1、核能利用论文核能利用的论文核能利用核能的释放通常有两种形式,一种是重核的裂变,即一个重原子核(如铀、钚)分裂成两个或多个中等原子量的原子核,引起链式反应,从而释放出巨大的能量;另一种是轻核的聚变,即两个轻原子核(如氢的同位素氘)聚合成为一个较重的核,从而释放出巨大的能量。 重核裂变能 1938 年,德国科学家奥托哈恩和斯特拉斯曼用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象。铀-235 是自然界存在的易于发生裂变的惟一核素。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 到 3 个中子和 、 等射线,并放出能量。如果新产生的中子又打中另一个铀235 原子核,引起新的
2、裂变。以此类推,这样就使裂变反应不断地持续下去,这就是链式裂变反应。在链式反应中,核能就连续不断地释放出来。 1942 年 12 月 2 日,在美国芝加哥大学体育场西看台底下的一个网球厅内,一批科学家在恩里科费米的领导下,聚精会神地操纵着一座由 40 吨天然铀短棒和 385 吨石墨砖构成的庞然大物。下午 3 点 25 分,启动运行成功。这个庞然大物,就是世界上第一座人工核反应堆。虽然从反应堆发出的功率只有05 瓦,还不足点亮一盏灯,但其意义非同小可,它首次实现了自持链式反应,从而开始了受控的核能释放,标志着人类从此进入了核能时代。 1954 年,前苏联在莫斯科附近的奥布宁斯克建成了世界上第一座
3、核电站,输出功率为 5000 千瓦。到 60 年代中期,核电站走向实用化和商品化。工业发达国家核电发电成本已与燃煤火力发电站持平甚至略低。目前建成的核电站其原理均是利用铀的裂变能。铀-235 原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的 270 万倍。这就意味着,一座 100 万千瓦的火电厂每年要烧掉约 330 万吨煤,而同样容量的核电站一年只需耗用大约 12 吨核燃料。1991 年,中国自行设计、建造的第一座核电站泰山核电站启用,继之大亚湾核电站投产。中国正规划兴建 4 座新的核电站,到 2010 年核电总量有望达到 2000 万千瓦。 至本世纪初,核能已占全世界总能耗的 6。 轻核聚
4、变能 在 1938 年发现铀核裂变的前 5 年,人们就已经发现了核聚变。都带正电的原子核间既彼此吸引又互相排斥,核力是一种短程力,两个带正电的原子核互相接近时,它们之间的静电斥力也越来越大。当两个原子核之间相距只有约3x10-12(万亿分之三)毫米时,它们之间的吸引力才会大干静电斥力,两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量,这就是核聚变。 与重核裂变相比,轻核聚变发电有着无可比拟的优点: (1)能量巨大。核聚变比核裂变释放出更多的能量。例如,铀-235 的裂变反应,将 01的物质变成了能量;而氘的聚变反应,将近 04的物质变成了能量。 (2)资源丰富。重核裂变使用的主要原料是铀,目前
5、探明的储量仅够使用几十年;而轻核聚变使用的是海水中的氘,1 升海水能提取 30 毫克氘,在聚变反应中能产生约等于 300 升汽油的能量,即“1 升海水约等于 300 升汽油”,地球上海水中就有 45 万亿吨氘,足够人类使用数百亿年。而且地球上锂储量有 2000 多亿吨,锂可用来制造氚,足够人类在聚变能时代使用。因此受控核聚变的燃料取之不尽、用之不竭。 (3)成本低廉。1 千克氘的价格只为 1 千克浓缩铀的 140。 (4)安全、无污染核。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。 但是,实现核聚变的条件十分苛刻,为了使 2 个原子核聚变,必须使两个原子核的
6、一方或双方有足够的能量,去克服彼此之间的静电斥力,满足这样的条件需要几千万甚至几亿摄氏度的高温。 20 世纪下半叶,聚变能的研究取得了重大的进展,而托卡马克类型的磁约束研究更是一路领先,并成为世界上第一座热核反应堆的设计基础。 托卡马克在俄语中是“环形”“真空”“磁”“线圈”几个词的组合,即“环流磁真空室”的缩写。前苏联著名物理学家塔姆在 20 世纪 50 年代初,提出了用环形强磁场约束高温等离子体的设想。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
7、。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。 在托卡马克装置中,聚变反应是在圆环形的聚变反应室内进行的。这个室像一个汽车轮胎的内胎。圆环上绕的线圈产生的强磁场,使等离子体保持在圆环的中心,不会和圆环的内壁接触。首先用感应产生的大电流,对等离子体进行加热。这种加热是利用等离子体有电阻的特性进行的,但随着温度的升高,等离子体电阻又急剧下降。所以在一般情况下,欧姆加热很难使等离子体内的离子温度超过 1x107。因此需要在欧姆加热的基础上,对等离子体进行二次加热。
8、这可以采用中性束的办法,即注入高能量的不带电的原子束。1978 年美国科学家用这个办法将等离子体加热到 7x107。 自 20 世纪 70 年代起,世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。目前,全世界有 30 多个国家及地区开展了核聚变研究,运行的托卡马克装置有几十个。最近,由中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国共同参与的国际热核反应堆合作计划(ITER)因其最终选址问题再次引起了人们的兴趣。这个被称为“人造太阳”的热核反应堆,不仅因为 13 万亿日元的巨大投资引人关注,更因为如能在未来 50 年内开发成功,将在很大程度上改变目前世界能源格局,使人类拥有取之不尽、用之不竭的理想的洁净能源。 国际热核实验反应堆是继国际空间站之后最大的国际科学合作项目,我国也已正式加盟。根据计划,世界首座热核反应堆将于 2006 年开工,2013 年前完工。 这预示着在能源革命中占有重要地位的核聚变能开发和利用的曙光已出现,核能文明时代即将到来。