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二、获得核能的途径（2）聚变一、核能原子核是可以改变的，且在有些改变的过程中还会释放出巨大的能量，这种能量叫做核能.（1）裂变不受控的链式反应原子弹氢弹受控的链式反应核电站裂变重核裂变质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个质量相近的新核，并释放出能量的过程。原子弹――根据核裂变的原理制成。属于不受控制的链式反应的结果！用中子轰击铀核，使铀核发生裂变，放出能量.铀核分裂时，还同时放出2～3个中子，又可以轰击其它铀核，使它们也发生裂变.这些铀核分裂时，同样放出中子，从而引起更多的铀核发生裂变.于是裂变反应便会链锁式地自行持续下去.这种现象叫做链式反应。链式反应轻核聚变2个质量较小的原子核在高温高压条件下聚合成质量较大的新核，同时释放出能量的过程。氢弹――根据核聚变的原理制成。威力比原子弹还大。►自然界中，太阳内部的温度高达摄氏1千万度以上，在那里就进行着大规模的聚变反应.太阳辐射出的光和热，正是由聚变反应释放的核能转化而来的.可以说，地球上的人类每天都享用着聚变释放出的能量。１１９６４年10月16日15时（北京时间），中国第一颗原子弹在新疆罗布泊爆炸成功，中国从此成为核俱乐部的第五个成员。196７年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功。设疑：核能巨大，难道只能用于战争吗?如何才能有效地控制核能的释放？核弹头核能的和平利用――核电站使原子核的裂变在可控制的条件下缓慢进行，释放的核能就可有效地利用。核能的和平利用――核电站思考：在电站工作过程中，能量是如何转化的？核能内能机械能电能→→→田湾核电站秦山核电站岭奥核电站大亚湾核电站湖北咸宁大畈核电站7月动工为我国首座内陆核电站效果图核动力潜艇核动力巡洋舰核动力航母使原子核的裂变在可控制的条件下缓慢进行核地狱——切尔诺贝利核电站１．为防止放射性灰尘沉降时随呼吸道吸入人体内和降落到皮肤上，污染区的人要及时戴好防毒面具或口罩。也可用湿毛巾捂住口鼻，扎好裤口、袖口、领口，用雨衣、塑料布及床单等就便物品把暴露皮肤遮盖起来，转入安全地带。防核幅射：2．处于放射性物质沉降地区，应关闭门窗，防止放射性灰尘进入室内，尽量减少室外活动，这样可以减轻核辐射伤害。国际热核计划国际热核聚变实验反应堆（简称国际热核计划，英文缩写为ITER）早在1985年就由原苏联在美苏日内瓦峰会上提出，1986年开始设计和筹建，1998年基本完成前期工作。国际热核计划将历时35年，总投资额将超过100亿美元。目前，该计划共有7方参与，分别是欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度。欧盟承担40％的研发费用，其他6方各承担10％。该计划是为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而设计的，其原理类似太阳发光发热，即在上亿摄氏度的高温条件下，利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变使用的氘、氚可从海水中提取，而且不产生温室气体及高放射性核废料，因此被认为是未来人类能源的希望所在。与目前的核电站不同，聚变反应堆从本质上讲不会发生泄漏，所以国际热核实验反应堆和下一代核聚变反应堆不会发生重大事故。另外，它也不对环境和周围居民构成威胁。核聚变发电的优点：１．能量巨大２．资源丰富３．成本低谦４．安全清洁无染污目前轻核聚变不可控制核能“核能”来源于保持在原子核中的一种非常强的作用力——核力。核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。取得核能的方式有两种：一是目前已达到实用阶段的核裂变方式，二是目前还处于研究试验阶段的核聚变方式。自然界中的所有物质，将它们进行化学分解，就能分出氢、氧、铀等多种元素。这些元素结合起来便形成物质。保持物质性质的最小单位为分子。分子还可以分成原子，原子是代表元素的最小单位。原子由一个带正电荷的原子核和围绕该原子核周围的带负电荷的电子组成。原子核由质子和中子构成。图3-1-5核裂变反应示意图1）核裂变2）核聚变把一个氘核(质量数为2的氢核)和一个氚核(质量数为3的氢核)在高温、高压的环境下结合成一个氦核时，也会释放出核能，这就是所谓的氢核聚变，见图3-1-6。氢弹就是利用这个原理制成的。氢弹的威力比原子弹要大得多。我们最熟悉的太阳其内部就在不断地进行着大规模的核聚变反应，由此释放出的巨大核能以电磁波的形式从太阳辐射出来，地球上的人类自古以来，每天都享用着这种聚变释放出的核能。图3-1-6核聚变反应示意图磁约束是前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的，他们期望用环行磁场这一“无形的河床来约束河水”。磁约束就是利用磁场将高温等离子体约束在一定的范围内。由于高温等离子体是由高速运动的荷电粒子（离子、电子）组成，如果利用设计的磁场来约束高温等离子体，使带电粒子只能沿着一个螺旋形的轨道运动，这样磁场的作用就相当于一个容器了（见图）。这就是磁约束系统的思想。受这一思想的启发，前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈，利用电容器放电使真空室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，还改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合，即环流磁真空室的缩写。•磁约束有各种不同的形式，其中一种叫托卡马克的系统是目前性能最好的磁约束装置。磁约束原理图螺线管极向场环形场全超导托卡马克EAST（原名HT━7U）核聚变实验装置核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能—热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。压水反应堆压水反应堆发电系统核电站核电站和火电站的系统示意图20世纪50年代美苏等工业发达国家在进行核军备竞赛的同时,也竞相发展核电站,前苏联于1954年建成的电功率仅五千千瓦的试验性的第一所原子能电站和美国于1957年建成的电功率为九万千瓦的希平港原型核电站等证明了利用核能发电的技术可行性,国际上把这些试验性和原型核电机组称为第一代核电机组。在这些机组取得的经验的基础上,20世纪60年代中期以来陆续建成了一些电功率在30万千瓦以上的如压水堆、沸水堆、重水堆等核电机组。不仅进一步证明了核能发电的技术可行性,而且也证明了核电的经济性,即在经济上能与火电、水电相竞争。20世纪70年代因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展,当时核电发展的速度远大于火电和水电,目前世界上正在商业运行发电的四百多座核电机组,绝大部分是在这段时期建成的,称为第二代核电机组。目前,国际上开发的第三代核电堆型都是热中子堆,如压水堆、沸水堆、高温气冷堆;因为目前还只有热中子堆能有把握在近期实现商用化,我国第三代核电的堆型是电功率百万千瓦以上的压水堆。热中子反应堆，它是用慢化剂把快中子速度降低，使之成为热中子（或称慢中子），再利用热中子来进行链式反应的一种装置。由于热中子更容易引起铀－235等裂变，这样，用少量裂变物质就可获得链式裂变反应。慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质，如重水、铍、石墨、水等。热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中，组成堆芯。链式反应就是在堆芯中进行的。反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水（普通水）、重水、二氧化碳和氦气。自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下三种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。压水堆：高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在120～160个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度即使300℃多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽。沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。沸水反应堆沸水反应堆发电系统重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。压力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷却和重水慢化、沸腾轻水冷却两种反应堆。这两种堆的结构大致相同。重水堆的突出优点是能最有效地利用天然铀。由于重水慢化性能好，吸收中子少，这不仅可直接用天然铀作燃料，而且燃料烧得比较透。重水堆比轻水堆消耗天然铀的量要少，如果采用低浓度铀，可节省天然铀38%。在各种热中子堆中，重水堆需要的天然铀量最小。此外，重水堆对燃料的适应性强，能很容易地改用另一种核燃料。它的主要缺点是，体积比轻水堆大。建造费用高，重水昂贵，发电成本也比较高。石墨气冷堆核电站所谓石墨气冷堆就是以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂的反应堆。这种堆经历了三个发展阶段，产生了三种堆型：天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆。天然铀石墨气冷堆是天然铀作燃料，石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂的反应堆。高温气冷堆是石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的堆。它的简单工作过程是，氦气冷却剂流过燃料体之间，变成了高温气体；高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽带动汽轮发电机发电。高温气冷堆有特殊的优点：由于氦气是惰性气体，因而它不能被活化，在高温下也不腐蚀设备和管道；由于石墨的热容量大，所以发生事故时不会引起温度的迅速增加；由于用混凝土做成压力壳，这样，反应堆没有突然破裂的危险，大大增加了安全性；由于热效率达到40%以上，这样高的热效率减少了热污染。但是高温气冷堆技术较复杂。2000年1月,在美国能源部的倡议下,10个有意发展核能利用的国家派专家联合组成了“第四代国际核能论坛”(generationⅣnuclearEnergyInternationalForum,简称GIF),于2001年7月签署了合约(Charter),约定共同合作研究开发第四代核能系统(GenⅣ)。这10个国家是:美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷。第四代核能系统开发的目标是到2030年或更早的时间里创新地开发出新一代核能系统,使其在安全性、经济性、可持续发展性、防核扩散以及防恐怖袭击等方面都有显著的先进性和竞争能力;它不仅要考虑用于发电或制氢等的核反应堆装置,还应把核燃料循环也包括在内,组成完整的核能利用系统。GIF在2002年5月巴黎举行的研讨会上,选定了六种反应堆型的概念设计,作为第四代核能系统优先研究开发的对象。这六种堆型中,有三种是热中子堆,有三种是快中子堆。属于热中子堆的是:超临界水冷堆;很高温气冷堆;熔盐堆。属于快中子堆的是:带有先进燃料循环的钠冷快堆;铅冷快堆;气冷快堆。可控热核聚变堆的前景展望太阳之所以有这样大的高温高压,是因为它的质量是地球的33万倍,所以它的物质之间的相互引力特别大,足以克服带正电的氢原子核之间的正电斥力,使四个氢原子核聚合成一个氦原子核,就发出了能量。所以,太阳能本质上是核聚变能。但是,在地球上我们就没有这样的条件。由于原子核都带正电,它们相互间的正电斥力远远大于质量引力,所以在地球上只能靠人工条件来实现聚变。多年的研究说明把原子核约束到一起的主要途径有二:磁约束和惯性约束。80年代以来,一些大型托卡马克(磁约束)装置取得的试验成果证明了这些聚变装置的输出能量能大于输入能量,宣告了磁约束受控热核聚变的科学可行性已被证实。在此基础上,欧、美、日、俄四方联合开发的国际热核试验反应堆ITER已于1988年完成了工程设计,预期在2020年前建成,其设计功率为500MW,等离子体持续时间大于500s。如果这样一座大功率的聚变核反应堆能如期建成运行,将使聚变发电的工程可行性得到证实。我国核能发展战略核电燃烧料链和煤电燃烧料链影响产生的危害比较废物量比较上述数据的对比分析表明，核电与目前我国能源构成中的主体—燃煤发电相比，可以明显减少二氧化碳的排放，对于环境保护和生命