核能利用
核能利用
目錄
一、核能在能源中的地位
在19世紀產業革命之前，人類能源消耗的增長，相當緩慢。產業革命以來，由於經濟的發展，能源耗業也迅速增長。近一百年來，世界能耗增長了20倍。本世紀50年代，世界能源年耗量約為26億噸標準煤，至80年代初已超過年耗量100億噸標準煤；預計到21世紀初將達200億噸標準煤。但是，迄今為止，世界耗能的85％均來自燃燒煤、石油、天然氣等有機燃料。大量燃燒有機燃料所產生的二氧化硫、二氧化碳、氧化亞氮和煙灰等物質，給人們帶來深為憂慮的環境影響問題。而且，這些有機物質的巨大增長的耗量，使它們在地球上的儲量日益面臨枯竭。
自然界中，除有機燃料外，核能、水力、風力、太陽能、地熱、潮汐能也都是可資利用的能源。水力是無污染的能源，應充分開發使用，但水力資源終究有限，且受地理條件限制。水力發電量又隨季節變化很大，故光靠水力替代不了有機燃料，滿足不了日益增長的能源需求。風力、太陽能、地熱、潮汐能等，都因受多種條件的限制，只能在一定條件下有限開發，很難大量使用。多種預測資料表明，即使做較樂觀的估計，到下一世界，上述這幾種能源中每種在能源總耗量中的比例，都很難超過1％。目前，技術上已較成熟，且能大規模開發使用的，唯有核能。而從人類能源需求的前景來看，發展核能更是必由之路，這是因為核能有其無法取代的優點，主要表現於：
1.核能是地球上儲量最豐富的能源，又是高度濃集的能源。一噸金屬鈾裂變所產生的能量，相當於270萬噸標準煤。按照地球上有機燃料的儲量和人類耗能的情況來估算，地球上煤的儲量大概還過200多年即將耗盡，石油則只夠用三四十年。人類已經面臨如何選擇後繼能源的問題。地球上已探明的核裂變燃料，即鈾礦和釷礦資源，按其所含能量計算，相當於有機燃料的20倍，只要及早開發利用，即有能力替代和後繼有機燃料。更進一步說，地球上還存在大量的聚變核燃料氘，能通過聚變反應產生核能。1噸氘聚變產生的能量相當於1100萬噸標準煤。自然界每噸海水或河水中均含有3克氘，所以，將來聚變反應堆成功后，1噸海水即相當於33噸標準煤。那時，人類將不再為能源問題所困擾。
2.核電是清潔的能源，有利於保護環境。目前，世界上大量燃燒有機燃料的後果是相當嚴重的，燃燒後排出大量的二氧化硫、二氧化碳、氧化亞氮等氣體，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，核電站就沒有這些危害。核電站嚴格按照國際上公認的安全規範和衛生規範設計，對放射性三廢，按照儘力回收儲存，不往環境排放的原則，進行嚴格的回收處理。往環境排放的只是處理回收后殘餘的一點尾水尾氣，數量甚微。核電站運行經驗證明，它每發1000億度電，放射性排放總劑量平均1.2希，而燒煤電站的灰渣中放射性物質總劑量約為每發1000億度電3.5希。可見即使僅從放射性排放角度看，核電也比火電小。
3.核電的經濟性優於火電。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，核電廠由於特別考究安全和質量，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。火電廠的燃料費約佔發電成本的40％～60％，而核電廠的燃料費則只佔20％～30％。國外和我國台灣省的經驗證明，總的算起來，核電廠的發電成本要比火電廠低15％～50％。
4.以核燃料代替煤和石油，有利於資源的合理利用。煤和石油都是化學工業和紡織工業的寶貴原料，能以它們製造出多種產品。它們在地球上的蘊藏量是很有限的；作為原料，它們要比僅作為燃料的價值高得多。所以，從合理利用資源的角度來說，也應逐步以核燃料代替有機燃料。
總之，核能的優點終將為人們所確認。它的利用是解決能源問題必由之路。可以預見，在下一世紀，它在能源中的比例必將逐步加大，從而改善能源結構，並將徹底解決人類對能源的需求。
但是，人們在承認核能優點的同時，往往擔心核電站會因發生事故而污染環境和危害人民。蘇聯切爾諾貝利核電站事故后，這種擔心驟增。其實，自從世界上有核電站以來至今40年，已有四百多座核電反應堆運行了6千多堆年，造成環境嚴重污染和人員傷亡事故的，僅前蘇聯切爾諾貝利一例。這次事故，有其獨特的條件，主要是切爾諾貝利採用的世界上僅前蘇聯所獨有的石墨沸水堆，其設計本身就有嚴重缺陷，潛在著嚴重的不安全因素，容易引發瞬發超功率，損壞反應堆。加上它又沒有設置封閉放射性物質的安全殼廠房，一旦反應堆損壞，放射性就釋往環境；再加上嚴重違反安全規程，以致不可收拾。當今世界上絕大多數核電反應堆，包括我國秦山和大亞灣的壓水反應堆，都設計成可根據“負反應性溫度係數”進行安全保護的功能，即溫度升高，反應性減弱；溫度超過一定限度，核反應就自行停止，趨向安全。所以，切爾諾貝利式的事故在壓水型反應堆中肯定不會發生。再則，當今絕大多數核電站都專門設置了密封耐壓的安全殼廠房，將反應堆和核能系統整個籠罩密閉在內。所以，既使反應堆和核能系統損壞，安全殼仍能阻擋放射性物質，不往環境泄放。美國三里島核電站事故之所以沒有危害環境，是安全殼起了重大作用。在核電站的安全設計中，本著預防為主，縱深防禦的原則層層設防，設置多重的、多樣的和互相獨立的安全保護系統和專設安全設施以防止事故的發生和擴大。在設計、建造、運行中建立嚴格的質量保證和檢驗制度，以確保工程質量，消除事故根源。此外還針對各種可能的災害諸如地震、海潮、風浪、暴雨、洪水、颱風、火災，飛機撞擊等以及各種可能出現的故障事件逐一進行分析，採用防禦措施以確保安全無虞。對於核電站操作人員，必須經過培訓和考核通過後取得合格證書，方能上崗。核電站安全措施的完善程度和管理的嚴格程度，遠非一般工業所能比擬，它的安全是有充分保證的。當然，安全是沒有止境的，近年來，專家們又在安全設計中引入新的概念，著手研究設計“具備固有安全性”的反應堆，“能抗嚴重事故；無需廠外應急”的反應堆等安全目標。這類核電反應堆將在下一世紀陸續實現，那時，核安全又更上一層樓，更有保證了。
二、核能開發利用的步驟
第一步是熱中子反應堆的應用。這是指堆芯內有慢化劑，將快中子慢化為熱中子工作的反應堆。壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都是熱中子反應堆，現在世界上已有四百多座熱中子堆核電站（其中約70％為壓水堆）在運行發電，總裝和容量三億多千瓦，年發電量佔全世界總發電量的17％，熱中子堆今後技術改進的重點是提高其固有安全性和抵抗嚴重事故的能力，確保不發生危害環境的事故；同時將堆的壽命由現在的40年延長至60年，以提高核電站的經濟性。這些目標可望在21世紀初期實現。
熱中子堆的主要缺點是它的核燃料利用率很低。在開採、精鍊出來的金屬鈾中，只有約1％能在熱中子堆中裂變產生核能，99％都將作為貧鈾（其中含鈾—235約僅0.2％，其餘99％以上都是鈾—238）積壓起來，要等待建成快中子增殖堆後方能大量利用。
第二步是快中子增殖堆的應用。快堆最大的優點是它能充分利用核燃料。在塊堆里，每個鈾—235或鈈—238裂變時放出的中子，除維持裂變反應外，還有1.2～1.6個中子可以用來使難裂變的鈾—238轉變為易裂變的鈈—239，也就是說，快堆在消耗裂變燃料以產生核能的同時，還能生成相當於消耗量1.2～1.6倍的裂變燃料。這樣，就可以把熱中子壓所積壓的鈾—238在快堆中充分利用。
快堆這種能增殖核燃料的特點，早在1945年就為主持世界上第一座反應堆設計建造的科學家費米所指出。50年代以來，美、英、法、蘇等國都集中相當力量研究建築快堆。在60年代相繼建成了一批實驗性快堆核電站，70年代又建成了幾座電功率約25萬千瓦的示範性快堆核電站。80年代蘇聯建成了電功率為60萬千瓦的BN—600快堆核電站，法國建成了電功率為120萬千瓦的“超鳳凰”快堆核電站，基本上證實了鈉冷池式快堆在工業技術上的可能性。然而，通過這些快堆的研製，專家們也認識到，快堆在工藝技術上的難度、防止鈉積渣和鈾水反應以及耐高輻的材料選用等問題，都比當初想象要複雜得多。由於要對付這些難題，使得快堆的工藝系統相當複雜，投資甚大，因此就沖淡了它在燃料上的優越性。以法國120萬千瓦的超鳳凰快堆電站與同規模的壓水堆電站作比較，前者的基建投資為後者的3.5倍，發電成本為後者的2.5倍。所以，當前由於快堆在技術上尚不成熟，它在經濟上還不能與壓水堆競爭。如何促使快堆技術成熟，工藝簡化，從而使經濟性提高，是反應堆專家們在下一世紀在快堆上的主攻任務。估計需要三十多年時間，即到2030年前後，快堆才能取得對壓水堆等熱堆的優勢，從而逐漸取代熱堆，成為21世紀核能利用的主力堆型而推廣應用。發展快堆，方向是完全正確的。
第三步是可控熱核聚變堆。聚變堆成功后，水中的氘足以滿足人類幾十億年對能源的需求。然而，實現持續的可控聚變，難度非常大。
人們已經確認，太陽就是一個巨大的聚變反應堆，它中心的溫度約1500萬攝氏度，壓力約300億大氣壓。太陽之所以有這樣大的高溫高壓，是因為它的質量為地球的33萬倍，引力巨大之故；在這樣的高溫高壓下，每4個氫原子核能聚變為1個氦原子核，放出大量能量。在地球上的自然條件下，引力太小，靠引力不能把高溫下的等離子體約束在一起產生聚變，聚變在地球上只能在人工條件下實現。關鍵問題是等離子體的穩定約束。目前主要研究的有磁約束，慣性約束和μ介子催化等途徑實現可控聚變。各國已建造多種類型的試驗裝置二百多台，向上述多種途徑聚變點火目標探索前進。要證明可控聚變的可行性，除了要解決等離子體約束的穩定性等基本問題外，還需要解決有關超導電、導磁體，中子束注入，超高真空和大功率貯能電源等一系列技術問題。目前可控熱核聚變還處於基礎研究階段，但已露出勝利的曙光。預計到2050年前後能實現原型示範的可控聚變堆，發展到經濟實用的階段，還有一段艱辛的道路，但它的前景是光明的。
三、我國核能利用的現狀和前景
我國是重視核能發電的。1955年中央制定原子能發展計劃12年大綱中就指出：“用原子能發電是動力發展的新紀元，是有遠大前途的。”七十年代，在核武器和核潛艇基本過關后，核電站提上了議事日程。1974年，電功率為30萬千瓦的壓水堆核電站被中央批准作用科技開發項目列項，隨即開展了相關的研究、設計、試驗工作。1983年，黨中央和國務院再次表明，發展核電是堅定不移的方針，並同意專家論證結果，選定壓水堆為近期發展的主要堆型。之後自行設計建造的秦山30萬千瓦核電站和進口的2×90萬千瓦核電站相繼開工興建，並分別於1991年和1994年併網發電，結束了我國大陸無核電的歷史。1986年，經過專家論證，國務院決定在今後相當一段時期內將以電功率60萬千瓦的壓水堆為核電主力機組，充分吸取秦山一期經驗，以我為主，中外合作，系列發展，並先在秦山廠址建造4座，並為設計建造100萬千瓦的機組打下基礎，以期在下一世紀開始一段時期內壓水堆核電有較大的發展，增加核電在電力中的比例。
快堆的優點也為我國領導人和專家所共識。為了給核電的第二步發展創造條件，863高科技規劃決定，把研究、設計、建造一座熱功率6.5萬千瓦，電功率2.5萬千瓦的快堆試驗性電站作為重點高科技項目列入，計劃在下世紀初建成之後，將陸續研製示範性快堆和經濟實用的快堆電站，以期在2030年前後達到當時世界先進水平。
與此同時，863規劃還決定研究、設計、建造一座熱功率為一萬千瓦的高溫氣冷堆。這是一種先進的熱中子堆型，其冷卻堆芯的氦氣溫度可達800～1000℃，除了能高效發電外，還可用於鍊鋼、煤的氣化、氫氣生產等，但其技術難度也高，一系列高溫工藝和氦密封技術有待克服。
可控聚變堆的研究，已在核工業西南物理研究院和中國科學院合肥物理研究所同時進行了多年，已取得研製成功“環流一號”裝置等令人矚目的成果，並正在擴大國際合作，以期能與國際上的研究接軌，同步進行。我國核能技術相對穩定，但考慮到我國人口密度大的事實，核能的安全性仍需改進。
總之，我國核能開發利用的前景是光明的，但這終究是一個長期的大系統工程，既要解決為國民經濟服務的大量工程技術問題，又要為下一步發展進行系統的預研工作，還需要深入進行一系列基礎研究，牽涉到的學科範圍也十分廣泛。因此，必須遠近結合，高瞻遠矚，全面考慮，統籌安排，認真落實。我們相信，在國家的統一規劃和扶植下，在人民群眾的積極支持下，我國核能的開發利用，必將結出豐碩成果。