核能(nuclear energy)

核能简析及其安全利用
王磊彭进卜斤革梁任杰
（中南大学，湖南，长沙，410083）
摘要：随着资源开发的日益枯竭，核能已经成为一种越来越重要的能源。

核能的价值就在于他的高能量性，但是他也有着致命的缺点就是核辐射。

因此有许多国家曾一度停滞对核能的研究。

世界上也发生过不少核事故给人类带来巨大的灾难。

核能是从60年代初开始跻身于能源工业行列的新兴能源工业，从60年代中到70年代初，核能被一些工业发达国家视为取代石油能源的希望，如今核能的利用已经不局限于发电这么简单了。

对核能的利用趋向于多元化。

关键字：资源；核能；简史；发展；安全利用
Nuclear
Wanglei&pengjing&bujingge&liangrenjie
(Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract:With the increasing depletion of resource development, nuclear power has become an increasingly important source of energy. The value of nuclear power lies in his high-energy sex, but he also has a fatal drawback is that nuclear radiation. Therefore, many countries once stagnant for nuclear energy research. The world has been a lot of nuclear accident catastrophe for humanity. Nuclear energy is from the early 1960s among the ranks of the emerging energy industry energy industry, from the mid 1960s to the early 1970s, nuclear energy is regarded as some of the industrialized countries in the hope of energy to replace oil, now is not limited to the use of nuclear power has been so simple. On the use of nuclear energy tend to diversify.
Keywords: Resources; Nuclear; A Brief History; development; safe use
1 概述
核能（nuclear energy）是人类历史上的一项伟大发现，这离不开早期西方科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。

1.1核能发展简史
19世纪末英国物理学家汤姆逊发现了电子。

1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。

1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。

1898年居里夫人与居里先生发现新的放射性元素钋。

1902年居里夫人经过三年又九个月的艰苦努力又发现了放射性元素镭。

1905年爱因斯坦提出质能转换公式。

1914年英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。

1935年英国物理学家查得威克发现了中子。

1938年德国科学家奥托·哈恩用中子轰击铀原子核，发现核裂变现象。

1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。

1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。

1954年苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。

在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。

二战时，原子弹诞生了。

人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。

美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。

1.2 核反应原理
核反应是原子核与原子核或原子核与基本粒子相互作用时释放的能量的过程。

核反应有两种：
一是核裂变反应，是重元素的原子核发生分裂的反应。

二是核聚变反应，是氢元素的原子核发生聚合的反应。

原子核的变化过程有两种：一种是自发的变化过程，叫放射性锐变。

地球上由放射性锐变释放的原子核能在地球内部可以转变为地热。

另一种是人工制造的变化过程叫核反应。

1.3 核能在世界能源中的地位和作用
1千克铀235的原子核所释放出来的热量，大约相当于2800吨（2800000千克）标准煤燃烧时所放出的热量。

建造一座发电量为100万千瓦的电站，如果是核电站，每年需要补充的核燃料为30吨，六辆解放牌载重汽车就可运进。

如果是烧煤的火力电站，每年要消耗300多万吨煤。

运输这些煤炭，平均每天要开三列火车，每列火车挂40节车皮；或是每天要开一艘万吨级的轮船。

核电厂每年要用掉80吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。

如果换成燃煤，需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。

如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。

换算起来，刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。

核能是从60年代初开始跻身于能源工业行列的新兴能源工业，从60年代中到70年代初，核能被一些工业发达国家视为取代石油能源的希望，当时的核能发展深受世界各国的普遍重视以美国为首的工业国都制订了庞大的核电长远发展规划一些工业发达国家指望到2000年使核电占本国电力供应总量的30%～50% 但是当时各国对经济发展速度和电力增长速度的估计偏高70 年代初发生的石油危机又迫使各国采取节能措施实践证明美国建造中的核电站已超过需要于是原计划建造的100多座核电站项目被取消一些即将建成的核电站被勒令停建甚至有的已经建成的核电站因幸不到许可证而无法运行。

1979年美国发生三里岛核事故后核电遭到了公众非议核电在美国遭到了冷落。

然而有些国家（如法国、日本、苏联等）却坚持发展核电这些国家核电的增长速度远超过火电它们的能源结构亦逐步向多元化方向发展。

[1]
2 核能开发利用现状
能源是人类社会和经济发展的保障性资源，同时能源问题也是世界性的问题。

目前人类所使用的能源主要是化石能源，自19世纪70年年代产业革命以来，化石燃料的消费量急剧保持增长，90%以上的世界经济活动所需的能源都依靠化石能源提供，由于大量消耗，这类资源正趋于枯竭；同时化石燃料的大规模利用也带来了严重的环境污染，导致了温室效应和全球气候变暖等一系列环境问题。

能源危机与环境危机日益紧迫，寻找新的清洁、安全、高效的能源是人类所面临的共同任务。

现代社会中，除了煤炭、石油、天然气、水力资源外，还有许多可利用的能源，如风能、太阳能、潮汐能、地热能等等，但是由于技术问题和开发成本等因素，这些能源很难在近期内实现大规模的工业生产和利用；而核能是一种经济、安全、可靠、清洁的能源，同各种化石能源相比起来，核能对环境和人类健康的危害更小，这些明显的优势使核能成为新世纪可以大规模使用的安全和经济的工业能源。

从20世纪50年代以来，前苏联、美国、法国、德国、日本等发达国家建造了大量的核电站，由于核电具有巨大的发展潜能和广阔的利用前景，和平发展利用核能将成为未来较长一段时期内能源产业的发展方向。

[2]
国际原子能机构公布的一份报告显示, 立陶宛核能发电在全国发电总量中所占的比重接近80%, 这一比重在世界上是最高的。

在世界主要工业大国中, 法国核电的比例高, 核电占国家总发电量的78%, 位居世界第二, 日本的核电比例为40%, 德国为33% , 韩国为30% , 美国为22% , 而我国仅为2%右, 发展空间很大。

由于三里岛核电站事故尤其切尔诺贝利核电站事故, 核能在上世纪90年代发展速度明显放缓, 核恐惧和高成本使得核能利用较高的发达国家重新审视核电的利弊, 美国90年代一直致力于核电站的维护而不是新建; 在欧洲, 许多国家也在讨论如何迅速关闭其核电厂。

但进入新世纪
核电又受到世界各国的重视，出现了较快的发展势头。

截至2007年12月, 全世界正在运行中的反应堆有439座, 相比2002年的444座微量下降, 但发电能力稳步上升, 总发电量达到37117GW , 全世界核电供应已经达到总供电量的16%, 许多国家达到总供电量的1/3。

随着国际能源价格的进一步飙升, 2000年以来发达国家正在转变其原有的核电发展态度, 调整原有的核电发展计划。

美国2005年通过能源政策法, 联邦政府开始积极鼓励建设新的反应堆。

英国政府在2008年2月宣布将投巨资发展核电,在2020年以前, 新建反应堆6个, 使英国的电力供应提高18%。

据国际原子能机构预测, 到2030年, 全球核电所占份额将增加到27%。

正在崛起的发展中国家能源需求旺盛, 其核能增长最快, 1999到2020年间将增长417% , 尤其是发展中的亚洲, 据世界原子能机构的统计, 未来65座正在兴建或正在立项的核电站中, 2/3分布在亚洲各国。

中国目前运行核电机组11个,核电比例为119 % , 核电装机容量900万千瓦, 计划到2020年提高到4000万千瓦。

印度运行核电机组17个, 核电比例为216% , 计划到2020年增加20至30个新核电机组，所以目前核电的扩展以及近期和远期的发展前景仍集中在亚洲，亚洲地区尤其是发展中国家发展核电的势头强劲。

[3]
核能由于其放射性，被应用于医学，形成了现代医学的一个分支——核医学。

核技术在治疗恶性肿瘤上得到广泛应用，在放射治疗中，快中子治癌也取得了好的效果。

核能技术应用于农学，形成了核农学，常用的技术有核辐射育种等。

当前对环境造成污染的放射性核素大多来自核电站排放的废物，核电可能产生的放射性废物主要是放射性废水、放射性废弃和放射性固体废物。

1座100万KW的核电站1年卸出的泛燃料约为25t，其中主要成分是少量未燃烧的铀、核反应后的生成物——钚等放射性核素，核废料中的放射性元素经过一段时间后会衰变成非放射性元素。

此外，还有铀矿资源的开发问题，由于铀矿资源的开发造成的废弃、废水、废渣等污染也不可忽视，对铀尾矿也必须进行妥善处理，如果处理不好，将会覆盖农田、污染水体，甚至对自然和社会都造成严重影响。

一旦发生核事故或核泄漏，对人类和环境造成的影响都是灾难性的，只有加强核安全和辐射安全的管理，处理好放射性核废料，合理科学地利用核能，才能保证核能安全的开发利用。

3 核能的未来前景
聪明智慧的核物理学家和核能专家们更为人类描绘了一幅回答所面临的能源挑战的蓝图。

他们构筑的基本思路是：大力开发利用核能，拓宽核能应用领域，尽快以核能去替代化石的能源。

目前，广泛投入使用的热堆核电站技术上已基本成熟;核电站将大大提高轴资源的利用率;人们充满信心、已取得可喜进展的聚变反应堆核电站将长期地满足人类能源的需求。

科学家们也正在进一步探索和构想的正反物质湮没反应堆核电站更能提供取之不尽，用之不竭的能源。

另外海洋核能的发展也是科学家的一大期望。

海洋核电站是人们随着海洋石油开采不断向深海海底发展而提出的一项大胆设想。

它采用的是一种安全性非常好的铀氢锆反应堆(又称脉冲反应堆)。

在勘探和开采深海海底的石油和天然气时，需要从陆地上的发电站向海洋采油平台远距离供电。

为此，就要用很长的海底电缆将电输送过去。

这不仅技术上要求很高，而且要花费大量的资金。

如果在采油平台的海底附近建造海底核电站，就可轻而易举地向采油平台或其他远洋作业设施提供廉价的电力。

那为什么核能会作为未来的新新能源呢? 据世界断言，石油，煤矿等资源将加速减少。

核能、太阳能即将成为主要能源。

本文重点分析核能作为新能源的优缺点和发展前景，具体到最新技术的发展，以及在其利用过程中可能会面临的问题等。

核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。

2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。

3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。

因此，运用核能进行发电就是运用这三种核反应之一进行。

第三种方式反应速度太慢，得到的功率过少，因此人们放弃第三种方式，开始着手研究第一二种方式，竭力发展相应的新技术使对巨大的核能的利用成为可能。

目前商业运转中的核能发电厂都是利用核分裂反应而发电。

核电站一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统），使用的燃料一般是放射性重金属：铀、钚。

与常规能源相比，目前商业运转中的核能发电厂有如下的优点：核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染；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；核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定；核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳；核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。

对于核聚变，目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。

但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。

相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。

所以如何发展核聚变技术就成为核工程者要全力解决的一个重要问题。

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

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。

如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。

因此，核聚变反应又叫做“热核反应”。

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的聚变反应（参见核聚变）。

热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。

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。

这正是目前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。

20世纪50年代，位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人经过深入研究，穷心竭志，终于发明了托卡马克装置。

托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。

在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。

1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布苏联在托卡马克上实现了控核聚变研究的重大突破。

从此，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。

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。

按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。

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。

虽然这种方法和原理都不太复杂，但是实践起来还是存在不少问题，比如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，再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及的。

半个世纪以来，聚变研究取得了巨大的进展。

但是，在1992年的欧洲SOFT会议开幕式上，Umberto Col ombo就指出:“虽然聚变研究取得了重要的进展(91年11月JET的首次实验从聚变得到可观的能量就是说明)，但是我们并未缩短到达商用聚变堆的距离。

”[4]
最近的东日本地震导致的核泄漏，使核能安全问题再次成为世界瞩目的焦点。

我们在憧憬核聚变以及核能发电的美好前景的同时，应该深刻意识到它潜在的危险。

就像纪录片《宇宙与
人》中说的那样“也许宇宙中所有的智能文明都要经历这样的考验：道德水品是否可以达到安全的使用宇宙中最强大的能源的程度。

核能也好，还是其他的科技也好，都要以人为本，在努力发展科技的同时，也要相应的提高执行者与使用者的道德水平。

只有这样才能实现世界的和谐。

4 核能的安全利用
目前，能源短缺问题日益严重。

传统的风能、水能、石油、煤炭等能源已经不能满足人类对能源的需求。

核能以其清洁，高效，原料成本的稳定等优势受到越来越多国家和地区的青睐，各国都积极地发展对核能的使用，使之成为能源结构中重要的组成部分。

然而2011年3月份日本地震引发的核泄漏给世界敲响了警钟，核能是否绝对安全，如何避免对人类的伤害，一时之间成为了世界各国值得深思的问题。

4.1 核能安全
核能安全是指在利用保护环境和人类不受到核威胁，尽量的降低核事故的发生几率，以及在发生核事故时，采取措施将核事故的影响降低至最低。

将核设施、核材料、核废料等始终保持在一个安全的标准上，管理和规范涉核活动。

作为核能安全利用的主要形式，核电的发展越来越快，在世界上的有核国家中核能占据了越来越重要的能源结构比例。

法国、美国、日本都是核电大国，在发展核电事业中有着丰富的经验和较为健全的法律体系。

中国的核电发展正处于上升期，核能利用的技术以及相关法律法规还不够成熟，需要进一步的完善。

在利用核能的过程中，核能安全是制约核能发展的重要问题。

4.2 历史上三次重大的核事故
（1）1979年3月28日三厘岛核电站事故
1979年3月28円凌晨4时，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站第2组反应堆的操作室里，红灯闪亮，汽笛报警，祸轮机停转，堆芯力和温度骤然升高，2小时后，大量放射性物质溢出。

在三里岛事件中，从最初清洗设备的工作人员的过失开始，到反应堆彻底毁坏，整个过程只用了120秒。

此事故为核事故的第五级。

美国三里岛事故对美国核能安全利用提出了挑战和质疑。

由于此次核事故的影响，美国在之后的核能利用上放缓了脚步，停止建设核电站达三十余年，致力于维护己有的核电站，而不是修建新的核电站。

直到2005年，美国在《2005年能源政策法案》中提出了一系列推动核电建设的优惠措施，才正式走向核电复兴之路。

（2）1986年4月26日切尔诺贝利核泄漏事故
切尔诺贝利核泄漏事故被称之为历史上最严重的核电站灾难。

1986年4月26日早上，切尔诺贝利核电站第4号反应堆发生爆炸，更多爆炸随即发生并引发大火，致使放射性尘降物进入空气中。

据悉，此次事故产生的放射性尘降物数量是在广岛投掷的原子弹所释放的400倍。

（3）2011年3月11日,福岛核电站事故
2011年3月11 R，日本东北部海域发生里氏9级强震并引发海喊、核泄漏等灾害，福岛第一核电站2号机组的混凝土竖井惊现裂缝导致大量高福射水直排入海，随后东电公司又将1.15万吨低放射性污水排放入海，世界上越来越多的地区检测出不同程度的核福射，这对周边国家乃至世界造成了深刻的影响。

日本专家推测放射物30年后将扩散至整个太平洋。

日本东电公司擅自决定，做出了错误的行为，将高福射水向太平洋排放，使核福射遍布全球。

这次日本福岛核危机的影响大大超出了日本本国领土，对整个世界都造成了深远的影响。

[5] 由此可见，我们要安全的利用核能，尽量避免核事故的发生，一旦发生核事故，应当尽可能的将事故的影响降至最低。

在核能的发展过程中，保证核能的安全利用是最为重要的。

历史上发生的核事故对世界各国都造成了影响，美国三里岛核事故，前苏联切尔忠贝利核事故以及最近的日本福岛核事故都为核能的利用蒙上了阴影。

但是即使出现了这些核事故，也不能阻却人类发展核能的脚步，那么安全利用核能就成为了发展核能时需要考虑的重大课题。

只有保证利用核能过程中的安全性，才能有助于核能健康长久的发展。

4.3 核商业伦理与安全
核商业伦理是研究关于核产品以及核设备作为商品后的在商业活动中的伦理问题的学科，其中核产品不止包括物化的核产品，还应该包括非物化的核产品，如核科技等。

追逐利益是人类的天性，而作为核原料的高浓度铀有很高的经济价值，常常被犯罪分子走私贩卖，这就导致了一些核原料的流失，从而落入不法分子的手中。

同时核原料具有很强的放射性，百万分之一克的钚-239就能置人于死地，这些被走私贩卖的核原料将对人类生命安全、心理健康、经济及生态环境产生巨大伤害。

所以核走私等一系列涉及核经济活动的行为引发出核商业伦理，要建立核商业伦理价值观和实践规范，确保核能安全发展。

核商业伦理涉及核商业的终极价值。

在核经济活动中，可能同时追求一个或多个价值，比如在追求商品经济价值的同时还追求其创新价值，但核产品和核设施由于其特殊性和复杂性，不能等同于普通商品，它的危险性迫使不伤害、不造成不正当的核扩散作为核商业活动的核心价值，在追求其核心价值的同时要优先考虑其终极价值，即责任价值。

也就是说，在核经济活动中，要以商业责任高于商业利益为最高伦理原则。

[6]
5 结论
能源是支撑人类文明进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件。

能源是中国全面建设小康社会、实现现代化和富民强国的重要物质保障，在中国实现现代化和全体人民共同富裕的进程中，能源始终是一个重大战略问题。

能源危机带给核能无限大的发展空间，但是惨痛的事实又令核能发展更加步履艰难。

[7]
面对小小原子核内所蕴含的巨大能量，人类不能仅在核能的诱惑与恐惧中徘徊。

新一代核能的发展，必须突破原有观念、改变习惯思维，加强基础研究、重视科学实验，从核能反应的本质出发，将核能的危害在潜伏中扼杀，让这个美丽而巨大的反应链，实现完全无隐患地绽放与循环。

让核能成为真正的可持续型清洁能源，为人类社会的发展做出伟大的贡献。

参考文献
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Bao Yun.The role and status of nuclear power in China's long-term energy supply in olive[J].
[2]郭慧芳.核能的可持续发展[J]. P37
Guo Huifang.Nuclear of Sustainable Development[J].
［3］唐浩.核能开发利用现状及对环境的污染 P3
Tang Hao.Utilization of nuclear energy development and environmental pollution[J].
[4]刘军,许甫荣,郑春开.核科学百年讲座:核能与核电. P5
Liu Jun, Xu Furong, Zheng Chunkai. Nuclear Science Lecture centuries Nuclear and Nuclear.
［5］高娇娇.核能安全利用的国际法律制度研究.2012(5) P2-P4
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[6]宋嘉颖.核能安全发展的伦理研究[J].科学技术哲学,2013 P22-P23
Song Jiaying.Development of Nuclear Safety[J].Philosophy and Ethics of Science and Technology,2013
[7]冯菲菲.核能发展:步履艰难中拓展无限空间[J].中国科技信息, 2012,(23) P45
Feng Feifei.Nuclear energy development.Beijing falter in infinite space to expand Energy and Power。