第九章核能的和平利用

1、1第九章第九章核能的和平利用核能的和平利用20世紀(jì)是人類文明迅猛發(fā)展的重要階段，但這種發(fā)展主要依賴無節(jié)制地開發(fā)利用煤、石油、天然氣等化石燃料的自然資源。而這些有限的、不能再生的自然資源無法長期滿足日益增長的世界能源需求。據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，地球上尚未開采的原油儲(chǔ)藏量已不足2萬億桶，可供人類開采的時(shí)間不超過100年，石油和天然氣將在21世紀(jì)末趨于枯竭。盡管煤炭資源相對(duì)比較豐富，據(jù)世界能源大會(huì)提供的資料，世界煤炭的探明可采儲(chǔ)量約為9.84

2、21011t，但也只可供人類開采200余年。到2500年左右化石資源將消耗殆盡。在人們將這些化石資源轉(zhuǎn)換成能源并加以利用的同時(shí)，也給地球上的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，使人類生存空間受到了極大的威脅。如人類大量消耗的有機(jī)礦物，每年向大氣排放的二氧化碳多達(dá)2.101010t，并隨著工業(yè)的快速發(fā)展呈明顯上升趨勢(shì)，而且還伴隨有其它有毒物質(zhì)SO2、NOx產(chǎn)生，給人類的生存環(huán)境帶來了巨大的災(zāi)難。隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源生產(chǎn)與消費(fèi)之間、能源與環(huán)境之

3、間的矛盾越來越大，有限的能源儲(chǔ)量已無法滿足人類日益增漲的需求，能源形勢(shì)越來越嚴(yán)峻。為了應(yīng)對(duì)能源供應(yīng)緊張和能源消耗過程中帶來的生態(tài)環(huán)境惡化等情況，應(yīng)充分利用現(xiàn)有傳統(tǒng)能源、研究節(jié)能新技術(shù)、積極開發(fā)新能源，開展能源與環(huán)境的關(guān)系研究。新能源是相對(duì)于傳統(tǒng)能源而言的，通常是指核能（裂變能和聚變能）、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⒊毕?、生物質(zhì)能、海水溫差發(fā)電等。此外，對(duì)于能提高能源利用效率和改變其使用方式的技術(shù)如磁流體發(fā)電、煤的汽化和液化等，則是新的能量轉(zhuǎn)

4、換技術(shù)，也屬于新的能源技術(shù)范疇。當(dāng)今，石油價(jià)格的上漲和科技的進(jìn)步，促進(jìn)了新能源的開發(fā)和利用。盡管風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⒊毕?、生物質(zhì)能、海水溫差發(fā)電等綠色能源越來越引起科學(xué)家們的重視，但是，上述這些能源由于受地理位置、氣候條件等諸眾多因素限制，很難在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。目前，只有核能才是一種可以大規(guī)模使用且安全經(jīng)濟(jì)的能源。核能主要有兩種，即核裂變能和核聚變能。它們的可利用資源非常豐富，其中可開發(fā)的核裂變?nèi)剂腺Y源（含釷）可使

5、用上千年，核聚變資源可使用幾億年。裂變核能至今已有了很大發(fā)展。由于核裂變發(fā)電用核燃料的生產(chǎn)及發(fā)電過程中產(chǎn)生的核廢物危害性較大，相對(duì)于核裂變，核聚變更清潔，因此，科學(xué)家們普遍看好的是利用可控核聚變反應(yīng)所釋放的巨大能量來產(chǎn)生電能。核聚變發(fā)電目前仍處于研究開發(fā)中。目前，世界上許多國家和地區(qū)都在大力發(fā)展核裂變發(fā)電，并積極開展國際合作，促進(jìn)核聚變發(fā)電的實(shí)現(xiàn)。本章將簡(jiǎn)單介紹核能的來源、類型及核能的非軍事應(yīng)用。3據(jù)測(cè)算，1kg235U全部裂變后釋放出

6、的能量，相當(dāng)于2.7103t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的化學(xué)能。在不加控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，從一個(gè)原子核開始裂變放出中子，到該中子引發(fā)下一代原子核的裂變，只需一納秒（109s）時(shí)間。在非常短的時(shí)間以及有限空間內(nèi)，核裂變所放出巨大的能量必然會(huì)引起劇烈地爆炸。原子彈就是根據(jù)這種不加控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理制成的。通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的控制，使核裂變能緩緩地釋放出來，可用于直接供熱或發(fā)電等。核裂變電站就是利用可控核裂變來發(fā)電的。產(chǎn)生核裂變能所使用的核材料主要是235

7、U、239Pu。235U在天然鈾中的豐度只有0.7％左右。232Th、238U等盡管在自然界中豐度高、貯量大，并不能直接用于核裂變能的生產(chǎn)，但這些易增殖材料可以在快中子作用下通過核反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?33U、239Pu等易裂變的優(yōu)質(zhì)核燃料，從而大大提高資源的利用率。僅就現(xiàn)在已經(jīng)探明的鈾貯量也足以用到核聚變能和太陽能取代核裂變能的時(shí)代。二、核聚變能二、核聚變能核聚變是由兩個(gè)或多個(gè)輕元素的原子核，如氫的同位素氘（）或氚（）的原子21H31H核，聚合

8、成一個(gè)較重的原子核的過程。在這個(gè)過程中，由于某些輕元素如氘在聚變時(shí)質(zhì)量虧損較核裂變反應(yīng)時(shí)大，根據(jù)E=mc2，核聚變反應(yīng)將會(huì)放出更多的能量。聚變反應(yīng)有很多種，較易實(shí)現(xiàn)的有以下幾種，并均已在實(shí)驗(yàn)室中觀察到放能現(xiàn)象：（92）343464743.254.0017.618.3222.4217.3DDHenMeVDDTpMeVTDHenMeVHeDHepMeVLiDHeMeVLipHeMeV??????????????????????如原子彈一樣，

9、如果對(duì)聚變反應(yīng)不加以控制，氫的同位素氘（D）、氚（T）發(fā)生核聚變反應(yīng)時(shí)瞬間釋放出大量的熱，從而產(chǎn)生爆炸。氫彈就是利用這個(gè)原理來制造的。氫彈的爆炸是一種不可控制的釋能過程，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間非常短，僅為百萬分之幾秒。而作為一種能源，人們期望聚變反應(yīng)能在人工控制下緩慢、持續(xù)地發(fā)生，并把所釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能輸出。這種人工控制下發(fā)生的核聚變過程被稱為受控核聚變。由于氘、氚聚變時(shí)釋放的能量巨大、聚變反應(yīng)產(chǎn)物放射性污染小、聚變堆安全性好，以及氘的來