核能及其应用（推荐10篇）
大型核能海水淡化实验平台及其数据测控系统
介绍了大型双塔4效核能海水淡化实验平台的组成和实验流程.为了更好地测量温度、压力、流量等各种热工参数,实验平台采用了不同的.测量方案和仪器,并且基于LabVIEW平台和Visual Basic程序,建立了2套数据测控系统,有效地保证了实验数据的采集、存储和分析.
作 者：姬文状 贾海军 宋二猛 JI Wen-zhuang JIA Hai-jun SONG Er-meng 作者单位：清华大学,核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京,100084刊 名：实验技术与管理 ISTIC PKU英文刊名：EXPERIMENTAL TECHNOLOGY AND MANAGEMENT年，卷(期)：23(11)分类号：P747关键词：海水淡化 数据测控 LabVIEW Visual Basic
核电机组容量不断攀升, 单机容量为百万千瓦级的大型核电机组建设成为主流。在建的台山项目属世界首台EPR核电机型, 其单机容量达1 750MW, 发电机出线额定电流达40000多安, 如何有效解决导体在大电流下的发热问题成为设计难点。目前, 国内百万千万级以上核电机组普遍采用辅助风冷设备对发电机出线导体进行冷却, 可有效控制导体温升, 确保机组长期稳定运行。但在役核电机组普遍采用国外或合资技术产品, 设备采购成本昂贵。随着核电设备自主化、国产化要求的不断提升, 发电机出线风冷装置及其控制技术自主化、国产化成为今后主流方向。
1 1 000MW核能发电机出线仓及其风冷装置概述
1 000MW核能发电机出线仓风冷装置是为冷却发电机出线及中性点发热导体设计的辅助设备, 装置采取冗余设计, 常规运行时一用一备, 当运行设备发生故障时, 2台设备可自动切换, 以保证机组的持续运行。风冷装置控制系统由继电器控制系统逐步发展成基于PLC的集成控制系统, 可实现风机启停逻辑、故障切换逻辑、定时切换逻辑及故障报警逻辑等, 同时故障报警信号可及时发送主控室, 以便操作员能实时掌握系统运行状况并及时响应干预。发电机出线仓风冷装置控制原理如图1所示。
发电机出线仓和中性点仓是连接发电机出线与IPB (离相封闭母线) 的仓体, 出线仓被隔分成三相单元, 发电机出线套管与哈佛金具通过箱体上方开口分列在出线仓和中性点仓内, 发电机出线与离相封闭母线通过柔性导体连接, 向主厂变传输电力, 中性点通过大电缆经阻抗接地。风冷装置运行后同时对出线仓和中性点仓内导体和箱体进行冷却。与自然冷却的发电机出线导体相比, 带有风冷辅助冷却的箱体设计尺寸可以更小。百万千万级核能发电机的主要参数以及风冷设备投运下其出线导体及出线仓外壳的温度与温升限制要求见表1。
2 发电机出线仓风冷装置问题
2.1 问题描述
某核电厂发电机出线仓风冷装置国产化后首次投用, 其单通道进风模式设计及风量分布如图2所示, 风冷装置设计成A、B单元相互备用。通常, 单元A正常运行, 在发生故障时, 触发跳机逻辑切换至单元B运行。风冷装置A、B单元均采用单通道独立非对称进风模式, 以A单元为例, 风冷设备投运后, 进风经单元A独立风道送入三相仓室对发电机套管、柔性连接导体进行冷却。当前设计存在以下问题。
(1) 任一单元运行时, 无法均衡发电机出线仓三相仓室间的风量, 这是因为风道采用单一通道进风方式。启动单元A风机时, 因风道离出线仓A相最近, 故A相风量最大, 而较远处的C相风量很小;启动单元B风机时, 因风道离出线仓C相最近, 故出线仓C相风量最大, 而A相风量很小。现场风量测量数据也证明了这一点。
(2) 发电机出线仓和中性点仓共有5处风量调节孔。风量调节孔采用对称结构设计, 虽然通过调节风量档板可让各进风口风量达到平衡, 但是当启动另一单元时, 进风风道改变, 各单元风量也会出现新的不平衡, 因此对称的结构设计使风量均衡性无法调节。
(3) 现场风流量测量数据表明, 当启动风冷装置A单元时, 出线仓C相风量与A相相差仅1倍, 未达到设计标准 (大于4 000m3/h) 要求, 而启动B单元时效果相反。
2.2 风冷装置风道设计改进方案
结合设计技术参数及风冷装置A、B单元单独启动时风量分布改变情况, 将风道改成混合式双通道进风模式, 以解决风量不平衡问题。任一单元风机启动后, 上方两风道同时进风, 风量经混合室均衡分配, 可有效消除单一通道进风导致的风量不平衡问题。调节各进风孔让各进风口风量达到平衡, 记录风量调节孔开口尺寸并进行固定, 风冷装置在自动切换或手动切换之后都可保证风量的最终平衡, 无需反复调节。改造后的双通道进风模式及风量分配示意图如图3所示。
2.3 方案实施效果验证
改造后, 对各进风口风量进行测量。测量结果显示风量分配均衡, 各进风口风量数据符合设计技术指标要求。在发电机100%功率平台对出线导体进行温升考核试验, 发电机短路试验期间短路排温度最高为85℃ (电流为30 739A) , 低于规定的115℃;满功率运行条件下, 导体运行最高温度为54.7℃, 远低于报警限值 (105℃) , 导体最大温升为33.7℃, 远低于规定温升限值 (60℃) 。风量测量数据见表2。
m3/h
3 发电机出线仓箱体局部过热问题
3.1 问题描述
某核电厂发电机满功率运行时, 发电机出线仓箱体B相底部整体温度偏高, 最高达到100℃, 高于运行标准要求的外壳温度 (不高于70℃) 。将盖板螺栓全部更换为铜螺栓和无磁垫片后, 螺栓温度有所降低, 但出线仓箱体B、C相底部温度仍超过80℃。
3.2 局部过热原因分析及解决方案
发电机出线仓除了可以避免人员与带电体直接接触外, 还有电磁屏蔽作用, 使箱体外的磁场基本消失, 减少附件钢结构发热。因三相外壳在导体大电流运行情况下电磁感应产生环流, 故会出现与导体电流大小基本相等、方向相反的感应电流。箱体外壳除有本身损耗PK外, 还接受导体的辐射能量QMF和太阳的辐射能量QR。这些热量一部分以强制对流换热方式传给导体和外壳夹层中的空气流, 热量为QKA;另一部分以自然对流换热方式传给周围空气, 热量为QKS;还有部分以辐射方式传给周围环境, 热量为QKF。在热稳态条件下, 外壳的热平衡方程[3]表示为:
其中QR与QMF受外界环境影响不可改变, 因此解决发电机出线仓箱体局部过热问题需从箱体外壳的涡流损耗入手。由于出线仓风冷装置属上开口冷却方式, 因此出线仓箱体B相底部冷却效果最差, 导致出线仓箱体B相底部局部过热。鉴于涡流损耗与发电机出线箱体的结构及导流截面相关, 因此可通过疏导发电机出线箱底的环流来降低涡轮损耗, 即增大出线仓出线侧外壳导流截面。发电机出线仓改造前后结构对比如图4所示。
原发电机出线仓三相盖板与箱体绝缘, 现将盖板与箱体满焊, 形成整体, 打乱箱体内部涡流分布。同时, 在发电机出线箱底部内侧焊接10mm厚的铝板, 以增大发电机出线箱底部的导流截面, 降低体积电阻, 减少发热, 并在盖板中心切割出适合日常检修的窗口。
3.3 方案实施的效果验证
方案实施后, 发电机出线仓局部过热现象消失, 机组重新达到额定功率后, B相底部温度由原来的100℃降至60℃以下, 箱体整体温度分布均衡, 充分说明了解决方案的正确可靠性。
4 结束语
本文从1 000MW级核能发电机出线仓及其风冷装置国产化后在核电现场应用的实际情况出发, 对风冷装置风道设计的不合理及出线仓箱体在机组额定运行工况下的局部过热问题进行了分析和探究, 并制定了适应性的解决方案, 以满足机组长期稳定运行的要求, 可为后续核电发电机出线仓及其风冷设备的应用、调试等提供参考。当然, 对于局部过热问题, 本文仅从箱体涡流损耗的宏观影响制定了针对性的处理方案, 然而随着机组容量的不断攀升, 大电流强磁场下的局部过热问题日益显现, 磁-流-热场耦合作用下的外壳温度分布的准确计算相对繁冗, 有进一步研究。
参考文献
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放眼核能
1942年12月2日,是人类科技发展史上的一个重要日子!当地时间下午3时25分,在美国芝加哥大学斯塔格运动场的`西看台下面,世界上第一座核反应堆的核反应“正在持续进行,指数以曲线式上升”,杰出的物理学家恩里科・费米宣布试验取得成功,在场的43位科学家脸上展露出了笑容……
作 者：吴沅 作者单位：刊 名：科学24小时英文刊名：SCIENCE IN 24 HOURS年，卷(期)：“”(12)分类号：关键词：
由日本大地震引发的“核电站危机”，持续牵动着全世界的神经。此刻，除了关注核辐射物质的不断扩散，如何看待核能的利用，也成为广泛议论的话题，对核电站安全的担忧也在弥漫。
核能是20世纪人类的一项伟大发现，并已取得了十分重要的成果。1938年，哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变现象；1942年12月2日，著名科学家费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆，标志着人类从此进入了核能时代。1951年美国首次在爱达荷国家反应堆试验中心进行了核反应堆发电的尝试，发出了100千瓦的核能电力，为人类和平利用核能迈出了第一步。
当今，全世界几乎16%的电能是由441座核反应堆生产的，而其中有9个国家的40%多的能源生产来自核能。一些经济发达的国家，由于经济的高速发展与能源洪应的矛盾日趋突出，同时，传统的能源工业造成的环境污染及温室效应严重威胁人类生存环境，因此，不仅缺乏常规能源的国家如法国、日本、意大利等发展核电站，而且常规能源煤、石油、水电等非常丰富的国家如美国、加拿大等也在大力发展核电站。
自1954年前苏联建成世界上第一座核电站以来，短短几十年间，就发生了1979年美国三里岛核电站事故、1986年苏联切尔诺贝利事故和此次的日本福岛事故。每一次核事故，都给当地造成了难以抚平的伤痛，在人类内心深处留下深深的恐惧。但与此同时，全球核电站的数量却在逐年增加，核电已超过全球发电总量的17%。迅猛发展的背后，是核电巨大的优势。从技术和经济的角度看，容量大、运行小时数高、发电波动性小，经济成本低；从环保的角度看，基本实现了温室气体的零排放。正因如此，在能源紧缺、全球变暖的背景下，发展核电成为一个重要选择，一些原本放弃核电的国家也在重启核计划。
创设情景
引入新课1.你知道广岛吗?1945年8月6日，美国为了尽快结束第二次世界大战，促使日本投降，向日本广岛投下第一颗原子弹。瞬间，该城大部分被摧毁，成千上万的人被还原成基本粒子，比灰飞烟灭还彻底。出示原子弹爆炸后浓烟笼罩广岛上空的图片。你知道为什么原子弹的威力这么大吗?你想知道它的原理吗?学习了本节知识后你就会明白了!
原子弹为什么会具有这么大的威力呢?因为它们都利用了核能。我们知道化学能是在原子发生变化时放出的能量，而核能是在原子核发生变化时放出的能量。利用图片等历史资料引入新课，引起学生的兴趣。
内容一，核能的认识和探究过程：
1.原子、原子核：一切物质是由分子组成的，分子又由原子组成，而原子由质子、中子、电子三种粒子组成。质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电。质子和中子的质量比电子大得多，处于原子中心，构成非常小的原子核。在化学反应中，原子由于发生电子的得失，使组成物质的分子发生改变，组成物质的原子核没有变化，因此组成物质的元素也没有改变。质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固，在发现放射性现象之前，人们通常认为原子核是不会发生变化的。
2，原子核的放射性： 18，法国物理学家贝克勒尔在研究铀盐的实验中，首先发现了铀原子核的天然放射性。这一发现意义深远，由此打开了原子核物理学的大门。18，居里夫妇发现新的放射性元素84号，比铀强四百倍，居里夫人建议以她的祖国波兰的名字构造新元素的名称钋。19卢瑟福提出射线是原子发生改变的伴生物。
3.裂变和聚变： 19，爱因斯坦提出著名的质能方程式E=mc2，E表示能量，m代表质量，而c则表示光速。19—19，卢瑟福和查德威克发现了多种元素的核反应现象，例如：氮原子在α粒子的轰击下转变成氧原子和氢原子，这就是聚变反应。1939年，费米首次用中子轰击较大的原子核，使它变成两个中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量，称为原子核的裂变。
无论是聚变反应，还是裂变反应，都会引起原子核的质量亏损，减少的质量就遵照爱因斯坦的质能方程转变成了能量。(当时谁都不知道有核反应现象，这个方程式却被他写出来了，真是不可思议)梳理核能的认识与研究过程，了解科学家们的贡献，感受科学家的人格魅力
感受物理学史上的神奇，增强学生对爱因斯坦的崇敬
二，原子核的裂变反应
1.链式反应： U235的裂变反应方程式：
这样，一个中子轰击铀核裂变的时候要放出三个中子，这些中子又可引起其它的铀235核裂变，就可使裂变反应不断进行下去，这种反应叫做链式反应
1946-1948年我国物理学家钱三强何泽慧夫妇从实验中观察到铀核的3分裂和4分裂现象。
1936年毕业于清华大学。1937年赴法国留学，师从居里夫妇(居里夫人的女儿女婿)。1940年获法国国家博士学位，1946年获法国科学院亨利-德巴微物理学奖金。曾任法国国家科学研究中心研究员、研究导师。1948年回国后历任清华大学物理系教授，中国科学院近代物理研究所副所长、所长，中国科学院学术秘书处秘书长，核工业部副部长，中国科学院副院长兼浙江大学校长，中国原子能事业的主要奠基人，被誉为“中国原子能科学之父”、“中国两弹之父”。与钱学森、钱伟长被周合称为“三钱”。
2，核电站的原理：加以控制的链式反应，能够使核能和平利用。例如：课本图19.2-5为核电站的核反应堆中发生的链式反应，就是可加控制的链式反应。
1千克的铀全部裂变释放出吨的煤完全燃烧释放的能量。
核电站的能量转化：核能 内能 机械能 电能
核电站的核心设备是核反应堆，在里面发生可控核裂变反应，产生的热让水吸收，形成高温高压水蒸气--;我国已经建成生产的核电站有两座：秦山核电站与大亚湾核电站。(图片展示)目前我国核电装机容量还很小，还没有百分比。近期，我国开工建设的核电站至少有3座。
[试讨论]：核电站的优点和缺点。学生看不懂方程式，但只要稍作解释就可以了，并说明初中阶段不作要求，高中才要求记忆和理解。
介绍我国科学家的贡献，增强自豪感。
这个方面的内容是必须掌握的。了解国情现状。
可以视时间的安排情况，可长可短。
内容3，原子弹的研制过程和威力
当制造原子弹的理论成熟后，为防止德国法西斯率先掌握原子弹带来严重后果，1939年8月由物理学家A.爱因斯坦写信给美国第32届总统F.D.罗斯福，建议研制原子弹，才引起美国政府的注意。但开始只拨给经费6000美元，直到1941年12月日本袭击珍珠港后,才扩大规模，到1942年8月发展成代号为“曼哈顿工程区”的庞大计划，直接动用的人力约60万人，投资20多亿美元。到第二次世界大战即将结束时制成 3颗原子弹，使美国成为第一个拥有原子弹的国家。
1945你年，日本侵略军受到中国人民长期抗战的有力打击长崎力大大削弱。美、英在太平洋地区的进攻，又几乎全部摧毁日本海军，海上封锁使日本国内的物资供应极为匮泛。在日本失败已成定局的情况下,美国仍于8月6日、9日先后在日本的广岛和长崎投下了仅有的两颗原子弹。
当人类终于掌握了具有毁灭全人类的能力的时候，爱因斯坦显得十分忧虑和沮丧。著名人像摄影家哈尔斯曼在给爱因斯坦拍摄肖像时的叙述：突然，爱因斯坦抬起头来。他讲到，他为自己创立的公式感到绝望;他给罗斯福总统的信，导致了原子弹的试验成功;他的科学研究成果，造成了那么多人的死亡。爱因斯坦问：“你知不知道，美国声称他们现在要在苏联投原子弹，要赶在苏联制造出更先进的原子弹之前先下手?” 爱因斯坦沉默了，他的眼睛充满了悲哀，还有疑问和责备。这一刻的景象几乎使我惊呆了，我极力控制着自己，按下了快门。爱因斯坦抬起头来，我问他：“所以，你从不相信会有和平?”“从不!”他回答说，“只要有人类存在，就会有战争。”
当前，世界核大国拥有的核武器的威力足以毁灭地球一万次，
启发学生思考，美国是否真的有必要投放这两颗原子弹吗?
内容4. 我国原子弹的研制过程：
你知道我们国家第一颗原子弹是在什么时间、什么地点爆炸成功的吗?
[来源:Zxxk.Co新中国成立后，为了打破核垄断，抵制核讹诈，我国科技工作者自力更生、发奋图强，从1961年起在极其艰苦的条件下进行核武器的研制，在党中央的亲切关怀下，全国一盘棋，用了短短4年时间就完成了研制工作，并于1964年10月16日在新疆罗布泊沙漠腹地成功地爆炸了第一颗原子弹。
]播放录像：我国第一颗原子弹爆炸的实况。这是我国第一颗原子弹试爆的实况，其威力超过了第二次世界大战期间美国在日本广岛上空爆炸的原子弹。
紧接着于1967年6月17日又成功地爆炸了第一颗氢弹，完成了其他国家要十几年或几十年才能做完的工作。这是我国试爆第一颗氢弹的情况，与原子弹相比，氢弹所用的燃料更少，而威力则比原子弹大很多。
那么氢弹又是怎么回事呢?增强学生的爱国主义精神，加强学生的国防意识，促进学生树立学习科学以报效祖国的愿望。
用我国科学家们的优秀品质感染学生。
承上启下，过渡到下一个方面的内容。
适当介绍氢弹的构造
开个玩笑：现在大家都知道了原子弹和氢弹的结构了，不准私自在家里偷偷制造，已经发现，坚决没收。
三.核聚变反应--热核反应
除了裂变外，如果将质量很小的原子核，例如氘核(由一个质子和一个中子构成)与氚核(由一个质子和两个中子构成)，在超高温下结合成氦核，会释放出更大的核能，这就是聚变，有时也把聚变称为热核反应。
典型的核聚变反应：一个氘核和一个氚核结合成一个氦核
发生的条件：超高温，因此也叫热核反应
在太阳内部，氢核在极高温度下聚变成氦核，在这过程中释放出28MeV的能量。太阳正是靠这种反应以惊人的巨大功率，向宇宙空间辐射能量的。
大量氢核的聚变，可以在瞬间释放出惊人的能量。氢弹就是利用此原理制成的。
我国制造的第一个氢弹模型
氢弹的威力更加强大，可以在一瞬间毁灭几十个城市，其威力不可估量。1961年10月30日早上，重26吨的“大伊万”氢弹被装进了1架图-95战略轰炸机。飞机从距离试验场1000公里以外的摩尔曼斯克奥列尼机场起飞。上午11时32分，“大伊万”在试验场上空爆炸。图-95以最快的速度离开了投弹地点，并在爆炸前飞出了250公里，可是爆炸产生的剧烈的冲击波来势更快，巨大的轰炸机被一会儿抛上一会儿抛下，像在惊涛骇浪中一般。其身后形成了一个新地岛居民乃至世界上所有生命谁也未曾见过的恐怖万分的蘑菇火云，迅速膨胀并盘旋上升。热核反应所产生的电磁扰动3次传遍全球，通红的蘑菇云高达70公里。 世界上至今为止最剧烈的一次核爆炸产生!
四，核能的危机和曙光：
我们也可以从氢弹的试制成功看到，科学技术进步能够快速推动人类文明，也能够毁灭人类的一切文明!它始终是悬在我们头上的“双刃式”“达摩斯剑”。我们关注科学技术进步的同时，也应当同样关切人类自身的命运。如果物质的文明受制于没有科学、没有道义、没有理性的政治团体和组织，人类社会将是灾难深重的，绝非仅仅如人民处于水深火热之中一般境地可言。这同样是我们热爱科学的人们需要严肃讨论而不可回避的一个现实性历史性话题!我们确实面临一种人类能不能再进行下去的危机，这也自然包括每一个中国人未来的切身命运!
世界各国的物理学家正在合作研究实现受控核聚变反应，前景极其诱人。不仅因为核聚变能放出巨大的能量，而且由于核聚变所需的原料——氘可以从海水中提取。经过计算，1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。
据说，中国与法国合作研究受控核聚变反应已经取得突破性进展。科学的探索期待着你的参与，相信在不久的将来会取得根本上的成功。详实的资料。
认识到科学要被正义的人们掌握。
美好的前景依赖于我们对科学掌握的程度。
核反应：裂变反应，聚变反应
核电站的能量转化：简单梳理
美国核能发电不但能消除核战的威胁, 还能应对另一大世界问题:气候变化。核能发电产生的二氧化碳更少。根据美国哥伦比亚大学气象学家詹姆斯·汉森 (James Hansen) 的分析, 核能发电虽然在美国发电总量中只占20%, 但是却减少了640亿公吨的温室气体排放。核能发电也不会像燃烧煤炭的火电厂一样烟雾滚滚, 造成其他空气污染, 可能也因此拯救了180万条生命。
因此, 汉森和前能源局局长朱棣文 (Steven Chu) 认为, 核能发电技术, 是我们抵御灾难性气候变化的关键。汉森在12月3日告诉记者:“我们不能把所有化石燃料都烧了。”但是我们也要知道, 只要化石燃料还是最廉价的能源, 人类就仍会拿它来燃烧发电。“煤炭燃烧产生的温室气体, 在全球排放量中几乎占了一半。如果我们能把这些火电站换成现代安全的核反应堆, 我们很快就能减少污染。”
他还握有证据:历史上温室气体排放量出现的最大下滑, 发生于20世纪七八十年代的法国。当时法国正逐步由燃烧化石燃料发电过渡到核反应堆发电, 每年都能减少大约2%的温室气体排放。汉森及同事在国际期刊PLo S One撰文预测, 全球变暖污染物的排放量每年至少应减少6%, 我们才能阻止“危险的”气候变化。汉森的同事 (也是论文合作者) , 哥伦比亚大学地球研究所所长杰弗里·萨克斯 (Jeffrey Sachs) 补充道:“从全球范围来看, 除了使用核能之外, 我们不知道还有什么方法能达成这一目标。”
现在我们面临的唯一问题是:我们的核反应堆还不够多。
核能引领未来
中国在建设新型核反应堆上已占据世界领先地位。根据世界核能协会 (World Nuclear Association) 的统计, 目前在中国全境有29座核反应堆正在建设之中, 还有59座已经提交方案。中国建设的核反应堆, 还不仅仅局限在一般的那种使用水和铀燃料棒的反应堆, 还包括最初由加拿大设计的重水反应堆以及尚处于测试阶段的小型快速反应堆。
但我们也要知道, 就算中国准备建设的所有核电站都能顺利完工, 中国仍有50%的电能要通过烧煤获得。而且在核电站建成之后, 中国全部核反应堆最多能提供的电能总量, 和美国现役的核电站提供的电能总量其实相差不大。另外, 核电站在建设过程中也少不了要用钢铁和水泥, 还有制造核燃料必需的浓缩铀 (或者如“兆吨换兆瓦”计划那样, 将核武器的高浓铀转化成低浓铀, 用于核能发电) ——这些材料在其本身的制造过程中, 都会产生温室气体。根据美国能源部国家可再生能源实验室的说法, 这相当于在核电站服役期间, 它每生产一千瓦时电能, 就会排放大约相当于12克二氧化碳的温室气体——和风能漩涡发电机一样 (它在建设过程中也要用到钢铁、塑料、稀土等材料) , 比太阳能光伏板略少。
但在世界其他地方, 核能发电产业已逐渐萎缩。在2011年地震和海啸导致日本福岛第一核电站发生核泄漏之后, 日本就再没启用核电站。那一悲剧事件也在世界其他地区掀起舆论巨浪。德国计划终止核能发电;就连法国政府也宣布, 该国计划减少核反应堆的数量。美国即将建成5个新的核反应堆, 来代替4个年事已高、在今年退役的反应堆。但其他旧反应堆也被纷纷关闭, 比如新泽西州的奥伊斯特河核电站 (Oyster Creek) 和佛蒙特州的扬基核电站 (Yankee) 。所以美国现役核反应堆的数量其实也在减少。
其中一个很大的原因是财政压力。建设大型核反应堆, 需要花费大把金钱来保证其安全性和可靠性。比如说, 美国如果想把核能发电提供的电量提升到其发电总量的四分之一, 就需要再建设1000座新型核反应堆 (增设, 或者替换旧反应堆) 。从现在的物价来看, 要在佐治亚州建设两座AP-1000型反应, 需要投资7万亿美元 (此处原文用了$7 trillion, 但经评论指出此数据有误, 另一信源指出投资约在140亿美元) ——虽然因为工程浩大, 总价可能有所下调, 但仍无疑是个相当可观的数目。
解决方法之一, 是建设所谓“模块化设计”的小型核反应堆。田纳西流域管理局 (The Tennessee Valley Authority) 希望能在田纳西克林奇河核电站 (Clinch River) 建设一个这样的反应堆, 以此来推动小型核反应堆的发展。美国政府曾试图在克林奇河核电站建设自己的商用快速反应堆, 可惜以失败告终。
那个未能完工的增殖反应堆, 是美国已告结束的新型反应堆研发计划留下的遗产。同类反应堆还包括“实验性增殖反应堆” (Experimental Breeder Reactor, 简称XBR) , 它在爱达荷州成功运转了将近30年。汉森说:“美国政府在一二十年前居然叫停了尖端核能发电研发计划, 这真是令人扼腕。但现在我们又到了追求进步的时候, 中国和其他国家都在寻求烧煤之外的发电方式。”
新开端?
也就是说, 核能发电正越发受到科学界的关注——至少在冷战结束之后, 这还是头一次。科学家正在研发使用新型反应堆, 用替代冷却液来取代水——比如美国核能转换公司 (Transatomic Power) 的熔盐冷却反应堆以及美国洁净能源应用技术开发公司 (Hyperion Power) 的液态铅铋反应堆。这类创新设计, 吸引了包括比尔·盖茨在内的许多亿万富翁投资支持。核能转换公司甚至还在今年的美国能源部高级研究规划署 (Advanced Research Projects Agency-Energy, 简称ARPA-E) 年度峰会上, 赢得了能源投资人颁发的最高奖项。比尔·盖茨在去年的ARPA-E峰会上说:“在核能的智能应用方面, 只要新设计能符合严格的标准, 我们就应该允许大胆创新……核分裂产生的能量, 比燃烧碳氢化合物多上数百万倍。我们真应该好好加以利用。”
但是ARPA-E自己却没有开发替代反应堆的打算, 因为检验新型设计的花费太大, 开发成品的时间周期也太长。现已加盟Google的ARPA-E前任署长阿伦·马宗达博士 (Arun Majumdar) 在今年稍早曾接受《科学美国人》采访, 他提到:“我们在核能开发上曾经做过很多尝试。但我们后来意识到, 就算我们在核工程上投资了3000到4000万美元, 我们也不能保证肯定有所成效……如果预算足够的话, 我倒还愿意试一试。”
核能发电如果能获得更多资金用以开发新型设计, 获得公共财政支持用以建设 (比如推行某种清洁能源比例标准, 以促使人们使用各种低碳能源, 而不只限于可再生能源和碳税制度) , 核能也许能让我们从三方面减少温室气体排放:用更少的能源做更多的事 (提高能源效率) , 使用低碳能源以及使用电能汽车 (当然, 它们使用的电能需要来自清洁能源, 而不是煤炭燃烧) 。正如萨克斯博士所说, “我们获得大量清洁电能的方法屈指可数, ”比如地热、水能、核能、太阳能和风能。“世界各地的条件不同, 除煤炭外能够选择的能源也不一样。”
只要中、美等国仍需大电网供电, 我们就离不开原子核反应、煤炭或燃气, 因为它们与可再生能源不同, 随时都能供电。但现在的国际趋势是减少核能应用, 而增加天然气的比例——正如德国“Energiewende” (能源转移) 计划打算做的那样。该计划试图加大对太阳能、风能和其他可再生能源的应用, 但同时也要关闭该国现役的17座核反应堆。经济学家莱纳·巴克 (Rainer Baake) 曾是一名德国政客。他现在是能源转移智囊团“Agora Energiewende”的领军人物。他介绍说, 德国其实希望研发出某种技术, 将可再生能源产生的多余电能以燃气的形式储存起来, 留待日后燃烧发电——这就是所谓的“能量到燃气”项目。而核能应用倒退还会带来更糟糕的影响, 那就是它将导致更多火电厂的出现, 就像20世纪80年代美国核电站建设期结束之后发生的那样。
汉森等人为此振臂疾呼, 核能这种蕴藏丰富的清洁能源, 能够在这个人口膨胀的时代消除贫穷, 并减少温室气体排放。核能发电, 是我们目前已经掌握的少数清洁能源技术之一, 而且它还有很大的发展与创新空间。天然气虽然可以吸收并储存二氧化碳, 但其实也不过是绕了点路, 仍无法阻止我们走向灾难。我们唯有立即转向可再生能源和核能, 才能阻止灾难发生。
但要利用核能, 我们还面临着许多障碍:就算我们只依赖于现在已经掌握的核能技术, 我们也至少需要几十年来设计、注册和建设核电站——更别提开发新技术了。也就是说, 新的核能技术也许不能在短期内有力地阻止气候变化, 我们暂时只能依赖于已有的核反应技术——但现在就连这些已知技术, 也没有在世界范围内得到很好的应用。
正因为核能发电产业的衰退, 美国核电站虽然坚持“兆吨换兆瓦”计划20年, 但也没能消除核武器的威胁。虽然俄、美两国都已做出最大努力, 将核武器用于发电, 但俄罗斯依然保有约计8500个核弹头, 美国则有大约7700个。而现在, 核能发电又和气候变化问题撞到了一起。正如汉森在他那篇分析文章后面补充的那样, “环保人士必须了解, 他们一味主张在世界范围内强制推行完全使用再生能源的政策, 但这只能继续巩固化石燃料作为发电基本能源的地位, 使其他虽不可再生, 但蕴藏丰富的清洁能源失去立足之地。比如核能, 就将被毫无道理地排除在可利用能源之外。” (来源:果壳网)
核能发电虽然在美国发电总量中只占20%, 但是却减少了640亿公吨的温室气体排放。核能发电也不会像燃烧煤炭的火电厂一样烟雾滚滚, 造成其他空气污染, 可能也因此拯救了180万条生命。
美国如果想把核能发电提供的电量提升到其发电总量的四分之一, 就需要再建设1000座新型核反应堆。从现在的物价来看, 要在佐治亚州建设两座AP-1000型反应, 需要投资7万亿美元。
随着工业化、城镇化的快速发展，我国能源消费总量将继续上升，能源供应保障任务将更加艰巨。我国能源资源禀赋不高，煤炭、石油、天然气的人均占有量低，仅为世界平均水平的67%、5.4%、7.5%。目前，我国人均能源消费量约2.6吨标准煤，仅为发达国家水平的三分之一，未来能源需求还将大幅增长。化石能源大规模开发利用，对生态环境造成严重影响，国内部分地区生态环境严重透支，应对气候变化的压力日益增大。石油对外依存度不断提高，海上运输风险加大，能源安全形势严峻。而地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等裂变资源，如果把它们的裂变能充分利用，可以满足人类上千年的能源需求。在大海里，还蕴藏着不少于20万亿吨核聚变资源——氢的同位元素氘，这些氘的聚变能将可顶几万亿亿吨煤，能满足人类百亿年的能源需求。更可贵的是核聚变反应中几乎不存在反射性污染。聚变能称得上是未来的理想能源。因此，人类已把解决资源问题的希望，寄托在核能这个能源世界未来的巨人身上了。
核能产业国内外发展现状 世界核能产业发展状况：
到2002年底，全球正在运行的核电站机组共有444座。总装机容量已达3.56亿千瓦，在全球供电量中所占比重为16.10%，在全球一次能源中所占比重为6.7%。目前世界上已有17个国家的核电在本国总发电量中比重超过25%，其中发达国家核电所占比重，法国为77%，韩国为38%，日本为36%，英国为28%，美国为21%（美国在全球核电总装机容量中所占比重为29%），加拿大为12%。近年来全世界核电发电量维持在总发电量的1/6左右，达到了可以和煤电、油电、水电、气电平起平坐的地位，核电已经成为世界能源的重要组成部分。中国核能产业发展状况: 从五十年代中期以来，中国已经逐步建立了比较完整的核燃料循环体系。随着核电事业的发展，核燃料工业得到了进一步提高，初步形成了从铀矿地质勘查、铀矿采冶、铀同位素分离、核燃料元件制造、乏燃料后处理直至核废物处理与处置等完整的核燃料循环工业体系。特别是改革开放二十年来，在与国际广泛交流的基础上，引进和开发了先进的技术和工艺，在核燃料生产的几个主要环节上，实现了更新换代，不仅对提高产品质量、降低生产成本等发挥了重要的作用，而且可以满足或基本满足“十五”期间中国核电更大发展的需求。经过四十多年的发展，地质勘查已为国家累积提交了可靠铀资源储量。铀矿采冶已初步形成了以地浸、堆浸和原地爆破浸出工艺为主的生产格局，大幅度降低了铀矿采冶成本，提高了铀资源利用率。铀同位素分离已实现扩散法向离心法过渡，铀同位素分离生产能力能够满足中国核电发展的需要。核燃料组件制造生产线已为核电站提供了合格的燃料组件，基本实现了30万、60万、100万千瓦三种容量等级的压水堆核燃料组件的国产化，重水堆核燃料组件生产线也正在建设中。中、低放固体和液体废物已开始处理和处置，中低放废物处置场已经建成并投入运行，高放废物处理的科研工作取得较大进展。核能发电原理
利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。
核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%－4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀238。
举例而言，核电厂每年要用掉80吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。简而言之,就是这个公式:
核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能
其原理在屋里层面来说就是核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。结论
总体来说，核的运用在人类生活中越来越广泛，人类生活也越加离不开核能。除了最大作用发电之外，医学也越来越受益于核技术，许多病症需要用放射性物质来治疗和预防。如：核放射和核药物对确诊和治疗癌症就有很大的功效。科学家们制造了各种核放射仪器，这些机器对医生对病人对症下药提供了很大的帮助。此外，核放射物还能确诊甲状腺、传染病、关节炎、贫血等病症，可以用核能而发明的“CT”和“核磁共振”来确诊每个人身体不适的地方。核技术对食品的影响也越来越大。如有些容易腐坏的食品，现今可以通过核放射物处理就不易腐坏。核技术对食品的另一益处是改变植物基因、提高植物质量。核能还可以用于其他重要事务，如在核技术的帮助下，可以勘探地下水源，并且在核技术的帮助下发现水坝受损或水坝渗水。此外，核技术还能淡化水、能扫雷。考古的年龄测量和刑事侦察等。
1．常识性了解原子和原子核的组成。
2．常识性了解裂变、链式反应、聚变的大致情况和原子弹、氢弹的制造原理，以及核反应堆的作用。
3．常识性了解研究可控核聚变的重大意义。启发学生想象人类开发利用核能的美好前景，激发学生努力学习科学技术的热情。
（二）教具
原子和原子核的挂图，链式反应的挂图（能用幻灯显示原子、原子核的结构和链式反应的情况更好）。
（三）教学过程
1．引入
板书：核能
指出核能是一种先进的、可以替代常规能源的新能源。目前世界上利用核能发电的核电站已有400多个。其年发电量约占全球年发电总量的17%，到下世纪，核能有时能成为一些国家的主要能源。
要了解核能是怎么回事，就需要从物质结构——原子和原子核的组成说起。
2．新课
板书：原子和原子核的组成
提问：请根据化学课中讲过的内容，说说原子和原子核的组成情况？
教师展示原子和原子核的挂图，归纳小结学生的回答，要求学生明确：任何物质的原子都是由位于原子中心区域带正电的原子核和带负电的核外电子组成的；原子核又是由带正电的质子和不带电的中子（质子和中子统称为核子）组成的。
板书：
讲述：本世纪初，科学家们通过实验和理论研究对原子和有子核的组成有了正确的认识，发现原子核是可以改变的，而且在改变过程中可以释放出巨大的能量——原子核能，简称核能，通常也叫原子能（确切地说，原子能应是原子核能的缩写代名词）。那么，怎样才能有效地获得蕴藏在原子核里的大量核能呢？
旁注：在原子中，原子核和核外电子之间有广阔的空间，而在原子核中，质子和中子则是紧密地结合在一起的。此注供教师参考。
板书：裂变
指导学生阅读教材上讲裂变那一段课文。提出其注意：
(1)裂变指的是什么现象；
（观察教材上铀核裂变的示意图，结合阅读课文中的讲述，了解铀核裂变释放出核能，转化为周围物体的内能是怎么回事；
了解裂变释放出的核能十分巨大。
提问：什么叫裂变？
l千克铀中的铀核如果全部发生裂变，释放出的能量大约是1千克标准煤完全燃烧所放出能量的多少倍？
旁注：检查学生阅读教材的效果。
教师小结并强调：用中子轰击铀235，铀核（质量大的核）会分裂成两部分（两个中等质量的核），这种现象叫做核裂变，简称裂变。根据书上提供的数据很容易算出，1千克铀中的铀核如果全部发生裂变，释放出的能量大约是1千克标准煤完全燃烧所放出能量的2.5×106(250万)倍。由此可知，裂变是获得大量核能的重要途径。
板书：链式反应
教师展示链式反应挂图并讲述：
用中子轰击铀核，才能使铀核发生裂变，放出能量。如果外界的中子停止轰击，裂变也就停止。然而实验表明，铀核分裂时，还同时放出2～3个中子，这一点的意义特别重要。因为放出的中子，又可以轰击其它铀核，使它们也发生裂变。这些铀核分裂时，同样放出中子，从而引起更多的铀核发生裂变。于是裂变反应便会链锁式地自行持续下去。这种现象叫做链式反应。
如果对裂变的链式反应不加控制，在极短时间（约百万分之几秒）会释放出大量核能，发生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。
让学生看教材上我国第一颗原子弹爆炸后引起蘑菇状烟云的示意图（说明：原子弹爆炸时，立刻发出强烈的闪光，可照亮100千米以内的天空和地面，闪光后，天空出现一个火球，并迅速上升。火球冷却后变成褐色烟云，同时地面上升起的尘土和烟柱一起形成可上升到15千米高空的蘑菇状烟云。原子弹爆炸时还发出极其强烈的爆炸声，几十千米以外也可听到）。
讲述：为便于和平利用核能，必须控制链式反应的速度，使核能缓慢而又平稳地释放出来。为此，人们制成了一种专门装置。
板书：核反应堆——能缓慢、平稳地释放核能的装置。
让学生看教材上我国第一座核反应堆外貌图（彩图，说明：建造核反应堆，对材料、技术、安全防护设施等都有很高、很严的要求。不但需要解决很多核物理问题，也要求材料科学、电子学、自动控制学等解决许多困难问题。能自行设计、制造核反应堆，表明我国在这一高科技领域取得了重大成就，为和平利用核能创造了必要的条件）。
板书：聚变——获得大量核能的另一重要途径
活动中, 中国工程院院士、中国核工业集团公司科技委员会主任、中国核学会常务理事潘自强, 中国核学会顾问、中国电力投资集团公司核电部专家俞卓平, 中国疾病预防控制中心辐射安全所研究员张伟三位专家就核能与核辐射的基本知识, 与人民日报、新华社、光明日报、经济日报、科技日报、中央人民广播电台、中央电视台、北京电视台、人民网、中国网等三十余家媒体的记者进行了交流与互动。
俞卓平指出:社会公众谈核色变, 是因为核能 (原子能) “出身”不好。原子能一开始就用于军用, 做原子弹、氢弹。后来才把核动力转为其他用途。世界上第一座民用的核电站是俄罗斯的“奥布林斯克”核电站, 1954年建成。但是这个堆很小, 也发一点电, 主要是给地区供热, 还做科研。真正商用意义上第一座核电站是美国的“西坪港”核电站, 在美国宾夕法尼亚州, 1957年建成, 后来就建了大量的核电站。
核电站在世界历史上, 在福岛事故之前, 曾经出过两次大的事故, 第一次是1979年3月, 在美国的三里岛2号机组事故, 第二次是前苏联切尔诺贝利核电站4号机组出了事故。这次福岛核电站的事故可以说是核电历史上的第三次。但总的来说, 核电还是很安全的, 核电站的事故其实是很少的, 损失的不多, 但是人们又很关心。在核电界有一句通俗的话, 在一个地方的核事故就是任何一个地方的核事故, 是跨边界的。
在谈到核与辐射安的全情况时, 潘自强院士指出, 我们国家核的发展是从上世纪六十年代中期开始的, 我们国家从一开始对核辐射就极为关心, 国务院发布的第一个关于安全方面的规定, 就是辐射的规定。目前有三个专门单位负责核与辐射安全的专门研究。到现在为止, 包括原来军用, 我国没有发生过一起辐射致死, 以及辐射造成放射病的事例。核电站没有发生过二级以上的事件, 从我们的情况来看, 记录是良好的。
潘院士认为, 福岛事故, 毫无疑问应该是一个很严重的事故。但是对于我们国家, 不会对公众造成影响。切尔诺贝利事故以后, 我们国家当时只是测到了碘131, 但是它的浓度都在允许的量的1%标准以下, 我们现在的探测技术就完全可以测得到, 没有问题。所以到现在为止, 对于我们国家居民的健康, 潘院士个人认为不会有影响。
《中国报道》杂志记者提问潘院士, 假如福岛核电站封堆了, 通过大气的传播的可能性没有了, 但是通过水的方式, 会不会影响到海域而造成污染, 那时候会不会对我国公众健康构成威胁?
潘自强答说, 福岛事故将来发展到什么程度, 谁也不能往前预测。但是据判断, 绝对不太可能发展成切尔诺贝利的情况。如果发生封堆的话, 可能有破损、有泄漏, 也有可能往外扩, 但是扩也传不到很远的地方。所以判断, 当然这个话谁也不好断定, 日本的事故对我们国家公众的健康不会产生影响。
对《北京周报》记者关于核电安全方面的问题的提问, 俞卓平说:在福岛核电站出了核泄漏事故以后, 国务院作出几个决定, 对于正在运行的核电站和在建的核电站进行安全检查。检查包括管理制度、操作运行的规程、设备的维护、人员的培训、定期试验、辐射防护等等方面做得怎么样。
俞卓平表示, 对核电安全的关注程度和监管的严格, 是任何其他工业无法比拟的, 凡是有核电的国家, 都有核安全的监管机构。从政府安全监管机构设定一些安全的标准、目标, 以及要求, 一层一级都有很多的要求, 国际原子能机构对核电站也发布了很多关于安全方面的要求, 我们国家基本上沿用了国际原子能机构的标准。法规体系是很健全的, 核电厂一套运行的管理都有严格的程序, 人员都经过了严格的培训, 还要取得执照, 考试也是很严格的。
就未来的核电站能不能在技术层面让它变得更加安全, 如何对福岛核泄漏事故进行反思的问题, 俞卓平是这样回答中央人民广播电台记者覃勇的:人是很聪明的, 他会不断的吸取教训。刚才潘院士说三里岛事故以后, 世界上对当时所有与核电站有关系统进行了改进, 后来新建的核电站也进行了改进。我举个例子, 三里岛核电站当时表示它的水位计是有缺陷的, 现在所有的堆都有很好的水位计, 任何时候都能监测压力容器里面的燃料水位, 都改进了。同样, 我想这次福岛核事故以后, 核电界也会根据这次事故吸取很多教训, 比如以后核电站的抗震级怎么定, 关于防波堤的高度怎么定, 要经过调整, 我想核电界经过一段反思会有改进, 使核电站更加安全。
俞卓平还强调, 任何一种技术你想用它都是有风险的, 没有风险是不科学的, 说百分之百的安全, 这是不切实际的。世界核电工业在不断努力, 使安全水平不断提高, 使它的风险尽量降到大家可以接受的程度, 同时在经济上建核电站还是可行的。要是说绝对安全, 不建核电站, 从绝对意义上就很安全了, 但那就没意义了。核电界要从这次事故吸取教训, 使我们核电安全水平进一步提高, 核电的前途还是很光明的。
新京报记者问:在什么外界情况条件下, 比如说洋流、风向, 日本这次核辐射的泄漏可能会对沿海有影响?
卢鹤绂他刚考进美国明尼苏达大学研究生院，当时，一般的美国人瞧不起华人，当卢鹤绂选择锂离子低温热源这一前沿课题时。更引起一些议论，遭到不少白人的嘲笑。但是，卢鹤绂不信这个邪!发誓：“要为中华民族争一口气!”终于，他用自制的质谱仪测得锂同位素丰度比。而且明尼苏达大学物理系主任瑞克逊夸奖卢鹤绂：“中国人在称原子的重量。”
1995年8月，刚过81岁生日的卢鹤绂向爱因斯坦的相对论进行挑战，引起不少学者的关注。在美国休斯顿大学物理学教授聚会里，出席会议的理。敏教授称颂他是“不怕被划入疯狂的类型”美国《伽利略电动力学》杂志主编豪沃德。海顿说：“开辟了挑战爱因斯坦理论的新方法。”
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