追寻“能”之源——核能

白志强，张志永

(1.河南工学院 电气工程系，河南 新乡 453000； 2.中国科技大学 近代物理系，安徽 合肥 230000)

追寻“能”之源
——核能

白志强1，张志永2

(1.河南工学院 电气工程系，河南 新乡 453000； 2.中国科技大学 近代物理系，安徽 合肥 230000)

首先，简述了人类对物质及其微观结构的认知历程；其次，借助原子弹爆炸的影响引出了和平用“核”的概念；接着，阐明了核电的发展历程并对其前景进行了展望；最后，对我国核电的过去、现在和未来作了扼要介绍。

质量守恒；原子物理；重核裂变；核能发电

进入20世纪之后，原子物理领域取得了一系列的进展。质能方程和重核裂变相继被提出，更为核能的开发奠定了理论基础。正当人们为此感到欢欣鼓舞之时，长崎和广岛的两声巨响使世界陷入了前所未有的灾难和恐慌。核电站的出现给人类和平用"核"带来了光明和信心，但前行的道路又异常的苦涩和艰辛。近年，随着能源危机和环境问题愈发严重，核能再次迎来了属于自己的春天。

1 质量怎么少了？

1896年的一天，贝克勒尔由黑纸下的相机底片感光现象发现了天然放射性；1898年，居里夫妇在沥青铀矿渣中发现了Po和Ra；1902年，卢瑟福和索恩发现Th；1934年，费米做了中子轰击铀的实验成功产生了放射现象；1938年，哈恩用慢中子轰击铀核发现了重核——235U裂变现象。

科学家们意识到235U裂变所释放的能量远非硝化甘油(C3H5N3O9)等燃烧爆炸所能比拟，而且他们惊奇地发现核裂变发生后质量居然减少了。这时，人们将怀疑的目光投向了质量守恒定律。

2 奇怪的方程

20世纪以来，科学家在原子物理领域取得了一系列重大突破。随着裂变研究的深入，正当人们对质量守恒定律的普适性倍感困惑时，《物理年鉴》收到了一名26岁小职员的投稿——《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》[1]。它给出了一个奇怪的方程[2]——E=mc2。由此，质量和能量之间建立起了联系，即质量就是能量，能量就是质量。

质能方程无论对于核反应还是其他化学反应均普遍适用。只是常规的化学反应能量变化较小，以致质量的变化不易被人类察觉。譬如：1kg硝化甘油(C3H5N3O9)爆炸将释放8×106J的能量。但依据质能方程计算，爆炸所导致的质量损失仅为渺小的8.9×10-11kg。

3 魔鬼的出现

当科学家们正为原子物理领域的进展兴奋不已之时，第二次世界大战爆发。6名原子物理学家来到柏林举行了秘密会议，德国当局遂制订了研制核武器计划——“U计划”。1939年10月，罗斯福采纳了费米等人的建议并下令成立“S-11”铀顾问委员会。美国遂开始了对原子弹的研制，之后便启动"曼哈顿工程"。在费米等科学家的努力下，在1945年7月16日5时30分左右世界上第一颗原子弹——"瘦子"于新墨西哥州沙漠地区试爆成功。同年8月6日上午9时左右，一朵蔚为壮观的蘑菇云将广岛笼罩在炽热的火海之中。紧接着，8月9日上午，"胖子"从长崎的天空慢慢落下，继广岛之后，又一出悲剧在长崎上演。

科学家们没有想到，他们费尽苦心追寻的核能，竟先如魔鬼一般来到世界。

4 黑暗中的光明

二战虽已结束，但广岛和长崎的乌云仍笼罩着大地。"制止核武，和平用核"成为人们亟待解决的难题。

这时，东方的夜空传来一束亮光。1954年6月，世界首座试验核电站在莫斯科郊外建成。之后，英国于1956年建成考尔德豪尔核电站；美国在1957年建成希平港核电站；1962年法国石墨气冷堆核电站，而我国也于20世纪70年代起步。核电的大门正慢慢开启，黑暗中已然有了点点光明。

5 路上总有坎儿

自60年代中期至80年代初，核电得到大规模高速发展，虽事故频发，但却未减缓其步伐。直到1979年三里岛核反应堆堆芯融化以及1986年切尔诺贝利核电站第4号反应堆发生爆炸，全球建设核电的热潮才得以降温。而2011年的福岛核事故无疑又一次在人类核之殇处撒了把盐。核电产业面临着全面退出的社会压力，2011年瑞士和德国相继宣布相关的停核决定。路上总有坎儿，核电的未来该何去何从？

6 还得走下去

“谈核色变”并非第一次，但日益加剧的能源危机更使世界感到恐慌。20世纪七八十年代先后爆发了两次石油危机，而1990年的海湾战争更是一场彻彻底底的能源之战。除了能源危机，温室效应、全球气候变暖及臭氧层遭到破坏等环境问题也严重地威胁着人类的生存。此时，技术日趋成熟的核电在经济、能源和环保方面再次展现出了强大的竞争力。全球的核电再一次从“寒冬”走入“春天”。正如毛泽东所说：任何新生事物的成长都是要经过艰难曲折的。

7 发展在路上

7.1 堆型技术在沿革

安全是核电发展的前提。核电技术60余年，从“第一代”发展到"第四代"如图1所示。快堆作为第四代核电系统的主力堆型，美、法、日等国早在20世纪中叶就开始了钠冷快堆的研究工作。目前在役的钠冷快堆电站主要有法国的凤凰快堆、印度的PFBR快堆、俄国的BN-600和BN-800快堆。堆型技术不断发展的实质为核电运行安全标准的“步步升级”[3]。

图1 核电技术发展历程及其代表堆型[4]

7.2 废料处理在改善

“核乏料”的处理使人们伤透了脑筋，世界上公认的方法是深地质处置法[5]，但显然不尽人意。目前有两种核嬗变技术方案最为国际核能界所看好：

(1)利用ADS系统嬗变长寿命核废料[6]

ADS系统利用加速器产生的强流质子束轰击散裂靶引发散裂反应产生中子，尔后中子进入堆芯驱动核废料发生嬗变反应。该系统在嬗变核废料和提高铀利用率的同时还可以输出能量。

(2) 发展快堆

快堆以239Pu为燃料，堆芯的239Pu裂变燃烧产生的快中子与堆芯外围再生区中放置的238U结合可再次生成39Pu。快堆在输出能量的同时可实现裂变材料的增殖，使铀资源的利用率提高了近60倍。表1是有关国外计划建造的钠冷快堆电站情况[7]。

表1 国外计划建造的钠冷快堆电站情况

7.3 法规监管在加强

切尔诺贝利核事故发生后，IAEA多次召开国际核专家会议以商讨核安全事宜。《及早通报核事故公约》、《核辐射紧急情况援助公约》及《乏燃料管理安全和放射性废物管理安全联合公约》等一系列公约和国际性法律先后被签订。

在各核电使用国内，核安全意识和监管力度也在逐步加强。我国核能安全立法起步于上世纪80年代，迄今以《放射性污染防治法》为核心的立法已初具规模[8]。2016年《中国的核应急》白皮书的发布对我国的核应急工作体系有着更为重要意义。

8 我国“核”之梦

8.1 萌芽新生

我国核电建设起步于世界核电高速发展期。1984年第一座自主设计和建造的核电站--秦山核电站破土动工，至1991年12月并网供电。之后，我国又相继建成大亚湾核电站、岭澳核电站并完成秦山核电站二期和三期工程项目。

8.2 雨后春笋

21世纪以来，随着世界核电开始进入复苏期，我国核电也步入了规模化、批量化快速发展阶段。截止2016年3月，我国已正式投入商业运行的30台核电机组保持安全稳定运行，累计上网电量已达438.63亿千瓦；在建机组24台，超美国5倍名列世界之首。

8.3 天空才是极限

近日，国家发改委、国家能源局《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》。在核电领域，历经三十多年的基础研究和实验堆运行工作，我国已系统掌握了高温气冷堆的全部关键技术，而且有望2017年在江西开建高温气冷堆核电项目。

小型堆作为我国海上核电发展的重要方向，不仅可用于海上核动力平台，为深海石油开采和偏远岛屿提供能源供给；也可用于大功率船舶建造和海水淡化领域[9]。另外，我国未来将重点探索和研发聚变-裂变能源混合堆系统。

[1] Einstein A.[J].Ann Phys(leipz), 1905,18:639-641.

[2] Einstein A.[J].Jahrb Radioakt Elcktron1,907,4:411-462.

[3] 欧阳予.世界核电发展形势与核安全要求的提高[J].科学文化评论，2011,8(5):17-22.

[4] 景继强，栾洪卫.世界核电发展历程与中国核电发展之路[J].东北电力技术，2008(2):48-52.

[5] 罗嗣海，钱七虎，周文斌,等.高放废物深地质处置及其研究概况[J].岩石力学与工程学报，2004,23(5):831-838.

[6] 詹文龙，徐瑚珊.未来先进核裂变能——ADS嬗变系统[J].中国科学院院刊，2012,27(3):375-380.

[7] 严陈昌.钠冷快堆标准现状及其体系预研工作的初步设想[J].研究与探讨，2012(1):2-7.

[8] 胡帮达，汪 劲，吴岳雷.中国核安全法律制度的构建与完善：初步分析[J].中国科学，2014,44(3):323-330.

[9] 陈文军，姜胜耀.中国发展小型堆核能系统的可行性研究[J].核动力工程，2013,34(2):153-156.

(本文文献格式：白志强，张志永.追寻“能”之源——核能[J].山东化工，2016，45(16)：210-211，214.)

Search for the Footprint of Nuclear Power

BaiZhiqiang1,ZhangZhiyong2

(1.Henan Institute of Technology, Xinxiang 453000, China； 2.University of Science and Technology of China,Hefei 230000,China)

First of all,This paper briefly describes the human cognitive process of material and its microstructure.Second,with the help of the influence of the atomic bomb the article raises the concept of the peaceful use of "nuclear".And then,the development of nuclear power were elucidated and its prospects are analyzed.Finally, the article made a brief introduction to the development course of our country's nuclear power.

conservation of mass,Atomic physics,heavy nuclear fission,nuclear power generation

2016-07-04

白志强(1986—)，河南焦作人，助教，主要从事新能源技术研究。

D647；TL7

A

1008-021X(2016)16-0210-02