核能利用与发展论文

核能利用与发展趋势

Unclear energy utilization and development trend

摘要核电是一种清洁、安全、技术成熟、供应能力强、能大规模应用的发电方式，目前，我国核电已由起步进入发展阶段，具有自主设计建造第一代核电的能力，我国已做出积极推进核电发展的重大决定，加快我国核电建设，提高核电在电力供给中的比重，这将有助于缓解电力增民与交通运输的矛盾，核能利用的发展前景将越来越广阔。

关键词核能利用前景核能发展核电

1.核电概述

核能的发展和利用是20世纪科技史上最杰出的成就之一。它通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2，该方程式表明，质量和能量是等价的，其比例常数为光速的平方。在核能的利用中，核电厂的发展是相当迅速的，己被公认为是一种经济、安全、可靠、干净的能源，核动力技术在多数发达国家得到了巨大发展，也在很多发展中国家获得了广泛的认可。根据能源需求和能源生产结构，我国政府己制定了积极发展核电的方针，建设了秦山和大亚湾两大核电基地，中国核电建设的安全策略取得了成功。

2.核能发电

核能是原子核结构发生变化是释放出来的能量。目前人类利用核能主要有三种——重元素的原子核发生裂变和轻元素的原子核发生聚合反映时释放出来的核能或是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程，它们分别为核裂变能、核聚变能和核衰变。

2.1核裂变能

核裂变，又称核分裂，是指由较重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的（原子序数较小的）原子的一种核反应形式。原子弹以及裂变核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用钚-239为原料制成。而铀-235裂变在核电厂最常见。

重核原子经中子撞击后，分裂成为两个较轻的原子，同时释放出数个中子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子，从而形成链式反应而自发分裂。原子核

裂变时除放出中子还会放出热，核电厂用以发电的能量即来源于此。

由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个，因此若对链式反应不加以控制，同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多，将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核裂变的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量，需要在90%以上。

核能发电应用中所使用的核燃料，铀-235的含量通常很低，大约在3%到5%，因此不会产生核爆。但核电厂仍需要对反应炉中的中子数量加以控制，以防止功率过高造成炉心熔毁的事故。通常会在反应炉的慢化剂中添加硼，并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能分裂。

核裂变时，大部分的分裂中子均是一分裂就立即释出，称为瞬发中子，少部分则在之后(一至数十秒)才释出，称为延迟中子。

2.1.1核裂变能原理及过程

核能发电的过程：核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。核裂变撞击时除放出中子还会放出热，再加快撞击，但如果温度太高，反应炉会熔掉，而演变成反应炉融毁造成严重灾害，因此通常会放控制棒（硼制成）去吸收中子以降低分裂速度。一个重原子核分裂成为两个（或更多个）中等质量碎片的现象。按分裂的方式裂变可分为自发裂变和感生裂变。自发裂变是没有外部作用时的裂变，类似于放射性衰变，是重核不稳定性的一种表现；感生裂变是在外来粒子（最常见的是中子）轰击下产生的裂变。

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。两种因素综合作用的结果形成一个裂变势垒，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（见远离β稳定线的核素）。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，这此中子称为缓发中子。以上就是一个激发核裂变的全过程。

2.2核聚变能

由两个或两个以上氢原子核（如氢的同位素—氘和氚）结合成一个较重的原子核，同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应，其释放出的能量称为核聚变能。核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法，一种是使用托卡马克装置实现，托卡马克是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氛、氖实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应的控制;另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计;第二种方式已接近突破的边缘。由于核聚变是在极高的温度下完成的，所以又常称其为热核反应。

2.2.1核聚变原理及过程

物质在低温状态下是固态，随着温度的升高会出现液态、气态，气态的物质被继续加热会出现等离子状态，即在几万810℃以上时，气体将全部发生电离，变成带正电的离子和带负电的自由电子。这种等离子体被约束在托卡马克装置的环形室腔体内不与腔壁接触，加热电流继续在这一环形室中流动，与电流方向一致的强大外磁场保证了等离子体的稳定。当等离子体被加热到810℃以上，满足1410>τn (式中n 为氛氖等离子体密度，3-cm ; τ为等离子体维持的时间，s)时，就会发生轻原子核转为重原子核的核聚变反应(n H H H +→+423121),1个氛和1个氛聚变为1个氦核、放出1个中子(能量为14 MeV)，伴随着这一反应放出17.6 MeV 的巨大能量。现在人类实现可控核聚变所使用的轻核只有氛与氖。在托卡马克装置上，当放出的能量大于输人的能量、并足以加热下一次添加的氖氖并继续聚变反应时，这种条件称为可控核聚变的“点火”条件。实现核聚变的“点火”有三大难题要解决，一是如何把等离子体加热到8

10℃以上;二是如何使等离子体不与装它的容器相碰，否则等离子体要降温，容器要烧毁;三是防止杂质混人等离子