核裂變能

重金屬元素鈾-235的原子核吸收一個中子后產生核反應，使這個重原子核分裂成兩個(極少情況下會是3個)更輕的原子核以及2-3個自由中子，還有β和γ射線和中微子，並釋放出巨大的能量，這一過程稱為核裂變。

核裂變能（或稱原子能）是通過轉化其質量從原子核釋放的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的方程E=mc²，其中E=能量，m=質量，c=光速常量。核裂變能是打開原子核的結合力，釋放出的巨大能量。

當中子轟擊鈾-235原子核時，一部分鈾-235原子核吸收中子而發生裂變。如果鈾-235核裂變產生的中子又去轟擊另一個鈾一235將再引起新的裂變，如此不斷地持續進行下去，就是裂變的鏈式反應。這種鏈式裂變反應自己維持進行，或者維持自持鏈式裂變反應的條件(或狀態)是至少有一個中子而且不多於一個中子從每一次裂變到達另一次裂變。這種狀態稱為“臨界狀態”。

中子與鈾-235核的自持鏈式反應可以由人來控制。目前最常用的控制方式是向產生鏈式反應的裂變物質(如鈾-235)中放入或移出可以吸收中子的材料。正常工作時使裂變物質處於臨界狀態，維持穩定的鏈式裂變反應，因而保持穩定的核能釋放。如需停止鏈式反應，就放入更多的吸收中子材料；如果要求釋放更多的核能，可以移出一定的吸收中子材料。這種能維持和控制核裂變，因而維持和控制核能—熱能轉換的裝置，叫反應堆。

核裂變能存在與原子核內部，只有使它釋放出來才能被人類所利用。怎樣才能使核能釋放出來呢？原子核核子平均結合能隨原子核質量數而變化的規律，是核能能夠被釋放出來的理論依據。由於質量數中等的原子核核子平均結合能較大，因而無論將重核分裂成質量數中等的原子核，還是將輕核聚合成質量數中等的原子核，都能夠使核能釋放出來。所以，核能釋放有以下兩種途徑：重核的裂變和輕核的聚變。第一種途徑是重核的裂變。將重核分裂成質量數中等的原子核，稱為重核的裂變，又叫做核裂變。核裂變是1938年由德國科學家哈恩和斯特拉斯曼發現的。他們用中子轟擊鈾原子核，導致了鈾原子核的裂變。可見，快速中子的轟擊是實現核裂變的條件。在重核裂變時，放出新的中子，新中子又引起其它重核裂變。這種不斷進行的核裂變反應，稱為鏈式反應。重核材料（如含鈾的同位素鈾238和鈾235的材料）能夠產生核裂變鏈式反應的最小體積，稱為重核材料的臨界體積。重核材料的體積一旦超過其臨界體積，核裂變鏈式反應就迅速進行，同時在極短的時間內釋放出巨大的能量，引起猛烈的爆炸。重核在核裂變反應過程中釋放出的巨大能量，稱為核裂變能。例如，1克鈾235完全裂變所釋放的核裂變能，相當於2.4噸煤完全燃燒所釋放的化學能。

核裂變能→水和水蒸氣的內能→發電機轉子的機械能→電能

利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電的方式。它與火力發電極其相似。只是以核反應堆及蒸汽發生器來代替火力發電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學能。除沸水堆外（見輕水堆），其他類型的動力堆都是一迴路的冷卻劑通過堆心加熱，在蒸汽發生器中將熱量傳給二迴路或三迴路的水，然後形成蒸汽推動汽輪發電機。沸水堆則是一迴路的冷卻劑通過堆心加熱變成70個大氣壓左右的飽和蒸汽，經汽水分離並乾燥后直接推動汽輪發電機。

核能發電利用鈾燃料進行核分裂連鎖反應所產生的熱，將水加熱成高溫高壓，核反應所放出的熱量較燃燒化石燃料所放出的能量要高很多（相差約百萬倍），比較起來所以需要的燃料體積比火力電廠少相當多。核能發電所使用的的鈾235純度只約佔3%－4%，其餘皆為無法產生核分裂的鈾238。

舉例而言，核四廠每年要用掉80噸的核燃料，只要2支標準貨櫃就可以運載。如果換成燃煤，需要515萬噸，每天要用20噸的大卡車運705車才夠。如果使用天然氣，需要143萬噸，相當於每天燒掉20萬桶家用瓦斯。換算起來，剛好接近全台灣692萬戶的瓦斯用量。

核能發電的歷史與動力堆的發展歷史密切相關。動力堆的發展最初是出於軍事需要。1954年，蘇聯建成世界上第一座裝機容量為5兆瓦(電)的核電站。英、美等國也相繼建成各種類型的核電站。到1960年，有5個國家建成20座核電站，裝機容量1279兆瓦（電）。由於核濃縮技術的發展，到1966年，核能發電的成本已低於火力發電的成本。核能發電真正邁入實用階段。1978年全世界22個國家和地區正在運行的30兆瓦（電）以上的核電站反應堆已達200多座，總裝機容量已達107776兆瓦（電）。80年代因化石能源短缺日益突出，核能發電的進展更快。到1991年，全世界近30個國家和地區建成的核電機組為423套，總容量為3.275億千瓦，其發電量佔全世界總發電量的約16%。世界上第一座核電站—蘇聯奧布寧斯克核電站。

中國大陸的核電起步較晚，1980年代才動工興建核電站。中國自行設計建造的30萬千瓦（電）秦山核電站在1991年底投入運行。大亞灣核電站正加緊施工。

核能發電原理：核能發電的能量來自核反應堆中可裂變材料(核燃料)進行裂變反應所釋放的裂變能。裂變反應指鈾-235、鈈-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片，同時放出中子和大量能量的過程。反應中，可裂變物的原子核吸收一個中子后發生裂變並放出兩三個中子。若這些中子除去消耗，至少有一個中子能引起另一個原子核裂變，使裂變自持地進行，則這種反應稱為鏈式裂變反應。實現鏈式反應是核能發電的前提。

要用反應堆產生核能，需要解決以下4個問題：

①為核裂變鏈式反應提供必要的條件，使之得以進行。

②鏈式反應必須能由人通過一定裝置進行控制。失去控制的裂變能不僅不能用於發電，還會釀成災害。

③裂變反應產生的能量要能從反應堆中安全取出。

④裂變反應中產生的中子和放射性物質對人體危害很大，必須設法避免它們對核電站工作人員和附近居民的傷害。

世界上有比較豐富的核資源，核燃料有鈾、釷氘、鋰、硼等等，世界上鈾的儲量約為417萬噸。地球上可供開發的核燃料資源，可提供的能量是礦石燃料的十多萬倍。

核能應用作為緩和世界能源危機的一種經濟有效的措施有許多的優點：

其一核燃料具有許多優點，如體積小而能量大，核能比化學能大幾百萬倍；1000克鈾釋放的能量相當於2400噸標準煤釋放的能量；一座100萬千瓦的大型燒煤電站，每年需原煤300～400萬噸，運這些煤需要2760列火車，相當於每天8列火車，還要運走4000萬噸灰渣。同功率的壓水堆核電站，一年僅耗鈾含量為3%的低濃縮鈾燃料28噸；每一磅鈾的成本，約為20美元，換算成1千瓦發電經費是0．001美元左右，這和目前的傳統發電成本比較，便宜許多；而且，由於核燃料的運輸量小，所以核電站就可建在最需要的工業區附近。核電站的基本建設投資一般是同等火電站的一倍半到兩倍，不過它的核燃料費用卻要比煤便宜得多，運行維修費用也比火電站少，如果掌握了核聚變反應技術，使用海水作燃料，則更是取之不盡，用之方便。

其二是污染少。火電站不斷地向大氣里排放二氧化硫和氧化氮等有害物質，同時煤里的少量鈾、鈦和鐳等放射性物質，也會隨著煙塵飄落到火電站的周圍，污染環境。而核電站設置了層層屏障，基本上不排放污染環境的物質，就是放射性污染也比燒煤電站少得多。據統計，核電站正常運行的時候，一年給居民帶來的放射性影響，還不到一次X光透視所受的劑量。

其三是安全性強。從第一座核電站建成以來，全世界投入運行的核電站達400多座，30多年來基本上是安全正常的。雖然有1979年美國三里島壓水堆核電站事故和1986年蘇聯切爾諾貝利石墨沸水堆核電站事故，但這兩次事故都是由於人為因素造成的。隨著壓水堆的進一步改進，核電站有可能會變得更加安全。

空間核反應堆(簡稱空間堆)是一種將反應堆核裂變能轉變為電能供航天器及其負載使用的新型電源。它可以為航天器提供千瓦級電力，從而增強其工作能力、拓展應用領域。與傳統的太陽能電池陣和蓄電池聯合供電相比，空間堆的優勢主要包括：單位質量功率大、成本低；不依賴太陽能，不受塵埃、高溫和輻射等因素影響，環境適應能力和生存能力強；體積小、重量輕，可有效減輕火箭推進系統負荷，增加航天器有效負荷和可靠性。

我國於20世紀70年代開始空間堆的研究工作，后一度中止。“九五”期間，空間堆研究被列入總裝備部預先研究項目，由原子能院和空間技術研究院共同承擔，完成了空間堆概念設計。“十五”起，開始了空間堆初步設計和關鍵技術攻關，在設計技術、製造技術、試驗技術以及安全研究等方面均取得一定突破。目前項目處於從技術設計到施工設計的過度階段，正進行設備和部件的研製和單項試驗。計劃2015年完成地面試驗，2020年定型，2025年發射“百千瓦級核反應堆試驗星”，進行在軌演示驗證，掌握超大功率空間核反應堆電源技術。

俄羅斯、美國、法國、德國和日本等國從20世紀60年代起就開始開展空間堆的研究，目前只有美國和俄羅斯進行了實際發射。截至2004年，俄羅斯供發射了37個使用空間堆供電的航天器；美國發射過1個類似裝置。