核能

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核能(Nuclear Energy)

目录

什么是核能[1]

  核能(或称原子能)是通过转化其质量从原子核释放的能量,符合爱因斯坦的方程E=mc2,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。核能通过三种核反应之一释放:

  核裂变,打开原子核的结合力。

  核聚变,原子的粒子熔合在一起。

  核衰变,自然的慢得多的裂变形式。

核能的特点[2]

  核能是可持续发展能源,它不仅是一种高效经济的能源,而且也是一种清洁、安全的能源。核燃料虽然被称为“燃料”,却并不能燃烧。它既不消耗氧气,也不产生二氧化碳等有害物质。核能不仅可以用来发电,还可以用于供热,可以作为火箭、宇宙飞船、人造卫星等动力能源。由于核动力不需要空气助燃,它也可以作为地下(水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力,将是人类开发海底资源的理想动力、总的说来,核能主要具有以下特点:

  第一,在目前所有的能源形式中,核能能量密集,功率最高。这一点决定了它的运输量小,可以减缓交通运输压力。

  第二,在能量存储方面,核能比太阳能风能等其他新能源更容易储存。核燃料的储存占用空间有限,相反,烧重油或烧煤设备需庞大的储存罐或大面积的场地。

  第三,核能比较清洁,不会产生二氧化碳。世界上大量有机燃料燃烧后排出的二氧化碳、二氧化硫、氧化氮等气体不仅直接危害人体健康和农作物生长,还导致酸雨和大气层的“温室效应”,破坏生态平衡。比较起来,核电站没有这些危害。我们面临的情况是,既要发展经济,又要保护环境,减少温室气体排放,发展核能几乎被认为是兼顾发展经济和减少温室气体排放的唯一途径,从而有效地削减主要污染物排放量,改善当地的环境空气质量。

  第四,核电比火电“经济”。电厂每度电的成本是由建造折旧费、燃料费和运行费这三部分组成,主要是建造折旧费和燃料费。核电厂由于特别重视安全和质量,建造费高于火电厂,一般要高出30%~50%,但燃料费则比火电厂低得多。据估算,火电厂的燃料费约占发电成本的40%~60%,而核电厂的燃料费则只占20%~30%。经验证明,核电厂的发电成本要比火电厂低15%~50%。在美(法等国,核电价格已经具备很强的竞争力.核电经济性还表现在发电成本非常稳定,对燃料价格波动不敏感,因此,核能能够平抑能源价格波动,保障能源供应安全。

  核能存在以上优点的同时,也有一些不足,主要表现在:

  第一,核电厂会产生高放射性废料或者是乏燃料,虽然所占空间不大,但因具有强放射性,因此必须妥善处理。

  第二,核电厂热效率较低,因而比一般化石燃料电厂向环境排放更多的废热,因此,核能电厂存在比较严重的热污染。

  第三,核电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高。

  第四,核电厂的反应堆内有大量的放射性物质,如果发生事故,释放到外界环境,会危害周边生态环境及居民健康。

  总而言之,核能作为新兴能源,其发展必将成为解决能源危机的理想能源,必将为人类的发展不断提供清洁安全的能源。

核能的分类[1]

  核能可分为三类:

  1.裂变能,重元素(如铀、钚等)的原子核发生分裂时释放出来的能量;

  2.聚变能,由轻元素(氘和氚)原子核发生聚合反应时释放出来的能量;

  3.原子核衰变时发出的放射能。核能与化学能的区别在于,化学能是靠化学反应中原子间的电子交换而获得能量。例如煤或石油燃烧时,每个碳或氢原子氧化过程中,只能释放出几个电子伏能量,而核能则靠原子核里的核子(中子或质子)重新分配获得能量,这种能量非常大。

核能的应用历史[1]

  核能是人类历史上的一项伟大发明,这离不开早期科学家的探索发现,他们为核能的应用奠定了基础。

  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,居里夫人发现新的放射性元素钋。

  1902年,居里夫人经过4年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。

  1932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,发现了核裂变现象。

  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,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。

核能开发和应用的意义[3]

  人类认识到核能存在的历史到现在还不足百年,但核能开发、应用的重要性已经被世界各国普遍接受。核能的开发、应用越来越受到极大的关注。据世界能源理事会统计,2002年全世界一次能源消费中,核能已占总量的6%,应用最广泛的核电,已占发电总量的17%。

  1.化石能源的环境效应日趋严重

  目前,人类实际应用的主要能源还是煤、石油天然气等化石能源。大量化石能源的开采对地表环境造成了严重破坏,化石能源开采,加工运输、利用过程中不断产生严重污染人类生存环境的各类废弃物。

  化石能源的燃烧过程,产生大量的二氧化碳、甲烷、二氧化硫、氮氧化物。二氧化碳、甲烷被称之为温室气体,温室气体产生温室效应,使全球平均气温增高,气候不断恶化,海平面逐渐升高,使人类生存环境受到极大破坏。二氧化硫、氮氧化物形成酸雨,对地球土壤和植物形成严重威胁。

  2.化石能源资源越来越少

  化石能源是不可再生能源,用一点就会少一点,即使我们不考虑化石能源对环境的不良影响,地球上现有的化石能源资源也不足以支持人类经济活动的长期进行。目前已探明的化石能源储量中煤炭可经济开发量约为10391亿t,石油约为1900亿t,天然气约为150万亿m^3。按当前的开采量计算,煤炭尚可开采200多年,石油可开采40年,天然气可开采70年。如此有限的资源量已对人类经济活动的持续发展构成了直接威胁,因此,加快开发替代能源已成为世界性的重大课题。

  3.核能在替代能源中占有重要地位

  核能是清洁能源,核能的利用过程不产生化石能源产生的烟尘、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫,不会造成温室效应及酸雨。核链式裂变反应释放出的热量十分巨大,以铀和钚为例,1000g的铀-235裂变反应释放的热量相当于燃烧2500t标煤,1000g的钚-239裂变释放的热量相当于燃烧3000t标煤。建设一个1000MW的燃煤电厂每年需要3Mt的燃煤,而建设一个1000MW的核电站每年仅需要30t核燃料。核电站的燃料费用要比燃煤电厂低得多。核能的利用具有很大的地域灵活性。由于化石能源资源分布的不均衡性,往往影响了经济活动的正常开展,例如我国经济活动最活跃的地区集中在东、南沿海地区,而化石能源资源多分布在西部、北部地区。这种不均衡性造成了北煤南运,西电东送的不合理能源供应布局,而核能利用在地域上的灵活性恰恰可以解决这一问题、核能的利用也具有比较明显的经济性。目前核电的建设成本比火电建设成本高约50%~80%,而核电的运行成本只相当于火电的50%,随着科学技术的发展,建设成本和运行成本会逐渐下降,核能的利用将会显现出更大的经济性优势。

  更为重要的是核能的资源可供人类长期利用。地壳中铀元素的含量是平均每吨3g,这个含量大约是金子含量的1000倍.人们总是在铀含量远远高出平均含量的含铀矿脉进行开采。世界上铀矿最丰富的地区是加拿大、澳大利亚、哈萨克和北美。据统计,全世界可靠铀矿资源约为450万t,目前世界上铀矿消耗的速率是每年6万t,这些铀矿资源可够慢中子反应堆使用大约70年。如采用先进的核能循环利用技术和更为先进的快中子反应堆,目前的铀资源可供人类使用数千年甚至1万年。前景更为广阔的是核聚变能,如果实现可控核聚变,仅目前地球表面,水体中所含的氘就可满足人类几十亿年的能源需求。

  正是由于核能所具有的特点,使其在可替代能源如水能、风能、太阳能、生物质能中占据了很重要的地位,成为不可缺少的替代能源。

参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 第四章 核能材料.新能源材料技术.合肥工业大学精品课程
  2. 郭慧芳.核能的可持续发展[J].中国核科学技术进展报告(第二卷),2011
  3. 鄂勇,伞成立编著.第三章 核能 能源与环境效应.北京:化学工业出版社,2006
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