核裂變能存在于原子核內(nèi)部，只有使它釋放出來才能被人類所利用。重核在核裂變反應(yīng)過程中會釋放出的巨大能量，稱為核裂變能。核裂變能應(yīng)用是緩和世界能源危機(jī)的一種經(jīng)濟(jì)有效的措施。
反應(yīng)
簡介
重金屬元素-235的原子核吸收一個中子后產(chǎn)生核反應(yīng)，使這個重原子核分裂成兩個(極少情況下會是3個)更輕的原子核以及2-3個自由中子，還有β和γ射線和中微子，并釋放出巨大的能量，這一過程稱為核裂變。
核裂變能（或稱核能）是通過轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的方程E=mc2，其中E=能量，m=質(zhì)量，c=光速常量。核裂變能是打開原子核的結(jié)合力，釋放出的巨大能量。
過程
當(dāng)中子轟擊鈾-235原子核時，一部分鈾-235原子核吸收中子而發(fā)生裂變。如果鈾-235核裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另一個鈾一235將再引起新的裂變，如此不斷地持續(xù)進(jìn)行下去，就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這種鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)自己維持進(jìn)行，或者維持自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的條件(或狀態(tài))是至少有一個中子而且不多于一個中子從每一次裂變到達(dá)另一次裂變。這種狀態(tài)稱為“臨界狀態(tài)”。
中子與鈾-235核的自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以由人來控制。目前最常用的控制方式是向產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裂變物質(zhì)(如鈾-235)中放入或移出可以吸收中子的材料。正常工作時使裂變物質(zhì)處于臨界狀態(tài)，維持穩(wěn)定的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，因而保持穩(wěn)定的核能釋放。如需停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就放入更多的吸收中子材料；如果要求釋放更多的核能，可以移出一定的吸收中子材料。這種能維持和控制核裂變，因而維持和控制核能—熱能轉(zhuǎn)換的裝置，叫反應(yīng)堆。
發(fā)生
核裂變能存在與原子核內(nèi)部，只有使它釋放出來才能被人類所利用。怎樣才能使核能釋放出來呢？原子核核子平均結(jié)合能隨原子核質(zhì)量數(shù)而變化的規(guī)律，是核能能夠被釋放出來的理論依據(jù)。由于質(zhì)量數(shù)中等的原子核核子平均結(jié)合能較大，因而無論將重核分裂成質(zhì)量數(shù)中等的原子核，還是將輕核聚合成質(zhì)量數(shù)中等的原子核，都能夠使核能釋放出來。所以，核能釋放有以下兩種途徑：重核的裂變和輕核的聚變。第一種途徑是重核的裂變。將重核分裂成質(zhì)量數(shù)中等的原子核，稱為重核的裂變，又叫做核裂變。核裂變是1938年由德國科學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)的。他們用中子轟擊鈾原子核，導(dǎo)致了鈾原子核的裂變。可見，快速中子的轟擊是實現(xiàn)核裂變的條件。在重核裂變時，放出新的中子，新中子又引起其它重核裂變。這種不斷進(jìn)行的核裂變反應(yīng)，稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。重核材料（如含鈾的同位素鈾238和鈾235的材料）能夠產(chǎn)生核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積，稱為重核材料的臨界體積。重核材料的體積一旦超過其臨界體積，核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就迅速進(jìn)行，同時在極短的時間內(nèi)釋放出巨大的能量，引起猛烈的爆炸。重核在核裂變反應(yīng)過程中釋放出的巨大能量，稱為核裂變能。例如，1克鈾235完全裂變所釋放的核裂變能，相當(dāng)于2.4噸煤完全燃燒所釋放的化學(xué)能。
應(yīng)用
發(fā)電的過程
核裂變能→水和蒸汽的內(nèi)能→發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的機(jī)械能→電能
利用核反應(yīng)堆中核集團(tuán)裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式。它與火力發(fā)電極其相似。只是以核反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器來代替火力發(fā)電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學(xué)能。除沸水堆外（見輕水堆），其他類型的動力堆都是一回路的冷卻劑通過堆心加熱，在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推動汽輪發(fā)電機(jī)。沸水堆則是一回路的冷卻劑通過堆心加熱變成70個大氣壓左右的飽和蒸汽，經(jīng)汽水分離并干燥后直接推動汽輪發(fā)電機(jī)。
核能發(fā)電利用鈾燃料進(jìn)行核分裂連鎖反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，將水加熱成高溫高壓，核反應(yīng)所放出的熱量較燃燒化石燃料所放出的能量要高很多（相差約百萬倍），比較起來所以需要的燃料體積比火力電廠少相當(dāng)多。核能發(fā)電所使用的的鈾235純度只約占3%－4%，其馀皆為無法產(chǎn)生核分裂的鈾238。
舉例而言，龍門核電站每年要用掉80噸的核燃料，只要2支標(biāo)準(zhǔn)貨柜就可以運(yùn)載。如果換成燃煤，需要515萬噸，每天要用20噸的大卡車運(yùn)705車才夠。如果使用天然氣，需要143萬噸，相當(dāng)于每天燒掉20萬桶家用瓦斯。換算起來，剛好接近全臺灣省692萬戶的瓦斯用量。
核能發(fā)電的歷史與動力堆的發(fā)展歷史密切相關(guān)。動力堆的發(fā)展最初是出于軍事需要。1954年，蘇聯(lián)建成世界上第一座裝機(jī)容量為5兆瓦(電)的核電站。英、美等國也相繼建成各種類型的核電站。到1960年，有5個國家建成20座核電站，裝機(jī)容量1279兆瓦（電）。由于核濃縮技術(shù)的發(fā)展，到1966年，核能發(fā)電的成本已低于火力發(fā)電的成本。核能發(fā)電真正邁入實用階段。1978年全世界22個國家和地區(qū)正在運(yùn)行的30兆瓦（電）以上的核電站反應(yīng)堆已達(dá)200多座，總裝機(jī)容量已達(dá)107776兆瓦（電）。80年代因化石能源短缺日益突出，核能發(fā)電的進(jìn)展更快。到1991年，全世界近30個國家和地區(qū)建成的核電機(jī)組為423套，總?cè)萘繛?.275億千瓦，其發(fā)電量占全世界總發(fā)電量的約16%。世界上第一座核電站—蘇聯(lián)奧布寧斯克核電站。
發(fā)電機(jī)組
中國大陸的核電起步較晚，1980年代才動工興建核電站。中國自行設(shè)計建造的30萬千瓦（電）秦山核電站在1991年底投入運(yùn)行。大亞灣核電站正加緊施工。
核能發(fā)電原理：核能發(fā)電的能量來自核反應(yīng)堆中可裂變材料(核燃料)進(jìn)行裂變反應(yīng)所釋放的裂變能。裂變反應(yīng)指鈾-235、-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片，同時放出中子和大量能量的過程。反應(yīng)中，可裂變物的原子核吸收一個中子后發(fā)生裂變并放出兩三個中子。若這些中子除去消耗，至少有一個中子能引起另一個原子核裂變，使裂變自持地進(jìn)行，則這種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。實現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。
解決問題
要用反應(yīng)堆產(chǎn)生核能，需要解決以下4個問題：
①為核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供必要的條件，使之得以進(jìn)行。
②鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須能由人通過一定裝置進(jìn)行控制。失去控制的裂變能不僅不能用于發(fā)電，還會釀成災(zāi)害。
③裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量要能從反應(yīng)堆中安全取出。
④裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子和放射性物質(zhì)對人體危害很大，必須設(shè)法避免它們對核電站工作人員和附近居民的傷害。
世界上有比較豐富的核資源，核燃料有鈾、、鋰、硼等等，世界上鈾的儲量約為417萬噸。地球上可供開發(fā)的核燃料資源，可提供的能量是礦石燃料的十多萬倍。
核能應(yīng)用作為緩和世界能源危機(jī)的一種經(jīng)濟(jì)有效的措施有許多的優(yōu)點(diǎn)：
其一核燃料具有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小而能量大，核能比化學(xué)能大幾百萬倍；1000克鈾釋放的能量相當(dāng)于2400噸標(biāo)準(zhǔn)煤釋放的能量；一座100萬千瓦的大型燒煤電站，每年需原煤300～400萬噸，運(yùn)這些煤需要2760列火車，相當(dāng)于每天8列火車，還要運(yùn)走4000萬噸灰渣。同功率的壓水堆核電站，一年僅耗鈾含量為3%的低濃縮鈾燃料28噸；每一磅鈾的成本，約為20美元，換算成1千瓦發(fā)電經(jīng)費(fèi)是0．001美元左右，這和目前的傳統(tǒng)發(fā)電成本比較，便宜許多；而且，由于核燃料的運(yùn)輸量小，所以核電站就可建在最需要的工業(yè)區(qū)附近。核電站的基本建設(shè)投資一般是同等火電站的一倍半到兩倍，不過它的核燃料費(fèi)用卻要比煤便宜得多，運(yùn)行維修費(fèi)用也比火電站少，如果掌握了核聚變反應(yīng)技術(shù)，使用海水作燃料，則更是取之不盡，用之方便。
其二是污染少。火電站不斷地向大氣里排放二氧化硫和一氧化氮等有害物質(zhì)，同時煤里的少量鈾、鈦和鐳等放射性物質(zhì)，也會隨著煙塵飄落到火電站的周圍，污染環(huán)境。而核電站設(shè)置了層層屏障，基本上不排放污染環(huán)境的物質(zhì)，就是放射性污染也比燒煤電站少得多。據(jù)統(tǒng)計，核電站正常運(yùn)行的時候，一年給居民帶來的放射性影響，還不到一次X光透視所受的劑量。
其三是安全性強(qiáng)。從第一座核電站建成以來，全世界投入運(yùn)行的核電站達(dá)400多座，30多年來基本上是安全正常的。雖然有1979年美國三里島壓水堆核電站事故和1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利石墨沸水堆核電站事故，但這兩次事故都是由于人為因素造成的。隨著壓水堆的進(jìn)一步改進(jìn)，核電站有可能會變得更加安全。
空間發(fā)電
空間核反應(yīng)堆(簡稱空間堆)是一種將反應(yīng)堆核裂變能轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/3552382383681564424.html">電能供航天器及其負(fù)載使用的新型電源。它可以為航天器提供千瓦級電力，從而增強(qiáng)其工作能力、拓展應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的太陽能電池陣和蓄電池聯(lián)合供電相比，空間堆的優(yōu)勢主要包括：單位質(zhì)量功率大、成本低；不依賴太陽能，不受塵埃、高溫和輻射等因素影響，環(huán)境適應(yīng)能力和生存能力強(qiáng)；體積小、重量輕，可有效減輕火箭推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)荷，增加航天器有效負(fù)荷和可靠性。
我國于20世紀(jì)70年代開始空間堆的研究工作，后一度中止。“九五”期間，空間堆研究被列入總裝備部預(yù)先研究項目，由核能院和空間技術(shù)研究院共同承擔(dān)，完成了空間堆概念設(shè)計。“十五”起，開始了空間堆初步設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)、試驗技術(shù)以及安全研究等方面均取得一定突破。目前項目處于從技術(shù)設(shè)計到施工設(shè)計的過度階段，正進(jìn)行設(shè)備和部件的研制和單項試驗。計劃2015年完成地面試驗，2020年定型，2025年發(fā)射“百千瓦級核反應(yīng)堆試驗星”，進(jìn)行在軌演示驗證，掌握超大功率空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)。
俄羅斯、美國、法國、德國和日本等國從20世紀(jì)60年代起就開始開展空間堆的研究，目前只有美國和俄羅斯進(jìn)行了實際發(fā)射。截至2004年，俄羅斯供發(fā)射了37個使用空間堆供電的航天器；美國發(fā)射過1個類似裝置。
參考資料 >