核能 是杀伤利器也是发电能手 核能的“两副面孔”如何炼成

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  编者按 3月15日,习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议,研究实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措。核电因其清洁、高效、灵活的特性,被作为绿色低碳能源体系中重要一员受到高度关注。据此,本报推出系列报道,解析核能核电的方方面面。

  在现有的科学框架内,可控核聚变可以说是人类的终极能源,取之不尽、用之不竭,同时具有清洁、安全、环保的优点,对人类社会的影响不亚于又一场工业革命。

  ——李正宏 中国工程物理研究院核物理与化学研究所研究员

  核能核电系列报道①

  ◎李 迪 陈 科

  3月13日,中国自主三代核电技术“华龙一号”福清6号机组应急柴油发电机组启动成功;此前,“华龙一号”全球首堆中核集团福清核电5号机组正式投入商业运行,这标志着我国打破了国外核电技术垄断,正式进入核电技术先进国家行列。

  从小小的原子核中迸发出的能量被人类寄予厚望。这种能量从何而来?它与核武器中爆发出的能量有何异同?在将它变成人类终极能源之前,我们还要迈过哪些技术难关?对此,科技日报记者采访了相关专家。

  核电与核武器“师出同源”

  提起核能,很多人的第一反应是威力巨大的核武器。“核武器主要分为核裂变武器与热核武器两种,其中核裂变武器俗称原子弹,而热核武器俗称氢弹。”中国工程物理研究院(以下简称中物院)核物理与化学研究所李正宏研究员介绍,相比于氢弹,原子弹采用的核裂变反应的引发较为容易,只需要达到临界质量即可。

  氢弹的能量主要来自于轻核材料的原子核聚变,这种轻核材料是氢的同位素氘和氚。李正宏说:“相比于核裂变,核聚变反应需要极高的温度、压力才能引发。热核武器的技术难度远大于核裂变武器,威力也相当惊人,苏联设计的大伊万氢弹的核爆当量达到了5800万吨,是广岛原子弹的3800多倍。”

  可以看出,氢弹的威力远大于原子弹。这是否与核裂变和核聚变截然不同的原理有关?

  作为一种特殊的武器装备,核武器的反应原理不会像一颗子弹那么简单。中物院核物理与化学研究所黄洪文研究员介绍,在核裂变反应中,重核原子(如铀-235)经中子撞击后,裂变成为两个较轻的原子,同时释放出数个中子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子,从而形成连锁反应,使得裂变反应持续进行。

  而在裂变反应中,通过吸收多余中子,维持中子数量平衡,裂变反应的速度能够得到控制,核裂变能就可以稳定释放。目前核电站采用的就是这种技术,“华龙一号”即为其代表。

  黄洪文指出,与裂变反应不同的是,在聚变反应中,两个较轻的原子核直接碰撞、结合,形成一个较重的核(可能伴随形成一个极轻的核)。聚变反应的维持非常困难。

  李正宏进一步解释,由于原子核都带有正电荷,只能利用极高的温度、压力才能克服原子核之间巨大的核力使得轻核结合。“在核聚变的引发和维持都非常困难的条件下,目前只有氢弹实现了聚变能量释放,而能够实现能量增益的可控核聚变仍在持续研究中。”

  简单来说,可控核聚变是指合理地控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。那么如何才能满足聚变反应的多个条件?李正宏介绍,首先必须提高物质的温度,使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为等离子体,然后适当地控制等离子体的温度、密度和封闭时间(维持时间)。

  “这三项条件缺一不可,这其中等离子体的温度需达到约1亿摄氏度。这种高温等离子的产生、维持以及与之相关的一系列工程问题也是目前可控核聚变实现的主要难点。”李正宏说。

  困难与收益成正比

  通过控制反应速度,令人闻之色变的核能可以摇身一变,成为具有广阔应用前景的新能源,服务于生活。如今,作为一种清洁无污染的高效能源,核能早已成为太阳能、风能、地热能、水能等受地域限制极为明显的能源的重要补充,显示出强大的生命力。通过核裂变反应进行的新型第三代、第四代核电站在安全性、经济性等诸多方面取得了长足进步。在核裂变发电已经取得良好应用成果的前提下,发展可控核聚变技术更是显得困难重重,那么,研究可控核聚变的意义又在哪里?

  可控核聚变反应的原料可直接取自海水,来源几乎取之不尽;其安全性是核裂变反应堆无法相比的,只要不维持对等离子体的约束,聚变反应便会自动停止;核聚变产生的核废料半衰期极短,因而核泄漏时总危害很低,其厂外只需将一公里内的居民应急撤离,事故后短时间内环境即可恢复正常。


反应原理核能

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