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核能利用与发展趋势学校：东北农业大学学院：工程学院班级：机化1302学号：姓名：核能利用与发展趋势Unclearenergyutilizationanddevelopmenttrend摘要核电是一种清洁、安全、技术成熟、供应能力强、能大规模应用的发电方式，目前，我国核电已由起步进入发展阶段，具有自主设计建造第一代核电的能力，我国已做出积极推进核电发展的重大决定，加快我国核电建设，提高核电在电力供给中的比重，这将有助于缓解电力增民与交通运输的矛盾，核能利用的发展前景将越来越广阔。关键词核能利用前景核能发展核电1.核电概述核能的发展和利用是20世纪科技史上最杰出的成就之一。它通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2，该方程式表明，质量和能量是等价的，其比例常数为光速的平方。在核能的利用中，核电厂的发展是相当迅速的，己被公认为是一种经济、安全、可靠、干净的能源，核动力技术在多数发达国家得到了巨大发展，也在很多发展中国家获得了广泛的认可。根据能源需求和能源生产结构，我国政府己制定了积极发展核电的方针，建设了秦山和大亚湾两大核电基地，中国核电建设的安全策略取得了成功。2.核能发电核能是原子核结构发生变化是释放出来的能量。目前人类利用核能主要有三种——重元素的原子核发生裂变和轻元素的原子核发生聚合反映时释放出来的核能或是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程，它们分别为核裂变能、核聚变能和核衰变。2.1核裂变能核裂变，又称核分裂，是指由较重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的（原子序数较小的）原子的一种核反应形式。原子弹以及裂变核电站的能量来源都是核裂变。早期原子弹应用钚-239为原料制成。而铀-235裂变在核电厂最常见。重核原子经中子撞击后，分裂成为两个较轻的原子，同时释放出数个中子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子，从而形成链式反应而自发分裂。原子核裂变时除放出中子还会放出热，核电厂用以发电的能量即来源于此。由于每次核裂变释放出的中子数量大于一个，因此若对链式反应不加以控制，同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。若聚集在一起的重核原子足够多，将会瞬间释放大量的能量。原子弹便应用了核裂变的这种特性。制成原子弹所使用的重核含量，需要在90%以上。核能发电应用中所使用的核燃料，铀-235的含量通常很低，大约在3%到5%，因此不会产生核爆。但核电厂仍需要对反应炉中的中子数量加以控制，以防止功率过高造成炉心熔毁的事故。通常会在反应炉的慢化剂中添加硼，并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能分裂。核裂变时，大部分的分裂中子均是一分裂就立即释出，称为瞬发中子，少部分则在之后(一至数十秒)才释出，称为延迟中子。2.1.1核裂变能原理及过程核能发电的过程：核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。核裂变撞击时除放出中子还会放出热，再加快撞击，但如果温度太高，反应炉会熔掉，而演变成反应炉融毁造成严重灾害，因此通常会放控制棒（硼制成）去吸收中子以降低分裂速度。一个重原子核分裂成为两个（或更多个）中等质量碎片的现象。按分裂的方式裂变可分为自发裂变和感生裂变。自发裂变是没有外部作用时的裂变，类似于放射性衰变，是重核不稳定性的一种表现；感生裂变是在外来粒子（最常见的是中子）轰击下产生的裂变。处于激发态的原子核（例如，铀-235核吸收一个中子之后，就形成激发态的铀-236核）发生形变时，一部分激发能转化为形变势能。随着原子核逐步拉长，形变能将经历一个先增大后减小的过程。这是因为有两种因素在起作用：来自核力的表面能是随形变而增大的；来自质子之间静电斥力的库仑能却是随形变的增大而减小的。两种因素综合作用的结果形成一个裂变势垒，原子核只有通过势垒才能发生裂变。势垒的顶点称为鞍点。到达最终断开的剪裂点后，两个初生碎片受到相互的静电斥力作用，向相反方向飞离。静电库仑能转化成两碎片的动能。初生碎片具有很大的形变，它们很快收缩成球形，碎片的形变能就转变成为它们的内部激发能。具有相当高激发能的碎片，以发射若干中子和γ射线的方式退激，这就是裂变瞬发中子和瞬发γ射线。退激到基态的碎片由于中子数（N）与质子数（Z）的比例（N/Z）偏大，均处于β稳定线的丰中子一侧，因此要经历一系列的β衰变而变成稳定核（见远离β稳定线的核素）。这就是裂变碎片的β衰变链。在β衰变过程中，有些核又可能发出中子，这此中子称为缓发中子。以上就是一个激发核裂变的全过程。2.2核聚变能由两个或两个以上氢原子核（如氢的同位素—氘和氚）结合成一个较重的原子核，同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应，其释放出的能量称为核聚变能。核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法，一种是使用托卡马克装置实现，托卡马克是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氛、氖实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应的控制;另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计;第二种方式已接近突破的边缘。由于核聚变是在极高的温度下完成的，所以又常称其为热核反应。2.2.1核聚变原理及过程物质在低温状态下是固态，随着温度的升高会出现液态、气态，气态的物质被继续加热会出现等离子状态，即在几万810℃以上时，气体将全部发生电离，变成带正电的离子和带负电的自由电子。这种等离子体被约束在托卡马克装置的环形室腔体内不与腔壁接触，加热电流继续在这一环形室中流动，与电流方向一致的强大外磁场保证了等离子体的稳定。当等离子体被加热到810℃以上，满足1410n(式中n为氛氖等离子体密度，3cm;为等离子体维持的时间，s)时，就会发生轻原子核转为重原子核的核聚变反应(nHHH423121),1个氛和1个氛聚变为1个氦核、放出1个中子(能量为14MeV)，伴随着这一反应放出17.6MeV的巨大能量。现在人类实现可控核聚变所使用的轻核只有氛与氖。在托卡马克装置上，当放出的能量大于输人的能量、并足以加热下一次添加的氖氖并继续聚变反应时，这种条件称为可控核聚变的“点火”条件。实现核聚变的“点火”有三大难题要解决，一是如何把等离子体加热到810℃以上;二是如何使等离子体不与装它的容器相碰，否则等离子体要降温，容器要烧毁;三是防止杂质混人等离子体，因杂质会增加辐射而使等离子体冷却。聚变反应堆主要的部件包括高温聚变等离子体堆芯、包层、屏蔽层、磁体和辅助系统等。2.3核衰变能核衰变是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。认识原子核的重要途径之一。1896年法国科学家A.H.贝可勒尔研究含铀矿物质的荧光现象时，偶然发现铀盐能放射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射线，这就是衰变产生的射线。除了天然存在的放射性核素以外，还存在大量人工制造的其他放射性核素。放射性的类型除了放射α、β、γ粒子以外，还有放射正电子、质子、中子、中微子等粒子以及自发裂变、β缓发粒子等等。2.3.1常见的放射性核衰变类型科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度（一般为A≤209），而且中子数和质子数应保持一定的比例（一般为N/Z=1～1.5，也有个别例外）。任何含有过多核子或N/Z不适当的核素，都是不稳定的。A≥209的核素，即元素周期表中钋（Po）之后的所有元素的核素都具有放射性（钋之前的元素，有的核素也具有放射性），它们或是自发地放射出α射线（即He核），而转变成A较小的新核；或是因核素的N/Z不适当，其核内的中子与质子会自发地相互转变，从而改变N/Z的值，并同时放出一个β-（或β+）粒子。核素衰变后产生的新核几乎都是处在激发态，这样的核或是自发地放射出γ光子而转变到基态或较低能态，或是继续进行α衰变（或β衰变），直到变成一个稳定的核素为止。放射性核衰变的类型有α衰变、β衰变和γ衰变三种，分别放出α射线、β射线和γ射线。1）α衰变放射性核素放射出α粒子后变成另一种核素。子核的电荷数比母核减少2，质量数比母核减少4。α粒子的特点是电离能力强，射程短，穿透能力较弱。2）β衰变β衰变又分β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获三种方式。(1)β-衰变放射出β-粒子（高速电子）的衰变。一般地，中子相对丰富的放射性核素常发生β-衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。(2)β+衰变放射出β+粒子（正电子）的衰变。一般地，中子相对缺乏的放射性核素常发生β+衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。(3)轨道电子俘获原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成核电荷数减少1，质量数不变的另一种原子核。由于K层最靠近核，所以K俘获最易发生。在K俘获发生时，必有外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有子体特征的标识X射线。这一能量也可能传递给更外层电子，使它成为自由电子发射出去，这个电子称作“俄歇电子”。3）γ衰变和内变换(1)γ衰变处于激发态的核，通过放射出γ射线而跃迁到基态或较低能态的现象。γ射线的穿透力很强。γ射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。(2)内变换有时处于激发态的核可以不辐射γ射线回到基态或较低能态，而是将能量直接传给一个核外电子（主要是K层电子），使该电子电离出去。这种现象称为内变换，所放出的电子称作内变换电子。3.我国电力现状及发展趋势目前人类已耗用了的能源总量近3000亿吨标准煤，自1973年以来，从地球开采的石油近5000亿桶(约合800亿吨),剩下的石油按现有生产水平计算，还可保证开采40年。天然气也只能持续开采50年，石油、煤和天然气资源都正在快速地走向枯竭，并且化石能源的过度应用还导致了2co等气体大量积累，形成了温室效应。因此寻找一种既能替代化石能源又不影响人类生存环境的能源是各国多年来的努力目标。在新能源中，水能、太阳能、风能、地热能等虽然具备一定的条件，但这些能源不是储量太少就是属于间竭能源，只有核电具备潜力巨大、能大规模、全天候为人类长期提供所需能源的能力。中国能源结构仍以煤炭为主体，清洁优质能源的比重偏低。中国目前建成和在建的核电站总装机容量为870万千瓦，预计到2010年中国核电装机容量约为2000万千瓦，2020年约为4000万千瓦。到2050年，根据不同部门的估算，中国核电装机容量可以分为高中低三种方案：高方案为3.6亿千瓦（约占中国电力总装机容量的30%），中方案为2.4亿千瓦（约占中国电力总装机容量的20%），低方案为1.2亿千瓦（约占中国电力总装机容量的10%）。中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000MW。从核电发展总趋势来看，中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行，当前发展压水堆，中期发展快中子堆，远期发展聚变堆。具体地说就是，近期发展热中子反应堆核电站，为了充分利用铀资源，采用铀钚循环的技术路线，中期发展快中子增殖反应堆核电站，远期发展聚变堆核电站，从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾。4.结束语核能替代化石能源的前景及环保上的优越性是有目共睹的。但近年来由于发达国家经济的转型，常规能源利用率的提高和人们对核事故的恐惧，总体上发达国家核电在下滑。迫于民众的压力，一些国家已表示不再发展核电，如意大利、德国等。发展中国家出于从能源供应的可靠性和国家的安全考虑，正在稳步地发展核电。核聚变反应堆现在正进行国际合作，预测在2025年可建成示范性聚变堆，真正的商业化将在2040年后实现。50年后，人类将真正进入没有任何核污染、燃料来源难以穷尽的核文明时代，届时人类将再不用为能源和利用能源对环境造成的危害担忧，生存条件会越来越好。石油、煤炭、天然气和和铀矿这些矿物能源储量面临枯竭。现在的青少年，在他们老之将到时，很可能就会目睹，原野里那些曾经日夜劳作的抽油机在凄风苦雨而中逝去。再过几代的人们，什么炼油厂、输油管道、燃煤电厂、……，对于他们来说，就会成为昨天的故事。人类应该未雨绸缪，不要待矿