白志強，張志永

(1.河南工學(xué)院 電氣工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000； 2.中國科技大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230000)

追尋“能”之源
——核能

白志強1，張志永2

(1.河南工學(xué)院 電氣工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000； 2.中國科技大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230000)

首先，簡述了人類對物質(zhì)及其微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知歷程；其次，借助原子彈爆炸的影響引出了和平用“核”的概念；接著，闡明了核電的發(fā)展歷程并對其前景進(jìn)行了展望；最后，對我國核電的過去、現(xiàn)在和未來作了扼要介紹。

質(zhì)量守恒；原子物理；重核裂變；核能發(fā)電

進(jìn)入20世紀(jì)之后，原子物理領(lǐng)域取得了一系列的進(jìn)展。質(zhì)能方程和重核裂變相繼被提出，更為核能的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。正當(dāng)人們?yōu)榇烁械綒g欣鼓舞之時，長崎和廣島的兩聲巨響使世界陷入了前所未有的災(zāi)難和恐慌。核電站的出現(xiàn)給人類和平用"核"帶來了光明和信心，但前行的道路又異常的苦澀和艱辛。近年，隨著能源危機和環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重，核能再次迎來了屬于自己的春天。

1 質(zhì)量怎么少了？

1896年的一天，貝克勒爾由黑紙下的相機底片感光現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了天然放射性；1898年，居里夫婦在瀝青鈾礦渣中發(fā)現(xiàn)了Po和Ra；1902年，盧瑟福和索恩發(fā)現(xiàn)Th；1934年，費米做了中子轟擊鈾的實驗成功產(chǎn)生了放射現(xiàn)象；1938年，哈恩用慢中子轟擊鈾核發(fā)現(xiàn)了重核——235U裂變現(xiàn)象。

科學(xué)家們意識到235U裂變所釋放的能量遠(yuǎn)非硝化甘油(C3H5N3O9)等燃燒爆炸所能比擬，而且他們驚奇地發(fā)現(xiàn)核裂變發(fā)生后質(zhì)量居然減少了。這時，人們將懷疑的目光投向了質(zhì)量守恒定律。

2 奇怪的方程

20世紀(jì)以來，科學(xué)家在原子物理領(lǐng)域取得了一系列重大突破。隨著裂變研究的深入，正當(dāng)人們對質(zhì)量守恒定律的普適性倍感困惑時，《物理年鑒》收到了一名26歲小職員的投稿——《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》[1]。它給出了一個奇怪的方程[2]——E=mc2。由此，質(zhì)量和能量之間建立起了聯(lián)系，即質(zhì)量就是能量，能量就是質(zhì)量。

質(zhì)能方程無論對于核反應(yīng)還是其他化學(xué)反應(yīng)均普遍適用。只是常規(guī)的化學(xué)反應(yīng)能量變化較小，以致質(zhì)量的變化不易被人類察覺。譬如：1kg硝化甘油(C3H5N3O9)爆炸將釋放8×106J的能量。但依據(jù)質(zhì)能方程計算，爆炸所導(dǎo)致的質(zhì)量損失僅為渺小的8.9×10-11kg。

3 魔鬼的出現(xiàn)

當(dāng)科學(xué)家們正為原子物理領(lǐng)域的進(jìn)展興奮不已之時，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。6名原子物理學(xué)家來到柏林舉行了秘密會議，德國當(dāng)局遂制訂了研制核武器計劃——“U計劃”。1939年10月，羅斯福采納了費米等人的建議并下令成立“S-11”鈾顧問委員會。美國遂開始了對原子彈的研制，之后便啟動"曼哈頓工程"。在費米等科學(xué)家的努力下，在1945年7月16日5時30分左右世界上第一顆原子彈——"瘦子"于新墨西哥州沙漠地區(qū)試爆成功。同年8月6日上午9時左右，一朵蔚為壯觀的蘑菇云將廣島籠罩在熾熱的火海之中。緊接著，8月9日上午，"胖子"從長崎的天空慢慢落下，繼廣島之后，又一出悲劇在長崎上演。

科學(xué)家們沒有想到，他們費盡苦心追尋的核能，竟先如魔鬼一般來到世界。

4 黑暗中的光明

二戰(zhàn)雖已結(jié)束，但廣島和長崎的烏云仍籠罩著大地。"制止核武，和平用核"成為人們亟待解決的難題。

這時，東方的夜空傳來一束亮光。1954年6月，世界首座試驗核電站在莫斯科郊外建成。之后，英國于1956年建成考爾德豪爾核電站；美國在1957年建成希平港核電站；1962年法國石墨氣冷堆核電站，而我國也于20世紀(jì)70年代起步。核電的大門正慢慢開啟，黑暗中已然有了點點光明。

5 路上總有坎兒

自60年代中期至80年代初，核電得到大規(guī)模高速發(fā)展，雖事故頻發(fā)，但卻未減緩其步伐。直到1979年三里島核反應(yīng)堆堆芯融化以及1986年切爾諾貝利核電站第4號反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，全球建設(shè)核電的熱潮才得以降溫。而2011年的福島核事故無疑又一次在人類核之殤處撒了把鹽。核電產(chǎn)業(yè)面臨著全面退出的社會壓力，2011年瑞士和德國相繼宣布相關(guān)的停核決定。路上總有坎兒，核電的未來該何去何從？

6 還得走下去

“談核色變”并非第一次，但日益加劇的能源危機更使世界感到恐慌。20世紀(jì)七八十年代先后爆發(fā)了兩次石油危機，而1990年的海灣戰(zhàn)爭更是一場徹徹底底的能源之戰(zhàn)。除了能源危機，溫室效應(yīng)、全球氣候變暖及臭氧層遭到破壞等環(huán)境問題也嚴(yán)重地威脅著人類的生存。此時，技術(shù)日趨成熟的核電在經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)保方面再次展現(xiàn)出了強大的競爭力。全球的核電再一次從“寒冬”走入“春天”。正如毛澤東所說：任何新生事物的成長都是要經(jīng)過艱難曲折的。

7 發(fā)展在路上

7.1 堆型技術(shù)在沿革

安全是核電發(fā)展的前提。核電技術(shù)60余年，從“第一代”發(fā)展到"第四代"如圖1所示?？於炎鳛榈谒拇穗娤到y(tǒng)的主力堆型，美、法、日等國早在20世紀(jì)中葉就開始了鈉冷快堆的研究工作。目前在役的鈉冷快堆電站主要有法國的鳳凰快堆、印度的PFBR快堆、俄國的BN-600和BN-800快堆。堆型技術(shù)不斷發(fā)展的實質(zhì)為核電運行安全標(biāo)準(zhǔn)的“步步升級”[3]。

圖1 核電技術(shù)發(fā)展歷程及其代表堆型[4]

7.2 廢料處理在改善

“核乏料”的處理使人們傷透了腦筋，世界上公認(rèn)的方法是深地質(zhì)處置法[5]，但顯然不盡人意。目前有兩種核嬗變技術(shù)方案最為國際核能界所看好：

(1)利用ADS系統(tǒng)嬗變長壽命核廢料[6]

ADS系統(tǒng)利用加速器產(chǎn)生的強流質(zhì)子束轟擊散裂靶引發(fā)散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，爾后中子進(jìn)入堆芯驅(qū)動核廢料發(fā)生嬗變反應(yīng)。該系統(tǒng)在嬗變核廢料和提高鈾利用率的同時還可以輸出能量。

(2) 發(fā)展快堆

快堆以239Pu為燃料，堆芯的239Pu裂變?nèi)紵a(chǎn)生的快中子與堆芯外圍再生區(qū)中放置的238U結(jié)合可再次生成39Pu。快堆在輸出能量的同時可實現(xiàn)裂變材料的增殖，使鈾資源的利用率提高了近60倍。表1是有關(guān)國外計劃建造的鈉冷快堆電站情況[7]。

表1 國外計劃建造的鈉冷快堆電站情況

7.3 法規(guī)監(jiān)管在加強

切爾諾貝利核事故發(fā)生后，IAEA多次召開國際核專家會議以商討核安全事宜?！都霸缤▓蠛耸鹿使s》、《核輻射緊急情況援助公約》及《乏燃料管理安全和放射性廢物管理安全聯(lián)合公約》等一系列公約和國際性法律先后被簽訂。

在各核電使用國內(nèi)，核安全意識和監(jiān)管力度也在逐步加強。我國核能安全立法起步于上世紀(jì)80年代，迄今以《放射性污染防治法》為核心的立法已初具規(guī)模[8]。2016年《中國的核應(yīng)急》白皮書的發(fā)布對我國的核應(yīng)急工作體系有著更為重要意義。

8 我國“核”之夢

8.1 萌芽新生

我國核電建設(shè)起步于世界核電高速發(fā)展期。1984年第一座自主設(shè)計和建造的核電站--秦山核電站破土動工，至1991年12月并網(wǎng)供電。之后，我國又相繼建成大亞灣核電站、嶺澳核電站并完成秦山核電站二期和三期工程項目。

8.2 雨后春筍

21世紀(jì)以來，隨著世界核電開始進(jìn)入復(fù)蘇期，我國核電也步入了規(guī)?；?、批量化快速發(fā)展階段。截止2016年3月，我國已正式投入商業(yè)運行的30臺核電機組保持安全穩(wěn)定運行，累計上網(wǎng)電量已達(dá)438.63億千瓦；在建機組24臺，超美國5倍名列世界之首。

8.3 天空才是極限

近日，國家發(fā)改委、國家能源局《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030年)》，并同時發(fā)布了《能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖》。在核電領(lǐng)域，歷經(jīng)三十多年的基礎(chǔ)研究和實驗堆運行工作，我國已系統(tǒng)掌握了高溫氣冷堆的全部關(guān)鍵技術(shù)，而且有望2017年在江西開建高溫氣冷堆核電項目。

小型堆作為我國海上核電發(fā)展的重要方向，不僅可用于海上核動力平臺，為深海石油開采和偏遠(yuǎn)島嶼提供能源供給；也可用于大功率船舶建造和海水淡化領(lǐng)域[9]。另外，我國未來將重點探索和研發(fā)聚變-裂變能源混合堆系統(tǒng)。

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

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

[3] 歐陽予.世界核電發(fā)展形勢與核安全要求的提高[J].科學(xué)文化評論，2011,8(5):17-22.

[4] 景繼強，欒洪衛(wèi).世界核電發(fā)展歷程與中國核電發(fā)展之路[J].東北電力技術(shù)，2008(2):48-52.

[5] 羅嗣海，錢七虎，周文斌,等.高放廢物深地質(zhì)處置及其研究概況[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004,23(5):831-838.

[6] 詹文龍，徐瑚珊.未來先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)[J].中國科學(xué)院院刊，2012,27(3):375-380.

[7] 嚴(yán)陳昌.鈉冷快堆標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及其體系預(yù)研工作的初步設(shè)想[J].研究與探討，2012(1):2-7.

[8] 胡幫達(dá)，汪 勁，吳岳雷.中國核安全法律制度的構(gòu)建與完善：初步分析[J].中國科學(xué)，2014,44(3):323-330.

[9] 陳文軍，姜勝耀.中國發(fā)展小型堆核能系統(tǒng)的可行性研究[J].核動力工程，2013,34(2):153-156.

(本文文獻(xiàn)格式：白志強，張志永.追尋“能”之源——核能[J].山東化工，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

白志強(1986—)，河南焦作人，助教，主要從事新能源技術(shù)研究。

D647；TL7

A

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