洛南倉頡學校黃嶸核能及其應用新能源----時代的呼喚

目前困擾人類社會的三個主要問題是什么？

（環境污染，自然資源（主要是能源）短缺和人口爆炸性增加）其中至少有兩個（環境污染和能源）可以靠核能能得到緩解。那么什么是核能，它是怎樣產生的，有什么優點，它與我們常聽說的核武器有什么聯系呢？今天我們就來探討這一問題。

眾所周知，能源是一個國家國民經濟的重要基礎之一，是國民經濟可持續發展的強有力的保證。人類進化發展的過程，是一部不斷向自然界索取能源的歷史。從我們的祖先鉆木取火開始，人類在與大自然斗爭的漫長過程中，利用各種能源，不斷提高自己戰勝自然的本領，推動著文明的進步。現代社會中能源的人均消費已經成為衡量一個國家發展程度和人民生活水平高低的重要標志之一。按現在的能源消耗，世界上的石油、天然氣和煤等生物化石能源將在幾十年至200年內逐漸耗盡這些地區及我國經濟發展的巨大障礙。煤、石油、天然氣是重要的華工原料，用作燃料燒掉非常可惜。同時，大量燃燒煤炭和石油嚴重地污染了環境，危及生態平衡。因此我國迫切需要一種新能源----核能。

在傳統的能源構成中，火力發電和水力發電都有其局限性。例如，煤炭和石油發電時，在消耗了大量寶貴的化石資源的同時，放出的廢氣嚴重地污染了環境，使人們的生存空間越來越惡劣；另外大量的燃料需求又給交通運輸部門增添了沉重的負擔。而水力發電方面，因為目前只有江河發電形成規模，其它尚未達到工業利用程度，所以，水力資源的發達程度就限制了其發展的空間。而核能作為一種新型的能源，具有得天獨厚的優越性。它利用地球中蘊藏豐富的放射性同位素鈾的裂變反應產生的巨大的能量來發電，效率既高又不污染環境。理論上來說，1公斤的鈾全部裂變所釋放出的裂變能，大約相當于2500噸煤或2000噸的石油燃燒時所釋放出的能量。隨著世界各國環境意識的加強，核能的重要性正在逐步被認識到，各國對發展核能的投入也呈穩定上升的趨勢。相信在下個世紀中，核能必將得到更廣闊的發展空間，這一優秀的能源形式必將得到更大的發展，從而使其更好地服務于人類和造福于人類。

核能的研究發展——從原子彈說起原子彈是科學技術的最新成果迅速應用到軍事上的一個突出的例子。從1939年發現核裂變現象到1945年美國制成原子彈，只花了6年時間。1939年10月，美國政府決定研制原子彈，1945年造出了三顆。一顆用于試驗，兩顆投在日本。1945年8月6日投到廣島的原子彈，代號為“小男孩”，重約4.1噸，威力不到20000噸。同年8月9日投到長崎的原子彈，代號為“胖子”，重達4.5噸，威力約20000噸。其他國家爆炸第一顆原子彈的時間是：原蘇聯——1949年8月29日；英國——1952年10月3日；法國——1960年2月13日；中國——1964年10月16日，印度——1974年5月18日。1945年7月16日清晨5時30分，世界上第一顆原子彈在美國新墨西哥州的沙漠地區爆炸成功，發射場的溫度高達1億華氏度，等于太陽表面溫度的1萬倍。發射區1.6公里內的所有生物全都蕩然無存。離發射場800米的一座32噸重的鋼塔成了一堆扭曲的廢物。發射場周圍800米的沙粒被融化成玻璃體，綠色透明似翡翠。事后的測算表明，這次爆炸試驗為1.86萬噸梯恩梯當量是預期的4倍。1945年8月6日和9日，美國分別在日本廣島和長崎兩市投下原子彈，使其遭到致名打擊，8月15日，日本無條件投降。據廣島、長崎兩市1977年《致聯合國的報告》稱，在原子彈襲擊中的死者和失蹤者，廣島約有15萬，長崎約8萬。迄今為止，因原子彈轟炸而死去的人廣島已達22萬多，長崎超過12萬。

今天，核武器僅僅是作為政治對抗中的威懾力量，因為任何一個國家一旦首先使用核武器，也就意味著自身的滅亡。政治家其實對核戰爭毀滅性的破壞認識得比軍人更清楚1964年10月16日，我國爆炸了第一顆原子彈，成功地進行了第一次核試驗。原子彈爆炸的成功吸引了全世界的目光，一夜之間中國跨進了核大國行列，全世界刮目相看。在這個追求實力的世界上，不斷發生著以強凌弱的事情，伊拉克、南聯盟這些無遠程打擊力量的中小國家的敗局從反面說明中國擁有原子彈的價值。核能的產生原理

是由質子、中子、和電子組成的。原子世界上一切物質都是由原子構成的。任何原子都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉的帶負電的電子構成的。

核能在50多年前，科學家發現鈾-235原子核在吸收一個中子以后能分裂，同時放出2-3個中子和大量的能量，放出的能量比化學反應中釋放的能量大得多，這就是核裂變能，也就是我們所說的核能。同位素質子數P相同而中子數N不同的一些原子，或者說原子序數Z相同而原子質量數不同的一些原子，它們在化學元素周期表上占據同一個位置，稱為同位素。所以，“同位素”一詞用來確指某個元素的各種原子，它們具有相同的化學性質。

原子核一般是由質子和中子構成的，最簡單的氫原子核只有一個質子、原子核中的質子核數（即原子序數）決定了這個原子屬于何種元素，質子數和中子數之和稱該原子的質量數。

鈾是自然界中原子序數最大的元素。它是一種金屬，在地殼中含量為四百萬分之一。天然鈾由幾種同位素構成：除了0.71%的鈾-235（235是質量數）、微量鈾-234外，其余是鈾-238。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。（見圖１）

鏈式裂變反應裂變反應是由中子引起的，而反應結果又產生了新的中子。如果能用新的中子引起新的核裂變，裂變反應就能連續不斷地進行下去，同時不斷產生能量。這種反應就叫做鏈式裂變反應。

原子核裂變過程核能電廠系統了解核能電廠的發電原理后，下一步便來看如何將這些核分裂所產生的熱，變成有用的電。這有賴核能電廠內的各個重要的系統來完成。核反應堆與鍋爐核反應核能發電的熱源來自于放射性同位素的裂變能。其中主要是鈾的同位素，它們在發生裂變反應時可以釋放出巨大的能量。它們通常以氧化物的形式被制成棒狀，作為燃料。在反應堆這一特殊裝置中，人為地使其實現自持性的鏈式反應，從而使熱能持續地釋放出來，帶動發電機組來發電。

反應堆，原子彈爆炸時鏈式反應的速度是無法控制的，為了使核能具有實用價值，必須用人工方法控制鏈式反應的速度，使核能比較平穩地釋放出來，核反應堆就是用來控制反應速度的裝置。反應堆種類很多，核電站中使用最多的是壓水堆。壓水堆中首先要有核燃料。核燃料是把小指頭大的燒結二氧化鈾芯塊，裝到鋯合金管中，將三百多根裝有芯塊的鋯合金管組裝在一起，成為燃料組件。大多數組件中都有一束控制棒，控制著鏈式反應的強度和反應的開始與終止。由于快中子容易被鈾238俘獲而不發生裂變，必需設法使快中子變成慢中子，為此在鈾棒周圍放上不吸收或很少吸收中子的物質，使快中子跟這些物質的原子核碰撞后，能量減少，變成慢中子。這種物質叫減速劑。常用的有石墨、重水和普通水。此外為了調節中子數目以控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒。鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈俚，使鎘棒插入深一些；當反應過于緩慢，達不到所需功率時，使鎘棒插入淺一些。鎘棒叫控制棒。

壓水堆以水作為冷卻劑在主泵的推動下流過燃料組件，吸收了核裂變產生的熱能以后流出反應堆，進入蒸汽發生器，在那里把熱量傳給二次側的水，使它們變成蒸汽送去發電，而主冷卻劑本身的溫度就降低了。從蒸汽發生器出來的主冷卻劑再由主泵送回反應堆去加熱。冷卻劑的這一循環通道稱為一回路，一回路高壓由穩壓器來維持和調節

核能電廠與一般火力電廠最主要的差別在于發電所需的熱功率來源的不同。由于核能發電是屬高能量密度能源的使用，如何有效、安全的將分裂所放出大量的熱，經由冷卻劑帶出是整個核反應堆設計的重點。

2.爐心架構與壓力槽燃料是主要產生熱的地方。它的型式是做成燃料丸的樣子。將燃料丸疊起來密封在鋯合金所鑄成的封套內，成為燃料棒。多根燃料棒再組起來，擺成一矩陣架構，稱為燃料組件。兩三百個的燃料組件再合并在一起，成為爐心。爐心再置于一耐高壓的壓力槽內。圖2。

爐心架構與壓力槽3.冷卻劑

冷卻劑在發熱的燃料棒間的信道，由下往上流動，將熱帶出爐心與壓力槽之外。由于發電時必需藉高溫及高壓的水蒸汽推動汽機，冷卻劑可以直接在爐心內沸騰，產生水蒸汽。冷卻劑也可以將熱交給另外的蒸汽產生器，去產生發電要用的水蒸汽。圖3

冷卻劑4.控制棒

用以控制核分裂反應，分置于爐心不同位置。可做為熱功率的微調，也可做為緊急停機之用。通常其所使用的材料，吸收中子能力特強，以用來影響中子循環的平衡，進而控制核分裂反應。圖4。

控制棒5.屏蔽系統防護體

另外還有比較重要的正常運轉下的系統，如屏蔽及防護體。防護體及其內部粗厚的混凝土鋼筋建筑物，形成了很有效的放射線屏蔽。防護體的鋼襯則做為保障其結構的密閉性用。圖5。

屏蔽系統防護體

確保核電站安全的措施

為了確保壓水反應堆核電站安全，從設計上采取了所能想到的最嚴密的縱深防御措施。

四道屏障

為防止放射性物質處逸設置了四道屏障：

1、燃料芯塊；

2、密封的燃料包殼；

3、堅固的壓力容器和密閉的一回路系統；

4、安全殼。

多重保護

在出現可能危及設備和人身安全的情況時：

1、進行正常停堆

2、因任何原因未能正常停堆時，控制棒自動落入堆內，實行自動緊急停堆；

3、如因任何原因控制棒未能插入，高深度硼酸水自動噴入堆內，實現自動緊急停堆。

對一切重要設備都采取了類似的多種保護措施，如設置了兩路獨立的可靠的外電源，當一路外電源因事故停電時，可自動切換到另一路供電。萬一兩路外電源同時斷電怎么辦？不要緊。核電站里還有由柴油發電機提供的緊急備用電源。

專設安全設施

人們常用“萬無一失”來形容一件事物的安全可靠，而核電站為這極不可能出現的“一失”出作了周密準備，這就是專設安全設施。

我們可以設想這“一失”是管壁很厚的一回路主管道斷裂了。這時專設安全設施投入工作，首先向堆內高壓注水，防止堆內“燒干”；壓力降低后，低村注水系統工作，繼續向堆內注水冷卻。與此同時，安全殼與外界自動隔離；安全部頂的噴淋系統自動噴淋冷水，降低安全殼的溫度和壓力；消氫系統投入工作，除去可能引起爆炸的氫氣。

質量保證體系

核電站有著嚴密的質量保證體系。對選址、設計、建造、調試和運行等各個階段的每項具體活動都有單項的質量保證大綱。

另外，還實行內部和外部監查制度，監督檢查質量保證大綱和初稿情況和是否起到應有的作用。

質量保證體系對參加核電站工作的人員的選擇、培訓、考核和任命有著嚴格的規定。以操縱員為例，要求選擇基本素質好，有一定學歷和工作經驗的人員，經過課堂、核電站模擬機和核電站實際運行培訓，再通過國家級的考試領取操縱員執照，然后才能上崗。上崗工作以后，還要進行再培訓和定期考核，不合格都將被吊消執照。設置國家協調機構

國務院核電領導小組及國家計委核電辦公室負責核電建設和安全管理的指導協調。

設立國家主管機構

國務院授權中國核工業總公司行使對核電站的主管職能，作為核電站安全運行的領導者，中國核工業總公司內專設了核電站建設、運行和安全防護管理監督局，加強對核安全的專門領導、指導、管理和監督國家為保證核電站安全采取的措施

建立國家核安全監督機構

1984年10月我國成立了國家核安全局，作為國家的核安全監督機構，其基本職能是依照我國的法律、法規，對民用核設施實行獨立的安全審評和監督。國家環境保護局、勞動部和衛生部分別負責對環境質量、職業安全和人身安全進行獨立的監督檢查和審評。

制定和完善核安全防護法規體系

國務院已頒布《中華人民共和國民用核設施安全監督管理條例》，國家核安全局、環境保護局、勞動部和衛生部等部門還頒布初稿有關核電站廠址選擇、設計、運行、質量保證、輻射防護和廢物管理、職業安全衛生等安全規定以及輻射防護基本標準等。中國核工業總公司頒布了一系列技術標準。以后還將頒布一些法規，逐步形成完善配套的核安全防護標準體系。

實行核設施安全許可證制度

核電站在建造和運行前其營運單位要向國家核安全局提出安全許可證申請書，提交初步和最終安全分析報告并向國家環境保護局提交環境影響報告書。國家核安全局和環境保護局分別組織有關專家對報告書進行審評，就存在問題向核安全和環境保護專家委員提出咨詢，并征詢國務院有關部委和地方人民政府的意見，在建造、運行條件完全符合國家有關規定后才頒布建造和運行安全許可證。營運單位只有獲得安全許可證才能開展相應的工作。

核電站不會像原子彈那樣發生爆炸

核燃料中有效成分是鈾－235，鈾－235同樣也是原子彈中的核炸藥