核能是天使也可能是魔鬼？

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一、核能的定义及特点

核能（或称原子能）是通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程E=mc2，其中，E是能量，m是质量，c是光速。核能可通过三种核反应方式释放：（1）核裂变，较重的原子核分裂释放结合能；（2）核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结合能；（3）核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。

世界上有比较丰富的核资源，核燃料有铀、钍、氘、锂、硼等，世界上铀的储量约为417×104t。地球上可供开发的核燃料资源提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能应用作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施有许多的优点：

（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270×104t标准煤。按照地球上有机燃料的储量和人类耗能的情况来估算，地球上煤的储量大概再过200多年即将耗尽，石油则只够用约40年。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了。

（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相当严重的。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，不往外界排放。

（3）核电在经济上也有优势。核电厂由于特别考究安全和质量，建造费比火电厂高，一般要高出30%～50%，但燃料费则比火电厂低很多，火电厂燃料费约占发电成本的50%～60%，而核电厂的燃料费则只占20%～30%，总的看起来，核电厂发电成本与燃煤电厂成本相当，而在需要远距离运煤的地方，则要低15%～30%。我国台湾地区核电厂成本仅是那里烧石油电厂成本的二分之一。

（4）核电厂燃料的运输量只及相同容量煤电厂煤炭运输量的十万分之一。以江苏连云港田湾核电厂为例，它两套机组的总容量为200×104kW，每年只需核燃料48t。如果是相同容量的烧煤电厂，每年就需烧煤600×104t（滕建群，2006）。

（5）以核燃料代替煤和石油，有利于资源的合理利用。煤和石油都是化学工业和纺织工业的宝贵原料，能以它们制造出多种产品。它们在地球上的蕴藏量是很有限的，作为原料，它们要比作为燃料的价值高得多。

但核能也有很多缺点：

（1）核能电厂会产生高低阶放射性废料，其使用过的核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射性，故必须慎重处理。目前尚未有比较稳妥的、完全环境无害的处理技术。此外，一旦出现核泄漏事故，将是巨大和长期的环境灾害。

（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到环境里，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、离峰的随载运转。

（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（邹长城，2011）。

二、核能的产生

（一）让人类喜忧参半的能源——核裂变能

核裂变又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。裂变只有一些质量非常大的原子核像铀、钍和钚等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出两个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应（图5-1）。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能（孙小军和余呈刚，2010）。1kg铀-238全部核的裂变将产生20×106kW?h的能量（足以让20MW的发电站运转1000h），与燃烧至少2000t煤释放的能量一样多。核裂变也可以在没有外来中子的情形下出现，这种核裂变称为自发裂变，是放射性衰变的一种，只出现在几种较重的同位素中。不过大部分的核裂变都是一种有中子撞击的核反应，反应物裂变为两个或多个较小的原子核。核反应是依中子撞击的机制所产生，不是依照自发裂变中相对较固定的指数衰减及半衰期特性所控制。

图5-1　铀核裂变链式反应

按液滴模型的观点，处于激发态的原子核（例如，铀-235核吸收一个中子之后，就形成激发态的铀-236核）发生形变时，一部分激发能转化为形变势能。随着原子核逐步拉长，形变能将经历一个先增大后减小的过程。这是因为有两种因素在起作用：来自核力的表面能是随形变而增大的；来自质子之间静电斥力的库仑能却是随形变的增大而减小的。这两种因素综合作用的结果是形成一个裂变势垒，原子核只有通过势垒才能发生裂变。势垒的顶点称为鞍点。到达最终断开的剪裂点后，两个初生碎片受到相互的静电斥力作用，向相反方向飞离，静电库仑能转化成两碎片的动能。初生碎片具有很大的形变，它们很快收缩成球形，碎片的形变能就转变成为它们的内部激发能。具有相当高激发能的碎片，以发射若干中子和γ射线的方式退激，这就是裂变瞬发中子和瞬发γ射线。退激到基态的碎片由于中子数（N）与质子数（Z）的比例（N/Z）偏大，均处于β稳定线的丰中子一侧，因此要经历一系列的β衰变而变成稳定核。这就是裂变碎片的β衰变链。在β衰变过程中，有些核又可能发出中子，这些中子称为缓发中子。以上就是一个激发核裂变的全过程。

（二）尚未彻底掌控的新核能——核聚变能

核聚变，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦）。中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。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。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。

太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，其中心温度达到1500×104℃，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而在地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿摄氏度才行。由此，可将核聚变分为热核反应和冷核反应两种。热核反应，或原子核的聚变反应，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聚变反应（图5-2）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但尚无法加以利用。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。

图5-2　氢核聚变示意图

冷核聚变是指在相对低温（甚至常温）下进行的核聚变反应。这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变（恒星内部热核反应）而提出的一种概念性假设。这种设想将极大地降低反应要求，只要能够在较低温度下让核外电子摆脱原子核的束缚，或者在较高温度下用高强度、高密度磁场阻挡中子或者让中子定向输出，就可以使用更普通更简单的设备产生可控冷核聚变反应，同时也使聚核反应更安全。

最简单的核聚变装置如下：先电解水生成氢气和氧气，再把氢气低温压缩成固态氢，置于厚重的水泥封装中，水泥封装内有动力水、冷却水系统。根据4个氢核聚变1个氦核放热原理，需要陶瓷减速棒，可利用核裂变反应在中心点火，最后核聚变会一直进行。根据热胀冷缩原理，核燃料体积会减少，加入融化的减速棒即可，动力水要连接蒸汽轮机用来发电。然而，产生可控核聚变需要的条件非常苛刻，要建造能够大量发电的磁控核聚变发电厂仍有许多科学与工程技术的问题有待解决。核聚变反应在技术上的挑战主要为：（1）核聚变产生的功率必须大于使氘氚燃料维持在高温所需的输入能量功率；（2）反应器的机械结构必须抵挡得住电浆的轰击与14.1MeV能量中子的辐射损害。

实现核聚变已有不少方法。目前，通常有三种方式来产生核聚变：（1）重力场约束；（2）惯性约束；（3）磁约束。其中主要的可控核聚变方式为激光约束（惯性约束）核聚变（如我国的神光计划、美国的国家点火计划都是这种形式）和磁约束核聚变（托卡马克、仿星器、磁镜、反向场、球形环等），而磁约束核聚变被认为是最有前途的。

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（大概需要几十亿摄氏度）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。原理上虽然就这么简单，但是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，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即的。

磁约束核聚变最早的著名方法是托卡马克型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现核聚变。目前使用强大磁场来控制氘氚核聚变反应的托克马克反应器已能达到输出能量等于输入能量（房俊文，2012）。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。要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

三、核能的利用

（一）核裂变发电

核裂变反应堆是用以释放和应用核能的装置，在发生核裂变时会产生约300种裂变碎片和大量的热能。有了反应堆就可以使核能为人类服务。由于电能是一种用途最为广泛且方便的能量方式，因此，发电用反应堆是核能最大的服务市场。由此目前多数专家认为应按用途对反应堆进行分类，发电用的反应堆包括压水堆、沸水堆、重水堆、高温气冷堆和快中子堆。目前人类已掌握的天然可裂变元素只有铀。作为核裂变的燃料，铀在我国的储量还是较为丰富的。

1954年，苏联在莫斯科附近的奥布宁斯克建成了世界上第一座核电站，输出功率为5000kW。到60年代中期，核电站走向实用化和商品化。工业发达国家核电发电成本已与燃煤火力发电站持平甚至略低。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100×104kW的火电厂每年要烧掉约330×104t煤，而同样容量的核电站一年只需耗用大约1.2t核燃料。

核裂变反应堆发电经过40多年的发展完善，已成为一种安全可靠、难以替代的能源。在化石燃料即将耗尽及更加清洁的热核聚变技术成熟之前，核裂变能在21世纪会得到更加广泛的应用。其具体的应用方式为：一是压水堆安全措施得到进一步的健全并被继续建设应用；二是为了更有效地利用有限的核裂变燃料，加速开发钚—铀循环和钍—铀循环快中子堆；三是会加速开发安全性能相当优越的气冷反应堆。

（二）核聚变发电

核聚变发电厂已被公认是所有基载发电系统中最不影响环境且最安全的替代方案。核聚变燃料的生产并不使用放射性物质，而且不直接产生放射性废料。尽管反应器结构材料因吸收中子会产生半衰期很短的低放射性，但通过精心的设计及材料选择可以减少放射性而达到低危害性。核聚变发电厂安全研究表明：

（1）核聚变不会产生任何放射性废料，没有废料难解的技术问题；

（2）只要减少电浆密度或氘氚供给，核聚变反应可以随时终止，其控制性比核分裂反应器容易；

（3）即使发生最糟糕的核聚变灾变也不至于对周围的居民产生重大危害；

（4）核聚变发电厂运转所造成的低放射性结构材料并不需长时间封存，因此不会对下一代构成负担。

和目前所知的所有能源相比，核聚变产生的能源是最理想的，不仅燃料充足，而且降低环境污染。核聚变将会是取代化石能源、供给人类洁净能源的最好选择。如果采用核聚变机制的核能发电成功，将会为人类提供取之不尽的洁净能源，可以满足人类的能源需求，也可以说是最终解决了人们对洁净能源的要求。

（三）核能的综合利用

核能的综合利用技术主要指核能的工艺热利用技术，比如核能制氢、海水淡化、石油炼制、油页岩加工、天然气重整、煤的液化和气化等。目前最受关注的是核能制氢和海水淡化（周胜和王革华，2006）。

1．核能制氢

目前氢的生产主要在化肥生产、石油精炼领域，主要通过蒸汽重整甲烷得到，全世界年产量约4000×104t。尽管氢能经济引起了人们的极大兴趣，但氢只是一个能源载体，而不是能源资源，因此氢的产生将是一个巨大挑战。在生产氢气的一次能源的各种选择中，适用于大规模氢气生产而几乎零排放的第四代核能最具有竞争力。

2．核能海水淡化

目前，世界上已经进行了一些规模较小的核能海水淡化项目，累积运行经验超过150堆年1堆年指核电站中的1个反应堆运行1年。。但在全世界运行中的7500多座海水淡化厂中，绝大部分都使用化石燃料。大型海水淡化厂将需要数百兆瓦的热功率，能满足这一要求的能源只有核能或者化石能源。几乎所有类型的反应堆都能与海水淡化装置整合在一起。核能海水淡化的竞争力完全取决于其经济竞争力，如果其成本与化石燃料工厂的成本相当，核能海水淡化技术将有巨大的市场空间。印度目前正运行着一座由Kalpakkam加压重水堆提供热量和电力的海水淡化示范厂，其生产能力为6000m3/d（周胜和王革华，2006）。

四、核能的发展前景

从分析世界能源现状和我国能源现状不难看出，我国乃至世界能源的危机正在加重，各国采用各种方式来应对能源危机，如美国的多样化能源战略，我国的节能再加大力发展水电、再生能源的战略。能源是国民经济的基本支柱，是人类赖以生存的基础。能源安全是国家经济安全的重要保证，它直接影响到国家安全、可持续发展及社会稳定（徐步朝等，2010）。能源安全不仅包括能源供应的安全（如石油、天然气和电力），也包括对由于能源生产与使用所造成的环境污染的治理。但是，这些战略只能延缓能源危机出现的时间，而不能从根本上解决能源危机。核能，包括核裂变和核聚变，是今后解决能源危机最主要也是最本质的途径。再生能源，如太阳能、风能、水能、潮汐能、生物质能，以及新的能源，如氢能、海底可燃冰等，在产能的量、效率、密度上都无法满足人类社会发展的需要，满足不了人们的消费需求，在本质上解决不了人类社会发展与能源需求的矛盾（苏永杰等，2006）。核能是唯一地，从某种意义上讲也是一劳永逸地解决能源问题的途径。核能的大发展成为一种必然。

因此，在今后的人类社会发展中，核能将在世界各国广泛应用，是今后大力发展的对象。事物总是有两面性的，随着核能的大发展，核能对环境的影响也将成为一个越来越重要的问题。

（一）核裂变能的可持续发展

核裂变能的可持续发展依赖于铀资源的充分利用和核废物的最少化。目前世界上运行的热堆核电站，其铀资源的利用率不到1%。只有在快堆中多次循环，将大部分U-238燃烧掉，才能使铀资源利用率提高60倍左右，核废物的体积和毒性降低10倍以上。这意味着，采用快堆技术及其相应的先进核燃料闭合循环，可以使地球上已知常规铀资源利用几千年。

正因为如此，以美国为首的国际第四代核能系统路线图将快堆及其燃料循环列为核能发展的主要方向，俄罗斯总统普京也曾在新千年峰会上倡议发展快堆核能系统，足见核裂变能的可持续发展寄厚望于快堆及其燃料闭合循环。结合世界和我国铀资源的实际状况，快堆作为先进压水堆的后续发展堆型，适时进入商业应用，是符合我国工业基础和核燃料循环基础的一种最佳的选择。

按照我国核工业目前的技术状况，2030年前后我国将全部建造热堆电站。与此同时，必须在做好热堆核电产业技术升级的同时，不失时机地启动作为“明天的产业”的快堆核能系统的技术开发，争取在2035年前后使快堆核能系统达到商用水平而开始进入核能市场，在2050年以后得到稳步发展并逐步成为我国的核能主力（顾忠茂和王乃彦，2005）。由于快堆核能系统不仅涉及快堆技术本身，还包括乏燃料后处理、快堆燃料制备等一系列复杂的技术与工程问题，根据我国核工业目前的技术基础，欲达到上述目标，需要开展的研究发展工作是极其艰巨的。

（二）核聚变的发展前景

核聚变技术的近年发展已使许多科学家确信，在21世纪，核聚变核电站将出现在人类的生活中，人类将大规模应用这种无害于环境的聚变能从而摆脱在文明发展中不断出现的能源危机。热核能另一开发技术——激光核聚变，由于自由电子激光技术的发展，目前已接近核聚变的点火条件。这一技术的成功将使热核能的应用更加灵活，科学家认为这种方法适合于制造小型廉价的核聚变反应堆，有可能在交通工具中直接使用，另外制造成本也有可能大大降低（邱励俭，1999）。