核能

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核能(Nuclear Energy)

目錄

什麼是核能[1]

  核能(或稱原子能)是通過轉化其質量從原子核釋放的能量,符合愛因斯坦的方程E=mc2,其中E=能量,m=質量,c=光速常量。核能通過三種核反應之一釋放:

  核裂變,打開原子核的結合力。

  核聚變,原子的粒子熔合在一起。

  核衰變,自然的慢得多的裂變形式。

核能的特點[2]

  核能是可持續發展能源,它不僅是一種高效經濟的能源,而且也是一種清潔、安全的能源。核燃料雖然被稱為“燃料”,卻並不能燃燒。它既不消耗氧氣,也不產生二氧化碳等有害物質。核能不僅可以用來發電,還可以用於供熱,可以作為火箭、宇宙飛船、人造衛星等動力能源。由於核動力不需要空氣助燃,它也可以作為地下(水中和太空缺乏空氣環境下的特殊動力,將是人類開發海底資源的理想動力、總的說來,核能主要具有以下特點:

  第一,在目前所有的能源形式中,核能能量密集,功率最高。這一點決定了它的運輸量小,可以減緩交通運輸壓力。

  第二,在能量存儲方面,核能比太陽能風能等其他新能源更容易儲存。核燃料的儲存占用空間有限,相反,燒重油或燒煤設備需龐大的儲存罐或大面積的場地。

  第三,核能比較清潔,不會產生二氧化碳。世界上大量有機燃料燃燒後排出的二氧化碳、二氧化硫、氧化氮等氣體不僅直接危害人體健康和農作物生長,還導致酸雨和大氣層的“溫室效應”,破壞生態平衡。比較起來,核電站沒有這些危害。我們面臨的情況是,既要發展經濟,又要保護環境,減少溫室氣體排放,發展核能幾乎被認為是兼顧發展經濟和減少溫室氣體排放的唯一途徑,從而有效地削減主要污染物排放量,改善當地的環境空氣質量。

  第四,核電比火電“經濟”。電廠每度電的成本是由建造折舊費、燃料費和運行費這三部分組成,主要是建造折舊費和燃料費。核電廠由於特別重視安全和質量,建造費高於火電廠,一般要高出30%~50%,但燃料費則比火電廠低得多。據估算,火電廠的燃料費約占發電成本的40%~60%,而核電廠的燃料費則只占20%~30%。經驗證明,核電廠的發電成本要比火電廠低15%~50%。在美(法等國,核電價格已經具備很強的競爭力.核電經濟性還表現在發電成本非常穩定,對燃料價格波動不敏感,因此,核能能夠平抑能源價格波動,保障能源供應安全。

  核能存在以上優點的同時,也有一些不足,主要表現在:

  第一,核電廠會產生高放射性廢料或者是乏燃料,雖然所占空間不大,但因具有強放射性,因此必須妥善處理。

  第二,核電廠熱效率較低,因而比一般化石燃料電廠向環境排放更多的廢熱,因此,核能電廠存在比較嚴重的熱污染。

  第三,核電廠投資成本太大,電力公司的財務風險較高。

  第四,核電廠的反應堆內有大量的放射性物質,如果發生事故,釋放到外界環境,會危害周邊生態環境及居民健康。

  總而言之,核能作為新興能源,其發展必將成為解決能源危機的理想能源,必將為人類的發展不斷提供清潔安全的能源。

核能的分類[1]

  核能可分為三類:

  1.裂變能,重元素(如鈾、鈈等)的原子核發生分裂時釋放出來的能量;

  2.聚變能,由輕元素(氘和氚)原子核發生聚合反應時釋放出來的能量;

  3.原子核衰變時發出的放射能。核能與化學能的區別在於,化學能是靠化學反應中原子間的電子交換而獲得能量。例如煤或石油燃燒時,每個碳或氫原子氧化過程中,只能釋放出幾個電子伏能量,而核能則靠原子核里的核子(中子或質子)重新分配獲得能量,這種能量非常大。

核能的應用歷史[1]

  核能是人類歷史上的一項偉大發明,這離不開早期科學家的探索發現,他們為核能的應用奠定了基礎。

  19世紀末,英國物理學家湯姆遜發現了電子。

  1895年,德國物理學家倫琴發現了X射線。

  1896年,法國物理學家貝克勒爾發現了放射性。

  1898年,居裡夫人發現新的放射性元素釙。

  1902年,居裡夫人經過4年的艱苦努力又發現了放射性元素鐳。

  1905年,愛因斯坦提出質能轉換公式。

  1914年,英國物理學家盧瑟福通過實驗,確定氫原子核是一個正電荷單元,稱為質子。

  1932年,英國物理學家查得威克發現了中子。

  1938年,德國科學家奧托哈恩用中子轟擊鈾原子核,發現了核裂變現象。

  1942年12月2日,美國芝加哥大學成功啟動了世界上第一座核反應堆。

  1945年8月6日和9日,美國將兩顆原子彈先後投在了日本的廣島和長崎。

  1954年,蘇聯建成了世界上第一座核電站------奧布靈斯克核電站。

  在1945年之前,人類在能源利用領域只涉及到物理變化和化學變化。二戰時,英國、法國、中國、日本、以色列等國相繼展開對核能應用前景的研究。

核能開發和應用的意義[3]

  人類認識到核能存在的歷史到現在還不足百年,但核能開發、應用的重要性已經被世界各國普遍接受。核能的開發、應用越來越受到極大的關註。據世界能源理事會統計,2002年全世界一次能源消費中,核能已占總量的6%,應用最廣泛的核電,已占發電總量的17%。

  1.化石能源的環境效應日趨嚴重

  目前,人類實際應用的主要能源還是煤、石油天然氣等化石能源。大量化石能源的開采對地表環境造成了嚴重破壞,化石能源開采,加工運輸、利用過程中不斷產生嚴重污染人類生存環境的各類廢棄物。

  化石能源的燃燒過程,產生大量的二氧化碳、甲烷、二氧化硫、氮氧化物。二氧化碳、甲烷被稱之為溫室氣體,溫室氣體產生溫室效應,使全球平均氣溫增高,氣候不斷惡化,海平面逐漸升高,使人類生存環境受到極大破壞。二氧化硫、氮氧化物形成酸雨,對地球土壤和植物形成嚴重威脅。

  2.化石能源資源越來越少

  化石能源是不可再生能源,用一點就會少一點,即使我們不考慮化石能源對環境的不良影響,地球上現有的化石能源資源也不足以支持人類經濟活動的長期進行。目前已探明的化石能源儲量中煤炭可經濟開發量約為10391億t,石油約為1900億t,天然氣約為150萬億m^3。按當前的開采量計算,煤炭尚可開采200多年,石油可開采40年,天然氣可開采70年。如此有限的資源量已對人類經濟活動的持續發展構成了直接威脅,因此,加快開發替代能源已成為世界性的重大課題。

  3.核能在替代能源中占有重要地位

  核能是清潔能源,核能的利用過程不產生化石能源產生的煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫,不會造成溫室效應及酸雨。核鏈式裂變反應釋放出的熱量十分巨大,以鈾和鈈為例,1000g的鈾-235裂變反應釋放的熱量相當於燃燒2500t標煤,1000g的鈈-239裂變釋放的熱量相當於燃燒3000t標煤。建設一個1000MW的燃煤電廠每年需要3Mt的燃煤,而建設一個1000MW的核電站每年僅需要30t核燃料。核電站的燃料費用要比燃煤電廠低得多。核能的利用具有很大的地域靈活性。由於化石能源資源分佈的不均衡性,往往影響了經濟活動的正常開展,例如我國經濟活動最活躍的地區集中在東、南沿海地區,而化石能源資源多分佈在西部、北部地區。這種不均衡性造成了北煤南運,西電東送的不合理能源供應佈局,而核能利用在地域上的靈活性恰恰可以解決這一問題、核能的利用也具有比較明顯的經濟性。目前核電的建設成本比火電建設成本高約50%~80%,而核電的運行成本只相當於火電的50%,隨著科學技術的發展,建設成本和運行成本會逐漸下降,核能的利用將會顯現出更大的經濟性優勢。

  更為重要的是核能的資源可供人類長期利用。地殼中鈾元素的含量是平均每噸3g,這個含量大約是金子含量的1000倍.人們總是在鈾含量遠遠高出平均含量的含鈾礦脈進行開采。世界上鈾礦最豐富的地區是加拿大、澳大利亞、哈薩克和北美。據統計,全世界可靠鈾礦資源約為450萬t,目前世界上鈾礦消耗的速率是每年6萬t,這些鈾礦資源可夠慢中子反應堆使用大約70年。如採用先進的核能迴圈利用技術和更為先進的快中子反應堆,目前的鈾資源可供人類使用數千年甚至1萬年。前景更為廣闊的是核聚變能,如果實現可控核聚變,僅目前地球錶面,水體中所含的氘就可滿足人類幾十億年的能源需求。

  正是由於核能所具有的特點,使其在可替代能源如水能、風能、太陽能、生物質能中占據了很重要的地位,成為不可缺少的替代能源。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 1.2 第四章 核能材料.新能源材料技術.合肥工業大學精品課程
  2. 郭慧芳.核能的可持續發展[J].中國核科學技術進展報告(第二捲),2011
  3. 鄂勇,傘成立編著.第三章 核能 能源與環境效應.北京:化學工業出版社,2006
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