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核能

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核能(Nuclear Energy)

目錄

什么是核能[1]

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

  核裂變,打開(kāi)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(diǎn)[2]

  核能是可持續發(fā)展能源,它不僅是一種高效經(jīng)濟的能源,而且也是一種清潔、安全的能源。核燃料雖然被稱(chēng)為“燃料”,卻并不能燃燒。它既不消耗氧氣,也不產(chǎn)生二氧化碳等有害物質(zhì)。核能不僅可以用來(lái)發(fā)電,還可以用于供熱,可以作為火箭、宇宙飛船、人造衛星等動(dòng)力能源。由于核動(dòng)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(huán)境下的特殊動(dòng)力,將是人類(lèi)開(kāi)發(fā)海底資源的理想動(dòng)力、總的說(shuō)來(lái),核能主要具有以下特點(diǎn):

  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(diǎn)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(yáng)能、風(fēng)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(chǎng)地。

  第三,核能比較清潔,不會(huì )產(chǎn)生二氧化碳。世界上大量有機燃料燃燒后排出的二氧化碳、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(cháng),還導致酸雨和大氣層的“溫室效應”,破壞生態(tài)平衡。比較起來(lái),核電站沒(méi)有這些危害。我們面臨的情況是,既要發(fā)展經(jīng)濟,又要保護環(huán)境,減少溫室氣體排放,發(fā)展核能幾乎被認為是兼顧發(fā)展經(jīng)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(huán)境空氣質(zhì)量。

  第四,核電比火電“經(jīng)濟”。電廠(chǎng)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(chǎng)由于特別重視安全和質(zhì)量,建造費高于火電廠(chǎng),一般要高出30%~50%,但燃料費則比火電廠(chǎng)低得多。據估算,火電廠(chǎng)的燃料費約占發(fā)電成本的40%~60%,而核電廠(chǎng)的燃料費則只占20%~30%。經(jīng)驗證明,核電廠(chǎng)的發(fā)電成本要比火電廠(chǎng)低15%~50%。在美(法等國,核電價(jià)格已經(jīng)具備很強的競爭力.核電經(jīng)濟性還表現在發(fā)電成本非常穩定,對燃料價(jià)格波動(dòng)不敏感,因此,核能能夠平抑能源價(jià)格波動(dòng),保障能源供應安全。

  核能存在以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也有一些不足,主要表現在:

  第一,核電廠(chǎng)會(huì )產(chǎn)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(chǎng)熱效率較低,因而比一般化石燃料電廠(chǎng)向環(huán)境排放更多的廢熱,因此,核能電廠(chǎng)存在比較嚴重的熱污染。

  第三,核電廠(chǎng)投資成本太大,電力公司的財務(wù)風(fēng)險較高。

  第四,核電廠(chǎng)的反應堆內有大量的放射性物質(zhì),如果發(fā)生事故,釋放到外界環(huán)境,會(huì )危害周邊生態(tài)環(huán)境及居民健康。

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

核能的分類(lèi)[1]

  核能可分為三類(lèi):

  1.裂變能,重元素(如鈾、钚等)的原子核發(fā)生分裂時(shí)釋放出來(lái)的能量;

  2.聚變能,由輕元素(氘和氚)原子核發(fā)生聚合反應時(shí)釋放出來(lái)的能量;

  3.原子核衰變時(shí)發(fā)出的放射能。核能與化學(xué)能的區別在于,化學(xué)能是靠化學(xué)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(shí),每個(gè)碳或氫原子氧化過(guò)程中,只能釋放出幾個(gè)電子伏能量,而核能則靠原子核里的核子(中子或質(zhì)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(lèi)歷史上的一項偉大發(fā)明,這離不開(kāi)早期科學(xué)家的探索發(fā)現,他們?yōu)楹四艿膽玫於嘶A。

  19世紀末,英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現了電子。

  1895年,德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現了X射線(xiàn)。

  1896年,法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現了放射性。

  1898年,居里夫人發(fā)現新的放射性元素釙。

  1902年,居里夫人經(jīng)過(guò)4年的艱苦努力又發(fā)現了放射性元素鐳。

  1905年,愛(ài)因斯坦提出質(zhì)能轉換公式。

  1914年,英國物理學(xué)家盧瑟福通過(guò)實(shí)驗,確定氫原子核是一個(gè)正電荷單元,稱(chēng)為質(zhì)子。

  1932年,英國物理學(xué)家查得威克發(fā)現了中子。

  1938年,德國科學(xué)家?jiàn)W托哈恩用中子轟擊鈾原子核,發(fā)現了核裂變現象。

  1942年12月2日,美國芝加哥大學(xué)成功啟動(dòng)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后投在了日本的廣島和長(cháng)崎。

  1954年,蘇聯(lián)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(lèi)在能源利用領(lǐng)域只涉及到物理變化和化學(xué)變化。二戰時(shí),英國、法國、中國、日本、以色列等國相繼展開(kāi)對核能應用前景的研究。

核能開(kāi)發(fā)和應用的意義[3]

  人類(lèi)認識到核能存在的歷史到現在還不足百年,但核能開(kāi)發(fā)、應用的重要性已經(jīng)被世界各國普遍接受。核能的開(kāi)發(fā)、應用越來(lái)越受到極大的關(guān)注。據世界能源理事會(huì )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(fā)電總量的17%。

  1.化石能源的環(huán)境效應日趨嚴重

  目前,人類(lèi)實(shí)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(kāi)采對地表環(huán)境造成了嚴重破壞,化石能源開(kāi)采,加工、運輸、利用過(guò)程中不斷產(chǎn)生嚴重污染人類(lèi)生存環(huán)境的各類(lèi)廢棄物。

  化石能源的燃燒過(guò)程,產(chǎn)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(chēng)之為溫室氣體,溫室氣體產(chǎn)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(lèi)生存環(huán)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(lái)越少

  化石能源是不可再生能源,用一點(diǎn)就會(huì )少一點(diǎn),即使我們不考慮化石能源對環(huán)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(lèi)經(jīng)濟活動(dòng)的長(cháng)期進(jìn)行。目前已探明的化石能源儲量中煤炭可經(jīng)濟開(kāi)發(fā)量約為10391億t,石油約為1900億t,天然氣約為150萬(wàn)億m^3。按當前的開(kāi)采量計算,煤炭尚可開(kāi)采200多年,石油可開(kāi)采40年,天然氣可開(kāi)采70年。如此有限的資源量已對人類(lèi)經(jīng)濟活動(dòng)的持續發(fā)展構成了直接威脅,因此,加快開(kāi)發(fā)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(guò)程不產(chǎn)生化石能源產(chǎn)生的煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫,不會(huì )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,以鈾和钚為例,1000g的鈾-235裂變反應釋放的熱量相當于燃燒2500t標煤,1000g的钚-239裂變釋放的熱量相當于燃燒3000t標煤。建設一個(gè)1000MW的燃煤電廠(chǎng)每年需要3Mt的燃煤,而建設一個(gè)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(chǎng)低得多。核能的利用具有很大的地域靈活性。由于化石能源資源分布的不均衡性,往往影響了經(jīng)濟活動(dòng)的正常開(kāi)展,例如我國經(jīng)濟活動(dòng)最活躍的地區集中在東、南沿海地區,而化石能源資源多分布在西部、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布局,而核能利用在地域上的靈活性恰恰可以解決這一問(wèn)題、核能的利用也具有比較明顯的經(jīng)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于火電的50%,隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,建設成本和運行成本會(huì )逐漸下降,核能的利用將會(huì )顯現出更大的經(jīng)濟性?xún)?yōu)勢。

  更為重要的是核能的資源可供人類(lèi)長(cháng)期利用。地殼中鈾元素的含量是平均每噸3g,這個(gè)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(jìn)行開(kāi)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(wàn)t,目前世界上鈾礦消耗的速率是每年6萬(wàn)t,這些鈾礦資源可夠慢中子反應堆使用大約70年。如采用先進(jìn)的核能循環(huán)利用技術(shù)和更為先進(jìn)的快中子反應堆,目前的鈾資源可供人類(lèi)使用數千年甚至1萬(wàn)年。前景更為廣闊的是核聚變能,如果實(shí)現可控核聚變,僅目前地球表面,水體中所含的氘就可滿(mǎn)足人類(lèi)幾十億年的能源需求。

  正是由于核能所具有的特點(diǎn),使其在可替代能源如水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)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(shù).合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
  2. 郭慧芳.核能的可持續發(fā)展[J].中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告(第二卷),2011
  3. 鄂勇,傘成立編著(zhù).第三章 核能 能源與環(huán)境效應.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006
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