1、核能发电与核动力航母武汉大学 电气工程学院 周志航 2015302540088核能发电的原理世界上一切物质都是由原子构成的，原子又是由原子核和它周围的电子构成的。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能产生大量的能量，分别称为核聚变能和核裂变能，简称核能。由于可控的核聚变反应技术仍在研究中，世界上所有的核电厂发电都是运用核裂变能。核电厂的燃料是铀。铀是一种重金属元素，天然铀由三种同位素组成：铀235 含量 0.71%铀238 含量 99.28%铀234 含量 0.0058%铀235 是自然界存在的易于发生裂变的唯一核素。当一个中子轰击铀235 原子核时，这个原子核能分裂成两个较轻的原子核，同时产生
2、2 到 3 个中子和射线，并放出能量。如果新产生的中子又打中另一个铀235 原子核，能引起新的裂变。在链式反应中，能量会源源不断地释放出来。核能发电的基本情况目前全球核能发电约占总发电量的 17%，其中以法国利用核能为积极，已占全国发电量的 70%，其交伙瑞典占 47%，日本占28%，美国占 20%。到 1996 年，全世界已有 438 座核电站，其中以美国最多为 109 座，其次为法国和日本。我国目前的电力结构为：火电占 75%，水电占 24%，核电仅占1%。核能发电主要是利用热中子堆，全世界正在运行的 400 多座核发电堆中，绝大多都是这种类型。但它只能利用铀资源的 12%，所以各国都在积
3、极开发利用快中子增殖反应堆，以便使铀资源得到充分利用。人们利用核能的最终目的是要实现受控聚变（氢弹是不可控的核聚变）发电，一旦实现，不仅可以获得几乎取之不尽的能源。而且它也绝对干净的，因为它没有裂变时所产生的辐射性产物，前几年曾经因发现室温核聚变而“热滑”过一阵子。现在看来是否真的有在室温下发生了核变还有待证实，所以人们仍把主要力量放在研究和开发热核聚变上。核聚变发电与核裂变发电相比，具有许多优点，一是聚变能比裂变能要大好多倍，30 毫克的氖通过聚变反应能释放出相当于 300公升汽油的能量；二是资源蕴藏丰富，重核裂变使用的主要是燃料铀，目前探明的储量仅够使用约 100 年，而轻核聚变使用的燃料
4、是海水中的氘，一公升海水可提取 30 毫克氖，相当于 300 升汽油；三是成本低，一公升浓缩铀的成本约为 1.2 万美元，而一公升氧仅需300 美元；四是安全可靠，核聚变不产生放射性污染物，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会发生爆炸事故。核电的发展纵观核电发展历史，核电站技术方案大致可以分四代：第一代核电站核电站的开发与建设开始于上世纪 50 年代。 1954 年，前苏联建成电功率为 5 兆瓦的实验性核电站： 1957 年，美国建成电功率为9 万千瓦的 shipping port 原型核电站，这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组
5、。第二代核电站上世界 60 年代后期，在实验性和原型核电机组基础上，陆续建成电功率在 30 万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组，它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。上世纪 70 年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电的大发展。目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的，习惯上称之为第二代核电机组。第三代核电站上世纪 90 年代，为了解决三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故的负面影响，世界核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台了“先进轻水堆用户要求”文件，即 URD 文件（utility r
6、equirements document）和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”，即（EUR）文（European utility requirements document） ，进一步明确了预防与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足 URD 文件或 EUR 文件的核电机组称为第三代核电机组。对第三代核电机组要求能在2010 年前进行商用建造。第四代核电站2000 年 1 月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”（GIF） ，于 2001 年 7月签署了合约
7、，约定共同合作研究开发第四代核能技术。根据设想，第四代核能方案的安全性和经济性将更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具备固有的防止核扩散的能力。 高温气冷堆，熔盐堆，钠冷快堆就是具有第四代特点的反应堆。 第一代核电站为原型堆，其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景；第二代核电站为技术成熟的商业堆，目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站；第三代核电站为符合 URD 或 EUR 要求的核电站，其安全性和经济性均较第二代有所提高，属于未来发展的主要方向之一；第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求，目前处在原型堆技术研发阶段。核动力航母自从美国建成核潜艇后，美海军认识到核动力优越性后，决定研制
8、核动力航母。福特级核动力航母1961 年 11 月，世界上第一艘核动力航母 “企业”号建成服役。美国的“ 企业”号航母上装备核动力装置，使航空母舰具有更大的机动性和惊人的续航力，更换一次核燃料可连续航行 10 年。而且，它可以高速地驶往世界上任何一个海域。 “企业”号核动力航母的问世，使航空母舰的发展进入新纪元。美国在“企业”号核动力航空母舰基础上又发展了“尼米兹”级核动力航空母舰，这是继“企业”号核航母之后，为美国第二代核动力航空母舰。它的首制舰是“尼米兹”号,于 1975 年 5 月建成、服役。它的标准排水量 72916 吨，舰长 332.9 米，宽 40.8 米，舰上装有 2 座核反应堆
9、和 4 台蒸汽轮机，航速 30 节以上，装填一次核燃料可持续使用 13 年，航程可达到 100 万海里。舰上可搭载 90 架各种类型战机，最大舰载机数量超过一百架。尼米兹级是美国海军大型核动力航空母舰，舷号自 CVN-68 至 CVN-77，共计建造十艘。从二十世纪六十年代开始设计建造，直到二十一世纪初，尼米兹级一直是美国海上力量和全球战略的支柱。福特级核动力航空母舰，它是在尼米兹级核动力航空母舰发展起来的。美国拥有世界上最多的和最大的航空母舰，并拥有“企业”级、 “尼米兹”级大型核航母，美国是当今世界上航母力量最强大的国家，美国的核航母技术仍处于世界领先地位。我国的核动力航母前景2012 年
10、 9 月 25 日，中国第一艘航空母舰辽宁号举行了隆重的入役仪式，成为中国海军战斗序列的一员。该舰的服役一度引起了全世界范围的目光，在国内多次引起航母热，但这艘航母仅仅是中国航母发展的起点。当然，我国现在掌握的技术与美国有一定的差距，短期内也不可能造出与之媲美的核动力航母，但我国有发展核动力航母的优势：中国可以说是地大物博，财力、人力等方面的资源都有一定的优势。而中国有自己的核动力研究设计院，掌握着核动力高端核心技术，也掌握着一些独特的、决定性的技术优势。这都为中国的核动航母发展打下了一定的基础。此外，中国各高校和研究院对核能的应用和开发都给予很高的重视，研究技术也比较成熟，这都为航母核动力装置的研究提供了很好的条件。加上国家重视对核能的研发，中国发展核动力航母的道路虽然艰辛，却也前景远大。我国发展核动力航母的不足之处在于掌握的核心技术太少，虽有一定的技术基础，在关键技术上存在很大的难题，这在很大程度上阻碍了国家的核动力航母发展道路。此外，其他国家对关键技术的封锁也使得我国只能单纯靠自主研发，突破关键技术发展核动力航母，自然地，国家发展航母的道路将更加艰难，建造的时间也会随之增长。
