供了10%的电力，由4座核反应堆组成。

在1986年4月26日凌晨开始的例行安全测试中，核电站工作人员为提高效率，违反了操作章程，将4号反应堆中的控制棒大量拔出。

由于这些控制棒是调节反应堆堆芯的温度的，这一致命失误导致堆芯过热。

凌晨1时23分，工作人员再次违章操作，按下了关闭核反应堆的紧急按钮。

电源的突然中断，致使主要冷却系统停止了工作，反应堆彻底失控了！

堆芯内的水被强辐射立即分解成了氢和氧，由于氢和氧浓度过高，反应堆随即发生大爆炸，8吨多强辐射物泄漏，蒸发的核燃料迅速渗入到大气层中，在周围地区造成强烈的核辐射。

　　灾难发生后，围绕在核电站半径30公里地区居住的居民被紧急撤离，这一地区被辟为隔离区，任何人不得随意出入。

随后，政府又撤走了普里皮亚特地区居民逾13万人，使之成为被废弃的城市。

迄今为止，当地人仍然没有摆脱核污染。

专家预测，消除这次核灾难造成的核污染，至少还需要一百年。

2011年3月12日日本福岛核电站灾难

2011年3月11日日本宫城县东方外海发生规模9.0级大地震后所引起的一次核事故，福岛第一核电厂因此次地震，造成堆心毁坏危险的事故。

12日带来了更大的危机———福岛核电站1号2号3号4号机组相继发生爆炸，并产生核泄漏。

研究人员证实福岛每天排放的碘131相当于1986年切尔诺贝利核事故后排放量的73%。

福岛核电站每天排放的铯137水平约为切尔诺贝利核事故排放量的60%。

周边国家也在慢慢受到影响，中国已有30多个省检测出不同程度的辐射。

五核能发展的前景

核能利用是解决能源问题必由之路，它在能源中的比例将逐步加大，从而改善能源结构，并有希望在将来彻底解决人类对能源的需求。

然而，核能的开发利用是一个循序渐进的长期进程，按其科技难度和实现产业化的前景展望，大致可分为三个阶段：

第一阶段是热中子反应堆，第二阶段是快中子增殖堆，第三阶段是可控聚变堆。

这三阶段需要互相衔接和交叉，逐步进入实用，实现产业化。

积极发展核电，因为核能有其无法取代的下列优点：

（1）核能是地球上储量最丰富的能源，又是高度浓集的能源。

1t金属铀裂变所产生的能量，相当于270万t标准煤。

地球上已探明的核裂变燃料，即铀矿和钍矿资源，按其所含能量计算，相当于有机燃料的20倍，只要及时开发利用，便有能力替代和后续有机燃料。

更进一步说，地球上还存在大量的聚变核燃料氘，能通过聚变反应产生核能。

1t氘聚变产生的能量相当于1100万t标准煤，氘即重水中的“重氢”，普通水中有七千分之一的重水，故地球上存在约40万亿t氘。

所以聚变反应堆成功以后，能源真可谓取之不尽，用之不竭，人类将不再为能源问题所困扰。

（2）核电是清洁的能源，有利于保护环境。

目前世界上大量燃烧有机燃料的后果是足堪忧虑的。

燃烧后排出大量的二氧化硫、二氧化碳、氧化亚氮等气体，不仅直接危害人体健康和农作物生长，还导致酸雨和大气层的“温室效应”，破坏生态平衡。

比较起来核电站就没有这些危害。

核电站严格按照国际上公认的安全规范和卫生规范设计，对放射性三废，原则上是回收处理储存，不往环境排放，排往环境的只是处理回收后残余的一点尾水尾气，数量甚微，对环境没有实质性的影响。

（3）核电站坚持安全第一、质量第一的方针，正确设计、高质量建造和按规范运行的核电站，其安全是有保证的。

（4）核电的经济性能与火电竞争。

电厂每kw·h的成本是由建造折旧费、燃料费和运行费这3部分组成的。

主要是建造折旧费和燃料费。

核电厂由于考究安全和质量，建造费高于火电厂，但燃料费低于火电厂，火电厂的燃料费约占发电成本的4O％～6O％，而核电厂的燃料费则只占2O％左右。

总的算起来，核电厂的发电成本是能与火电相竞争的。

（5）发展核电有利于减轻交通系统对燃料运输的负担。

1座100万kW的燃煤火电机组每天需烧煤约1万t，1年约需300万t，而1座lOOkW的核电机组每年仅需核燃料30t，可见核燃料运输量仅是煤运输量的十万分之一，大大减轻交通运输负担。

总之，核电是一种清洁、安全、技术成熟、供应能力强、能大规模应用的发电方式；加快我国核电建设，提高核电在电力供给中的比重，有助于缓解电力增长与交通运输、环境保护的矛盾；发展核电对带动高科技产业和装备制造业的发展，促进经济增长，调整能源结构，保障能源安全，实施可持续发展战略，都有重要意义.

未来核能发展趋势图