核能及其运用
(2007-06-08 15:12:06)
摘 要
核能，一种不容忽视的新能源。很有可能，未来的能源主要依靠的是核能。核能是由原子核反应释放出来的能量，它包括核裂变能和核聚变能。自从1942年12月2日人类实现了第一次自持链式反应以来，核能技术得到了日新月异的发展。核能首先运用到军事上，1945年8月6日，美国在日本的广岛投下了一枚代号为“小男孩”的原子弹，8月9日在日本长崎投下另一枚代号“胖子”的原子弹。此后苏、英、法也相继研制出了原子弹、氢弹和中子弹。中国于1964年和1967年分别爆炸了第一颗原子弹和氢弹。在核能的和平利用方面，许多国家建成百万千瓦以上的核电站，其中，60%采用的是压水堆，正在建设的核电站中也有70%采用的是压水堆，压水堆已经成为一种成熟的反应堆。核能在医疗、农业、环境治理方面也得到了广泛的运用。核能的使用已经被许多国家列为国家重大科研项目。
[关键词] 核能 核裂变 核聚变 核电站
Abstract
Nuclear energy is one kind of new energy, which can't be ignored. In the future, it is very possible that energy will depend on the nuclear energy mainly. Nuclear energy, including nuclear fission energy and nuclear fusion energy, is coming out by nuclear reaction. Since the first self-sustained chain reaction was come true on December 2, 1942, the development of nuclear energy technology changed rapidly. The nuclear energy was applied to the military affairs at first. On August 6, 1945, U.S.A. threw down the atomic bomb named "little boy" in Hiroshima of Japan, and threw down another one named "fat person" in Nagasaki of Japan on August 9. The Soviet Union, Great Britain, France developed atomic bomb, hydrogen bomb and neutron bomb subsequently. The first atomic and hydrogen bomb of China was exploded in 1964 and 1967, respectively. In the case of peaceful utilizing of nuclear energy, a lot of nuclear power stations above of a million kilowatts were build by many countries. Among them, 60% PWR (pressurized-water reactor) were adopted and 70% PWR being adopted now. PWR has already become a kind of ripe reactor. Nuclear energy has been applied extensively in medical treatment, agriculture and environmental improvement. The use of the nuclear energy has already been classified as the national momentous scientific research project in a lot of countries.
[Keywords] nuclear energy nuclear fission nuclear fusion
nuclear power station
引 言
原子核反应分为裂变和聚变，在裂变或聚变反应中，物质反应前后的质量有少量的差异，根据爱因斯坦的质能方程，这少量的质量差异能转化为巨大的能量，从而开辟了一个新的时代 —— 核能时代。
本文简单阐述了核能获取的相关理论和核能的运用，以及当今核技术的发展情况和对未来的展望。世界能源的供应问题要得到很好的解决，必须依靠太阳能和核聚变能，这是一般公认的事实。但在数十年内，这两类能源还不可能大规模应用。在过渡时期，将更多依靠火电、水电、核电。本文介绍了目前核聚变技术的发展状况以及我国聚变技术的现状。估计到本世纪中期，核聚变能够实现和平利用，这样长期困绕人类的能源问题就能得到彻底解决，所以对核聚变的研究意义是非常重大的。
核能的运用方面可以分为核能发电、军事、生活三个方面。1945年8月6日和9日，美国政府将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎，迫使日本帝国主义投降。这是人类对核能的第一次利用。1954年6月27日，前苏联建成了世界上第一座原子能发电站，尽管它只有5000千瓦的发电功率，但它揭开了人类和平利用核能的新纪元，它的建成标志着人类第二次能源革命的开始。核能发电作为一种新能源，受到了世界各国的重视。现在，核能在医学、淡化海水、食品保鲜、环境治理、消毒等方面的也得到了日益广泛的应用。
核能
1.1结合能
自然界的物质都是由原子组成的。原子是由位于中心的原子核和围绕原子核运动的电子组成。原子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。在正常情况下，原子核内部的质子数和核外的电子数是相等的。所以整个原子是呈电中性的。
原子核之间存在比静电斥力大得多的核力，而这种核力只有当核子间相互接近到米距离以内时才显现出来。由于核力将核子聚集在一起，所以要把一个核分解成单个的中子或质子时必须反对核力做功，为此所需的能量叫做核的结合能。它也就是单个核子结合成一个核时所能释放的能量。如果要把原子核内部的核子一个一个地拉开，那么就得消耗与核结合能相等的能量，反之核子结合在一起就会放出同等数量的能量。
根据爱因斯坦的质能方程：
其中，为反应前后变化的能量，为反应前后变化的质量，c为光速，。通常，用电子伏（eV）来表示粒子的能量。1eV表示一个电子经过1V的电位差电场作用时获得的能量。我们可以算出：
1原子质量单位=931.2MeV
以氦原子（）为例，它是由两个中子、两个质子和两个电子组成。组成氦原子的两个质子两个中子和两个电子的质量总和是4.03298原子质量单位，而原子质量的实测值是4.0028原子质量单位，这比氦原子的实际质量多0.03018原子质量单位。这样的称为质量亏损，有这一值就可以算出氦核的结合能：
=0.03018931.228.1MeV
称为核的总结合能。而每个核子的平均结合能等于总结合能除以核内的核子数，我们用已知的数据可以算出所有同位素的每个核子的平均结合能，其结果如下图所示：
从图中可以看出轻核和重核的平均结合能都要比中等质量核的平均结合能小，如果能使两个轻核聚合成一个中等质量核或者一个重核分裂成两个中等质量核，那么就有能量放出，这种能量就是核聚变能或核裂变能。
1.2核裂变
在自然界中，原子序数很高的某些元素，如铀、钍、镭等，它们的核很不稳定，自发的放出射线，变为另一种元素的原子核，这种现象称为放射性衰变，在这里由于篇幅的关系就不作详细叙述。
1938年底哈恩（H.Hahn）和史特拉斯蔓（F.Strassmann）在前人实验的基础上进行了铀被中子撞击的实验，发现有钡（Z=65）的产生。他们提出铀核发生了裂变，分裂为两个不同的原子核。这个看法很快被有关科学工作者所公认，接着对裂变的研究很快开展起来，发现和裂变的情况不同，前者需要1.1MeV以上的快中子打击才能发生裂变；后者只要很慢的中子（热中子）就可以发生裂变，而且效率比快中子还要高。
裂变的过程是被打击的原子核先吸收中子，形成复核，然后裂开，下式表示裂变的情况：
其中X和Y代表裂开的二碎块，往往质量不相等，分布在一个较宽的范围，其分布图如下：
其中最高几率出现在A=96和A=140左右。碎块中含有的中子数过多，是不稳定的，所以裂开后，即刻放出几个中子，每次平均放出2.5个，大约有99.2%的中子在秒内放出。除放出中子外，碎块往往以衰变方式连续衰变到稳定核为止。
裂变能释放很大的能量。我们从稳定核的结合能作一个估计，可算出在A=236附近，每个核子的平均结合能是7.6MeV，在A=118附近每个核子的平均结合能是8.5MeV。根据这些数据，对裂变为质量相等的两个原子核并达到稳定状态一共放出多大的能量可以作一个估计：
上面我们只是假设了裂变为质量相等的两碎片（实际上裂变为两质量相等的两碎片的几率是很小的），计算得出释放的能量大约是210Mev，实际上铀核裂变生成的两个新核不管是什么，其释放出来的能量大约是200Mev，而且这些能量主要是裂变碎片的动能形式转化为热能。根据实验测定，一个铀核分裂的能量分配大致如下：
裂变碎片的动能 168MeV
裂变中子的能量 5MeV
瞬发γ射线的能量 5MeV
从裂变产物中放出的β射线的能量 7MeV
从裂变产物中放出的γ射线的能量 6MeV
中微子能量 10MeV
总和 201MeV
设有一克全部裂变，那么释放出来的全部能量，按上述数值合算，就有的能量，相当于2.5吨煤的燃烧热。所以裂变能是相当大的，如果我们能把它利用起来，这将为人类解决很大一部分能源问题。
但是，这是实验获取的裂变能。我们怎样才能将核裂变能利用起来呢？前面说到每次裂变时平均放出2.5个中子，这些中子被附近的铀核吸收，又发生裂变，产生第二代中子，第二代中子又被铀核吸收、裂变产生第三代中子，以此类推。如果中子没有损失或者损失很少，这样的反应连续进行下去，反应可能逐渐增强，成为爆炸性的。在裂变链式反应中释放出来的能量是目前能够利用的原子能的来源。关于裂变链式反应能量的利用有两种：原子反应堆和原子弹。
原子反应堆是把铀和其他材料按一定的设计装置起来，使其发生裂变的链式反应，从而获得能量，这样的装置称为原子反应堆。核电站就是利用原子反应堆来发电的。
原子弹是把纯（或）集合在一起，裂变出来的快中子激发链式反应。由于原子弹没有减速剂，所以原子弹发生的链式反应在很短的时间内进行，于是发生爆炸。
1.3核聚变
除了裂变可以获取核能之外，还有一种获取核能的方法——核聚变。前面已经提到过，轻核聚合成中等质量核（聚变）和重核分裂成中等质量核（裂变）的过程都要释放能量。下面我们看几个聚变的反应：
…………………………①
…………………………②
…………………………③
…………………………④
…………………………⑤
…………………………⑥
上面第①式中的产物是第④式中的聚变材料，第②式中的产物是第③式中的聚变材料所以发生前4种反应的直接或间接材料都是。在这4种反应中用去6个，放出能量43.2MeV，单位质量放出3.6MeV。而每粒释放的能量大约是200MeV，单位质量的放出的能量是200/235=0.85MeV。所以单位质量的释放的能量要比单位质量的释放的能量要大的多，那么1克聚变释放的能量相当于10吨煤燃烧放出的能量。
要使聚变反应能够成为能量的来源，反应必须达到足够的强度。
在上图中可以看到，要完成前四式的反应，必须有0.01MeV以上的动能，才有足够的截面可以希望获得有用的能量输出。有人想到了用加速器加速的办法，但是把加速的打在固体的靶上时，大量的能量消耗在与电子的碰撞上，能发生聚变的几率很小。
分析了上述不能用的方式的时候，科学工作者们得出了一个结论，只能用高温等离子体聚变的方式。
把等离子体加热有几种方法：对等离子体作绝热压缩，功转化为热能，使温度升高。先把电子加热，电子把能量传给离子。做法是以大电流同过等离子体。把在加速器中加速，使其能量超过热核反应所需要的能量，然后注入等离子体中，起“点火”的作用。这些方法目前都在试用，也有几种方法联合使用的。
高温等离子体中，电子和正离子接近时有加速度，就会产生电磁辐射，这就是轫致辐射。这样就有能量损失。同时热核反应在进行着，要放出能量。必须做到热核反应释放的能量大于轫致辐射损失的能量温度才能保持，热核反应才能继续下去。具科学家们计算，温度必须高到热核反应才能继续下去。
这样高温的等离子体是不能与容器接触的，接触的容器可能被融化或蒸发，立即有原子序数较高的元素参与到等离子体中，以致发生强的轫致辐射，等离子体温度就会下降。这就需要我们把等离子体加以约束，使它发生聚变时脱离器壁。目前约束等离子体有两种方法，一是磁场约束，二是惯性约束。除此之外，要使热核反应继续下去还必须有适当的离子密度，要有一定的约束持续时间。根据劳逊判据，要求等离子体的粒子密度和约束时间的乘积达到以上。
在磁约束方面，托卡马克装置是较为理想的装置，1954年于苏联建成。此后世界上建造了许多托卡马克装置，如美国普林斯顿大学的ATC、橡树岭国家实验室的ORMAK、麻省理工学院的Alcator、英国的Cleo、法国TFR400、西德恩德Pulsator和日本的JFT—2等。这批装置一般称为第一代托卡马克装置。在此基础上，紧接着又建造了规模较大的第二代托卡马克装置，典型的有美国普林斯顿大学的PLT、苏联的T一10、美国通用原子能机构的Doublet和西德伽兴的ASDEX。这批装置在20世纪70年代中期先后投入运行，并获得重要进展。为了研究接近聚变点火条件的高温等离子体性质，开始设计第三代托卡马克装置。这就是美国的TFTR、欧洲的JET、日本的JT-60和苏联的 T一15。前3个装置已分别于1982年、1983年和1985年投入运行，取得非常显著的成果。1991年l1月9日，在JET装置上首次获得了17MW 的受控聚变能。接着，1993年在TFTR装置上通过氘氚等离子体燃烧获得了l0MW 的聚变能。1997年，JET装置获得16MW聚变能。
ITER是International Tokamak Experimenta Reactor的缩写，即国际托卡马克实验堆。1986年美国里根总统和前苏联共产党总书记戈尔巴乔夫倡议在国际原子能机构(IAEA)框架下进行ITER的国际合作计划，只能有美国、前苏联、日本和欧洲共同体四方参加，其他国家要参加只能是上述四方的伙伴。它是1987开始的，经过1987－1990三年概念设计阶段(Conceptual Design Activity CDA)、1991－1996六年工程设计阶段 (Engineering Desig Activity EDA)，基本上完成了ITER的工程设计(共花去10亿美元)，此后又花了20亿美元，对7项关键工程进行了研究与开发。估计到本世纪中叶，聚变能够实现商用化。
我国是从50年代后期开始涉足受控核聚变研究领域的。1993年我国把“惯性约束核聚变”作为一个独立课题列入了国家“863”计划，加速了我国对惯性约束核聚变研究的步伐。我国对受控核聚变的研究主要有两大研究基地：核工业西南物理研究院(成都)和中科院等离子体物理研究所(合肥）。20世纪70年代左右，中科院物理所的CT-6和中科院等离子体所的HT一6B，HT一6M 等小型托卡马克装置对放电物理等课题进行了研究。1984年，中国环流器一号(HL一1)投入运行。1992年，HL一1改造成HL一1M。1994年，中科院等离子体所成功研制HT一7超导托卡马克，使中国成为继法、日、俄之后第4个具有超导托卡马克装置的国家。目前，中科院等离子体所组建了世界第一座具有偏滤器位形的全超导托卡马克装置EAST(Experiment Advanced Superconducting Tokamak)。它具有大拉长非圆截面的全超导托卡马克核聚变实验装置，EAST主要研究长脉冲，原名HT一7U。1997年经国家科技领导小组同意立项，在中科院等离子体所建造。1998年正式立项，于2000年开开始组建。在其上高参数稳态运行条件下，进行先进运行模式的实验研究。EAST的成功建造、运行和实验将使中国聚变界在开发聚变能源的研究领域做出重大贡献。
我们相信，随着我国综合国力的增强和国家对聚变研究的大力支持，我国开发聚变能的研究一定会跨入世界先进行列，并为人类社会的可持续发展做出更大贡献。
核能的运用
2.1核电站
世界能源的供应问题要得到很好的解决，必须依靠太阳能和核聚变能，这是一般公认的事实。但在数十年内，这两类能源还不可能大规模应用。在过渡时期，将更多依靠火电、水电和核电。
核电站是利用核反应堆进行发电的。核反应堆包括三个方面的技术：快中子增殖堆、高温气冷堆、聚变——裂变混合堆。目前世界核电站60%采用的是压水堆（热中子反应堆），正在建设的发电机组中70%采用的是压水堆。我国已经选定今后将以压水堆为现阶段发展的基本类型，并以自主设计的秦山30万千瓦核电站和引进的大亚湾万千瓦核电站两个模式来掌握技术、积累经验，为压水堆核电站的开发创造条件。并确定今后将以单机100万千瓦级的压水堆核电站机组实现标准化、批量化、国产化。下面简单介绍压水堆核电站。
核电站与火电站的区别仅仅在于热源的不同。火电站依靠燃煤、石油或天然气来取得热量，用以把锅炉中的水变成蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。核电站反应堆一回路中的冷却水流过核燃料元件表面，把裂变产生的热量带出来，再通过蒸汽发生器时，又把热量传给二回路中的水，把它变为蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。
一回路系统是利用反应堆核燃料裂变放出的热量加热冷却水（高压水）的装置。压水堆内冷却水的压力一般为14.14到16.16兆帕，为了防止水在反应堆里发生沸腾，反应堆出口的冷却水温度一般限制在483K左右。
二回路系统是将蒸汽的热能转化为电能的装置。二回路系统由饱和蒸汽轮机、发电机、凝汽机、凝结水泵、高低压热器、除氧器、给水泵、循环水泵、中间汽水分离器、再热器和相应的阀门、管道组成。
反应堆的核心部件是燃料元件，现代压水堆用烧结的二氧化铀小圆柱体芯块做燃料，装入耐腐蚀、抗辐射的锆合金包壳管，在两端加以封闭，成为燃料棒。一座反应堆的堆芯，可以包含几百个甚至几千个燃料元件。反应堆堆芯又称反应活性区，它是核反应实现核燃料裂变反应而将核能转化为热能的能量释放处，又是核反应堆强放射性发源地。因此堆芯是核反应堆极其重要的部分。
反应堆是实现可控核裂变以产生核能的设备。核能主要以热能的形式释放出来，被流经反应堆的一回路高压冷却水带走（这就是压水堆名称的由来）。水的压力为15.19兆帕，冷却水是由一回路主泵送入反应堆的。水在堆芯中吸热，温度升高后流出反应堆。一回路中水就这样循环，不断将热量带到蒸汽发生器传给二回路水。一回路水不但起着反应堆的冷却作用，同时还起着慢化中子的作用。二回路水（蒸汽发生器壳侧）的压力较低，受热后蒸发成饱和蒸汽，经汽水分离器除去水后，从蒸汽发生器顶部流出，沿主蒸汽管流向汽轮机，带动发电机发电。
1954年6月27日，前苏联建成了世界上第一座原子能发电站，尽管它只有5000千瓦的发电功率，但它揭开了人类和平利用核能的新纪元，它的建成标志着人类第二次能源革命的开始。核能发电作为一种新能源，受到了世界各国的重视。50多年来，世界核电发展史证明了核电是一种经济、清洁和安全的能源。其他发电站的综合成本比核电站要高出38%，法国的核电成本只是燃煤火电的52%。燃煤火电站会向大气排放大量污染物，而核电站不会排放任何污染物。
到2006年11月，全世界共有442座核电站在运转发电,装机总容量达3.70921亿千瓦。还有28座正在建设中，拟建的达161座之多。目前全球核电占电能的比例平均为16%，已有16个国家核电在本国发电量中的比例超过25%。我国自行设计制造的第一座核电站——秦山30万千瓦压水堆核电站已于1991年12月15日并网发电成功。秦山核电站的并网发电是我国核电事业的重要里程碑，它标志着我国大陆无核电历史的结束，同时标志着我国已具备设计和制造核电站的能力。截至目前，我国共有10台发电机组，总装机容量约为870万千瓦。但我国核发电量占总量却不到2%，远不到世界16%的平均水平，更远远低于法国的79%和立陶宛的78%的水平。根据规划，到2020年，中国核电装机比例将从目前的1.6%上升到4%左右，核电的装机容量将达到约4000万千瓦左右，这个速度相当于每年建一座“大亚湾”。长远来看，中国的核能发电潜力巨大。
2.2军事应用
核能的利用最先是在军事上，为了第二次世界大战的需要，赶在纳粹德国之前制造出原子弹，从1941年到1945年，美国历时5年，共动用了50万人，15万名科学家和工程师，耗资20亿美元，用电占全美电力的1/3，进行原子弹的研究。原子弹的实际制造是在后来被誉为“原子弹之父”的科学家奥本海默的领导下于1943年末完成的。1945年7月16日，美国第一颗原子弹试验成功。同年8月6日和9日，美国政府将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎，迫使日本帝国主义投降。
由于原子弹的巨大破坏力,它成了冷战时期重要的战略武器，各国竟相研制。1949年前苏联、1952英国、1961年法国、1964年中国、1968年印度相继爆炸了自己的原子弹或核装置。战后核军备愈演愈烈，根据联合国公布的资料，当时全世界共有核弹头上万个，爆炸当量约为150亿吨TNT炸药，全球每人要受到相当于3吨TNT炸药的核威胁，因此有人把原子弹称为“毁灭地球的发明”。
原子弹又名核弹，裂变弹。其形状同普通的重磅炸弹差不多，而构造却完全不同。其主要由核装料（核燃料）、引爆装置、中子反应层、中子源和弹壳组成，核燃料是分成小块的高浓度裂变物质。原子弹先用高效炸药，将两块或多块处于临界状态的高浓度核燃料，在极短的时间内从两面或四面八方压缩到一起，达到瞬发的高度超临界状态。原子弹里没有慢化剂，那里每一代中子的寿命可以短到一亿分之一秒以内，传种接代的速度非常快，从而可以在核燃料来不及分散的百万分之一秒内，使大量的原子核裂变，释放出巨大能量，达到爆炸的目的。
氢弹，1952年11月1日，美国进行了世界上首次氢弹试验。这颗氢弹是以液态氘作热核装料，自重60多吨，只能放在地面上爆炸，爆炸威力为1000万吨TNT当量。1954年3月1日第一个用氘化锂做聚变材料的氢弹试验成功，其威力为1500万吨TNT当量，这是美国试验过的威力最大的氢弹。前苏联于1955年11月22 日实现了世界上第一次氢弹空投试验，用氘化锂作热核装料，威力相当于160万吨TNT当量，它是世界上第一个可用于实战的氢弹。我国于1967年6月17日成功爆炸了第一颗氢弹，原子弹、氢弹的研制成功大大增强了我国的国防力量。
中子弹又称增强辐射武器，它是以高能中子辐射为主要杀伤因素的小当量氢弹。研制中子弹的目的是尽量减小对建筑物等的破坏，而尽可能提高对敌方人员的杀伤力。已经知道，核武器释放的能量有三部分：冲击波、光辐射与核辐射(主要是中子与射线)。对建筑物造成破坏的主要因素是冲击波和光辐射，而对人员杀伤的主要是核辐射。中子弹就是利用氘氚核聚变反应释放高能中子来达到提高中子辐射效应的，从而增强对敌方人员的杀伤力。根据裂变和聚变反应的能量分配分析，一个铀核裂变放出2—3个中子和约170MeV裂变碎片的核动能(总裂变能约200MeV)，如以释放2.5个中子计算，裂变每放出1个中子，平均释放约68MeV的动能，而氘氚核聚变除放出1个14.1MeV高能中子外，只释放3.5MeV的核动能。这表明，相同核爆炸威力(或核动能)时，聚变比裂变放出的中子多。因此中子弹特点是爆炸当量小，而高能中子辐射强的一种小型氢弹，这样冲击波对建筑物的破坏效应小，中子辐射对人员的杀伤力大，同时由于裂变成分占的比例小，放射性污染也相对的少。美国在1963年试验成功了中子弹，现在已拥有导弹用的、榴弹炮发射等多种型号中子弹。我国在20世纪70年代和80年代就相继掌握了中子弹设计技术和核武器小型化技术。
核能在军事上的第四种运用是核潜艇技术。战后美国开始执行核潜艇计划，1954年1月，美国第一艘核潜艇下水。和普通潜艇相比，核潜艇的不同在于它将动力源改为核动力装置，其核动力其实就是一个反应堆。由于反应堆运行不需要来自水面及水下的空气，又不需要携带大量燃料，因此核潜艇在续航力、水面及水下航行速度、下潜时间等方面将常规潜艇远远地抛在后面，成为海军武器中的佼佼者。
自1990年以来，世界服役的潜艇数量从800艘左右下降到400艘左右，然而核潜艇数量下降得更多，从330艘左右下降到了140艘左右。核潜艇的反应堆都是采用压水堆。其中，前苏联大多数核潜艇采用双堆方式。50多年来，国际上有不少关于核潜艇失事报道，但从没有过有关核反应堆失事的报道，因此可以说核能是安全的能源。
最近，美国通用动力公司电船部用4年时间，耗资30多亿美元，研制成功世界最新攻击型核潜艇，美国海军将其命名为“海狼”号，它是目前噪声最小、速度最快、潜水最深的核潜艇之一。
核能与核技术在军事上的运用还有核动力航空母舰和核动力火箭。但冷战结束后，核能开始大规模地转移到和平利用上来。
2.3核能的生活应用
核能除了发电、军事用途之外，利用核裂变反应得到的核动力，还可以用于炼钢、推动动力机械、海水淡化处理、煤的气化和液化、建筑物供热采暖、空调制冷及热水供应等。
反应堆是一个非常大的中子源，是进行基础科学与应用科学研究的一种十分重要的研究工具。在医学中利用反应堆产生的中子可以治疗癌症，这是因为许多癌组织对硼有较好的吸收，而硼经过反应堆的中子辐射后，会对癌细胞起破坏作用，可以杀死癌细胞。另外，利用辐射技术还可以对医疗用品进行辐射灭菌消毒。它不像加热消毒那样耗费巨大成本，又不像化学剂消毒那样污染环境又暗藏隐患，辐射灭菌可以在室温下和封装的情况下处理，消毒彻底，不污染环境有节省能源和人力，并可实现连续化生产，80年代末全世界80%的医疗器械是采用辐射灭菌的。
利用反应堆还可以对海水进行淡化，利用堆芯产生的热量将海水加热蒸馏，可以得到淡化的净水。美国设计了一种核能淡化水装置，给驻南极的越来越多科学家们使用，他们可以用这种装置直接从海湾取水淡化，每天能淡化海水50多吨，解决了用水问题。
锝的辐射也被用来造福人类，不再是对人体造成致命伤害的东西。食品经过放射加工辐射工艺可以保鲜，经过近50年世界性的研究表明，食品辐射工艺是一种安全、卫生、经济、有效的食品保藏新技术。经过辐射处理的根茎类食品能在室温下长期保存，不致发芽，它能杀死深藏在谷物、果实内的害虫或鲜肉中的寄生虫，还可以延迟新鲜果品的成熟，不致很快腐烂，而且经过辐射处理的食品，不破坏外形，不影响品质，不带药物残余，还可以改善食品品质。利用核辐射的电子射线等照射废水、污泥可以使污染水源的污物得到清除，它能产生一系列的物理、化学、生化反应，破坏病毒、病菌等微生物里生命攸关的核酸酶或蛋白质，导致代谢紊乱、繁殖受阻，最后死亡，达到消毒的目的。
目前世界上已有80多种辐射食品和近百种调味品投放市场，此外国际上还成立了“辐射食品安全合作机构”，可以想象不久的将来，辐射食品将会像罐头食品、冷冻食品一样出现在普通的货架上。
在治理环境污染，保护大自然生态平衡方面，辐射技术也大显身手。加速器电子束可以去除煤、石油、矿石等燃烧后排入大气中的废气中的有毒成分，如氮、硫等。美国和日本在这些方面进行了深入研究，他们用这种方法可以清除80%的有毒物质。1984年，日本荏原机械制造公司在美国印第安纳州建立了这种除废气装置，到2000年，以欧美国家为主，采用此方法的废气处理装置的市场规模将达到60亿美元。
1981年，法国召开了关于放射性同位素的辐射工业应用的国际会议，专门成立了“辐射处理废物及其回收使用”。对辐射技术的广阔前景做了估计。
到上世纪70年代，核能与核技术已在许多方面形成了新兴的产业，在西方发达国家，核技术的应用已经深入到国民经济的各个领域，技术日趋成熟，并不断取得新进展。
2.4核能的优缺点
目前，在核能方面用得较多的还是利用核裂变能进行发电。核电跟其他传统电站相比有着很大的优势。在环境方面，核电站不会像其他以化石为原料的电站那样产生大量的污染质排放到大气中，不会对空气造成污染，不会加重地球的温室效应。也不会像水电站那样对生态造成一定的影响。
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1000万千瓦的核能电厂一年只需30公斤的铀燃料。
在成本方面，核能发电有着很大的优势。按照10%的利率计算，每千瓦时的发电成本，核能为4.0美分，煤为4.7美分，天然气为5.1美分。按5%的利率计算，每千瓦时的发电成本有所下降，核能为2.6美分，煤为3.7美分，天然气为4.3美分。此外，化石燃料价格的上涨使核能更具有优势。
但是，地球上的能够利用的核裂变原料是有限的，已知的全世界铀矿共245.8万吨，只能用50年，加上其他的核裂变原料（钚、钍、镭等）也只能用上几百年。而且铀的分布也是不均匀的，其中澳大利亚70.2万吨，加拿大33.4万吨，南非23.1万吨，哈萨克斯坦38.4万吨，而中国、美国、俄罗斯分别只有3.5万吨、10.2万吨、12.4万吨。还有一些铀资源缺乏的国家不得不放弃使用核电站，比如德国就是用可再生能源取代核能的。
在前期投资上，建造一座核电站所需要的资金要远远高与其他电站，成本要高得多，其技术含量也比其他电站要高得多。所以，世界核电并不能取代其他电站。
另外，核电每年要产生一定量的核废料。我们知道，经过核裂变后的多种产物都具有放射性，其半衰期一般都很长，对人体和环境以及生态都是有害的。所以核废料处理不好，对人类来说不是造福，而是灾难。纵观核能使用的历史，出现过多起核泄露事件。其中最严重的一起是乌克兰的切尔诺贝利核电站。1986年4月26日，乌克兰的切尔诺贝利核电站发生泄露事件。事故发生时当场死2人，遭辐射受伤204人。周围30公里宣布为危险区，撤走居民。灾后两年之中，26万人参加了事故处理。清洗了2100万平方米“脏土”，为核电站职工另建了斯拉乌捷奇新城，为撤离的居民另建2.1万幢住宅。这一切，包括发电减少的损失，共达80亿卢布(约合120亿美元)。乌克兰政府已作出永远关闭该电站的决定。另外日本也发生过几起核电站泄露事件。虽然核电相对安全，但一旦发生事故将会造成重大的损失。
尽管核能有很多缺点，但人类能源问题的最终解决可能还是利用核聚变能进行发电。与裂变相比，聚变原料的来源是相当丰富的，而且几乎不存在核废料的处理问题。海水里含有，和的原子数之比是1：0.00015,按重量计算，结成的水大约是海水的六千分之一，每克聚变可以放出千瓦时的能量，而地球海水的存量是吨数量级。海水蕴藏的所能供给聚变能是千瓦时的数量级，按目前世界能量消耗率估计这可以用几百亿年。如果聚变能够大量的受控发生，那么人类的能源问题就完全解决了。现在各国科学家们正在不断努力，估计到本世纪中叶，核聚变能的利用能够实现商业化，人类能源问题指日可待。
3. 结论
核能与核技术目前正处于成长和成熟时期，其主要标志是基础核技术与核军事技术已趋于成熟，形成产业，并且具有相当可观的价值。而其他方面尚有大量的新领域正待开发，世界各国却大量投入人力、物力进行开发，经济效益和社会效益激增。而且一些核研究人员和科学家估测目前核技术应用的开发仅为其最大技术潜力的30%—40%，核能与核技术强大的技术优势决定了其强有力的生命力，是其他技术无法取代的。它在解决人类面临的一些重大问题，如能源、环境、资源、人口和粮食等方面具有极为重要的作用，而且对于传统行业的改造和促进新技术革命的到来将产生深远影响。
体会与总结
近3个月的毕业论文撰写工作已经完成，在这过程中，体会颇多。首先，任何人想成功的作好某件事情，必须有备而来，有目的而来，怎么理解呢？就是人想成功的作好一件事情，必须要有相当过硬的专业知识，技能，以及适当的外部环境作为基础，而且还要有必胜的决心和信心。其次，在困难面前不要气馁，要有耐心，锲而不舍，独立的思考如何去解决问题。这样做，一是避免麻烦别人，二是有利于增强自身的分析问题，解决问题的能力。第三，对有争议或疑问的问题，应该与人沟通，共同商讨，共同解决。对某些问题，个人受知识水平、阅历的限制，对它的见解可能不全面，甚至是误解。只有通过多人相互交流，听取不同的意见和建议才可能有相对全面的答案。第四，珍惜他人劳动成果，任何一门科学的发展过程都是来之不易的，其中经历过多少曲曲折折、反反复复。也倾注了不少科学研究者的毕生心血。
总之，在论文的整个完成过程中，我体会到了完成论文的不易，深刻理解到成功的背后的那种锲而不舍，相互协作的精神，对我今后的学习和工作有很大的意义。
谢辞
论文得以顺利的完成，要感谢的人实在太多了。首先要感谢杨晓龙老师，因为论文是在杨老师的悉心指导下完成的。本论文从选题到完成，每一步都是在杨老师的指导下完成的，倾注了杨老师大量的心血。在此，谨向杨老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢杨老师在我撰写论文的过程中给予我的极大地帮助。
同时，论文的顺利完成，离不开其它各位同学和朋友的关心和帮助。在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。
另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识。感谢评阅论文的老师，感谢学校领导给予我们这样宽松、舒适的学习环境和生活环境。这也是论文得以完成的基础。
参考文献、资料
1、潘康，核能及其应用前景，《中学物理教学参考》，2001.9
2、莫恭敏，受控热核聚变研究五十年，《现代物理知识》，1999.02
3、褚圣麟，《原子物理学》，北京：高等教育出版社，1979.6
4、薛志宁，开拓人类能源时代的裂变能，《现代物理知识》，2001
5、韩运旗，从核能到核武，《今日视点》，2002
6、顾忠茂，核能与先进燃料循环技术发展动向，《现代电力》,2006.10
7、顾忠茂，氢能利用和核能制氢，《原子能科学技术》，2006.1
8、姬文壮，贾海军，适与核能海水淡化的低温多效蒸馏技术研究，《原子能科学研究》，2006.9
9、欧阳予，先进核能技术研究新进展，《自然杂志》，28卷3期
10、邱励俭，爱因斯坦与核能，《力学与实践》2005.12
11、布丹斯基，《核能：原理、实用和展望》，1996
12、四川工业学院，《物理学与“863”高技术》，1998.7
13、陈学俊，袁旦庆，《能源工程》2002.8
14、沈文权，中国核电工业可持续发展的战略思考，《中国能源》，27卷7期，2005.7
转载▼
No comments:
Post a Comment