核能：不可或缺的替代能源

核能是20世紀人類(lèi)的一項偉大發(fā)現，并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日，著(zhù)名科學(xué)家費米領(lǐng)導幾十位科學(xué)家，在美國芝加哥大學(xué)啟動(dòng)成功了世界上第一座核反應堆，標志著(zhù)人類(lèi)從此進(jìn)入了核能時(shí)代。在這以前人類(lèi)利用的能源，只涉及到物理變化和化學(xué)變化，當核能進(jìn)入人們的生產(chǎn)和生活后，一種通過(guò)原子核變化而產(chǎn)生的新能源從此誕生。
　　第一座反應堆首次啟動(dòng)時(shí)，功率僅為0.5瓦。60年后，核能已占全世界總能耗的6％。國際原子能機構公布，截至2002年底，全世界共有441臺核電機組在運行，2002年共生產(chǎn)電力2.574萬(wàn)億千瓦小時(shí)，約占當年世界總發(fā)電量的17％。其中，核發(fā)電量占本國總發(fā)電量比例最高的國家是立陶宛，達到80％，其次是法國，達到79％。

　　當前，世界上的主要能源是煤、石油、天然氣這些化石燃料，化石燃料不是可再生能源，用掉一點(diǎn)兒就少一點(diǎn)兒。燃燒化石燃料向大氣排放大量的“溫室氣體”二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物，并排放大量的煙塵，這些有害的物質(zhì)對環(huán)境造成了嚴重的破壞。核能不產(chǎn)生這些有害物質(zhì)。1987年，世界衛生組織總干事布倫特蘭領(lǐng)導的世界環(huán)境和發(fā)展委員會(huì )提出了“可持續發(fā)展”的概念，就是“既滿(mǎn)足當代人的需求，又不危及后代人滿(mǎn)足其需求的發(fā)展”。為了實(shí)現可持續發(fā)展，人類(lèi)迫切地需要新的替代能源。目前唯一達到工業(yè)應用、可以大規模替代化石燃料的能源，就是核能。

　　核能分為核裂變能和核聚變能兩種。核裂變能是通過(guò)一些重原子核發(fā)生“鏈式裂變反應”釋放出的能量，核聚變能是由兩個(gè)輕原子核結合在一起釋放出的能量。迄今達到工業(yè)應用規模的核能只有核裂變能。核聚變又叫“熱核反應”。氫的同位素氘（H，重氫）是主要的核聚變材料。氘以重水的形式存在于海水中。氘的含量占氫的0.015％。1升海水中的氘通過(guò)核聚變釋放出的能量相當于300升汽油燃燒釋放出的能量。全世界海水中所含的氘通過(guò)核聚變釋放的聚變能，可供人類(lèi)在很高的消費水平下使用50億年。2002年12月2日，我國新一代受控核聚變研究裝置———核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號A裝置建成并舉行開(kāi)機儀式，為我國進(jìn)一步參與核聚變研究的國際合作創(chuàng )造了條件。

　　核能問(wèn)世的準備時(shí)期，可以追溯到19世紀末至20世紀初。19世紀末，英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現了電子。1895年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現了X射線(xiàn)。1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現了放射性。1898年，居里夫人發(fā)現新的放射性元素釙。1902年，她經(jīng)過(guò)4年的艱苦努力又發(fā)現了放射性元素鐳。1905年，愛(ài)因斯坦提出質(zhì)能轉換公式E＝mC2（C為光速，E為能量，m為轉換成能量的質(zhì)量）。1914年，英國物理學(xué)家盧瑟福通過(guò)實(shí)驗，確定氫原子核是一個(gè)正電荷單元，稱(chēng)為質(zhì)子。1932年，英國物理學(xué)家查得威克發(fā)現了中子。1938年，德國科學(xué)家?jiàn)W托?哈恩和他的助手斯特拉斯曼用中子轟擊鈾原子核，發(fā)現了核裂變現象。

　　有些元素可以自發(fā)地放出射線(xiàn)，這些元素叫做放射性元素。放射性元素可以放出三種看不見(jiàn)的射線(xiàn)。一種是α射線(xiàn)，就是氦原子核。一種是β射線(xiàn)，就是高速電子。一種是γ射線(xiàn)，就是高能光線(xiàn)。其中γ射線(xiàn)的穿透能力最強。

　　當中子撞擊鈾原子核時(shí)，一個(gè)鈾核吸收了一個(gè)中子而分裂成兩個(gè)較輕的原子核，同時(shí)發(fā)生質(zhì)能轉換，放出很大的能量，并產(chǎn)生2個(gè)或3個(gè)中子，這就是舉世聞名的核裂變反應。

　　在一定的條件下，新產(chǎn)生的中子會(huì )繼續引起更多的鈾原子核裂變，這樣一代代傳下去，像鏈條一樣環(huán)環(huán)相扣，所以科學(xué)家將其命名為鏈式裂變反應。1946年，在法國居里實(shí)驗室工作的我國科學(xué)家錢(qián)三強、何澤慧夫婦發(fā)現了鈾原子核的“三裂變”、“四裂變”現象。

　　鏈式裂變反應釋放出巨大的核能，1千克鈾－235裂變釋放出的能量，相當于2500噸標準煤燃燒產(chǎn)生的能量。只有鈾－233、鈾－235和钚－239這三種核素可以由能量為0.025電子伏的熱中子引起核裂變。它們都是核燃料，其中只有鈾－235是天然存在的，而鈾－233、钚－239是在反應堆中人工生產(chǎn)出來(lái)的。鈾－235在天然鈾中的含量?jì)H為0.7％。

　　反應堆是通過(guò)受控的鏈式裂變反應將核能緩慢地釋放出來(lái)的裝置，是和平利用核能的最主要的設施。反應堆的種類(lèi)繁多，一般是根據用途分為動(dòng)力堆、生產(chǎn)堆和研究堆。動(dòng)力堆是利用核裂變釋放的能量來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，進(jìn)行發(fā)電、供熱、推動(dòng)船艦等。生產(chǎn)堆是利用中子生產(chǎn)新的核燃料。研究堆是利用中子進(jìn)行基礎科學(xué)和應用科學(xué)的研究。 　　為了實(shí)現核能的進(jìn)一步發(fā)展，當前世界許多國家的核科學(xué)家正在研究與發(fā)展先進(jìn)的核反應堆，進(jìn)一步提高反應堆的安全性和經(jīng)濟性。我國“863”計劃正在研發(fā)兩種先進(jìn)反應堆。一種是由清華大學(xué)核能技術(shù)設計研究院承擔的10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗堆。高溫氣冷堆具有安全性好（不會(huì )對廠(chǎng)外公眾造成危害）、發(fā)電效率高（蒸汽發(fā)電效率38％~40％，氦氣透平發(fā)電45％~47％）、用途廣（可進(jìn)行煤的汽化和液化、制氫等）的優(yōu)點(diǎn)。該反應堆已于2003年1月29日達到滿(mǎn)功率并網(wǎng)發(fā)電。另一種是由中國原子能科學(xué)研究院承擔的中國實(shí)驗快堆?？熘凶臃磻训闹饕獌?yōu)點(diǎn)是可大大提高鈾資源的利用率，從目前輕水堆的1％左右提高到60％至70％。該反應堆正在建造，其主廠(chǎng)房已于2002年8月15日封頂。