从 1954 年前苏联建成世界上第一座核电站以来，人类和平利用核能的历 史还不到半个世纪；然而，核能的发展却异常迅速。特别是近 20 年来，它以 极大的优势异军突起，成绩卓著，已成为世界能源舞台上一个引人注目的角 色。到 1991 年底，全世界有近 30 个国家和地区拥有近 420 座核电站，另有 76 座正在建设中。我国首座核电站——秦山核电站，已于 1991 年正式投入 运行，这标志着我国核能利用已经进入了一个新阶段。 目前，核能发电可满足世界电力需要的 20％左右。据专家们预计，到 2000 年全世界核电站的总发电量可达 72，000～95，000 万千瓦，届时核能发电量 将是世界总发电量的 30～50％。到 21 世纪中叶，核能将会取代石油等矿物 燃料而成为世界各国的主要能源。 核能的发展之所以如此迅速，主要是因为它有着显著的优越性：其一， 它的能量非常巨大，而且非常集中。其二，运输方便，地区适应性强。有人 曾将核电站与火电站作了个形象的比较：一座 20 万千瓦的火电站，一天要烧 掉 3000 吨煤，这些燃料需要用 100 辆铁路货车来运输；而发电能力相同的核 电站，一天仅用一公斤铀就行了。这么一点铀燃料只有三个火柴盒那么大， 运输起来自然就省力多了，而且可以建在电力消耗大的地方，以减少输电损 失和运输费用。其三，储量丰富，用之不尽。 核能资源广泛分布在世界的陆地和海洋中。储藏在陆地上的铀矿资源， 约 990～2410 万吨，其中最多的是北美洲，其次是非州和大洋洲。 海洋中的核能资源比陆地上要丰富得多。拿核聚变的重要燃料铀来说， 虽然每 1000 吨海水中才有三克铀，然而海洋里铀的总储量却大得惊人，总共 达四十多亿吨，比陆地上已知的铀储量大数千倍。此外，海洋中还有更为丰 富的核聚变所用的燃料——重水。如果将这些能源开发出来，那么即使全世 界的能量消耗比现在增加 100 倍，也可保证供应人类使用 10 亿年左右。 从目前情况来看，世界各国的核能发电技术已相当成熟，大量投入使用 的单机容量达百万千瓦级的发电机组，使核电站得到了迅速的发展。 近十多年来，人们已经成功地研制出能充分利用铀燃料的核反应堆，这 就是被称为“明天核电站锅炉”的快中子增殖核反应堆。这种核反应堆能使 核燃料增殖，也就是说，核燃料在这种“锅炉”里越烧越多。如果能大量使 用快中子增殖核反应堆，不仅能使铀资源的有效利用率增大数十倍，而且也 将使铀资源本身扩大几百倍。因此，包括我国在内的世界各国，今后将着重 发展这种先进的核反应堆以便充分地利用核燃料、提高核电站的经济性。1991 年，欧洲联合核聚变实验室首次成功地实现了受控核聚变反应，使人类在核 聚变研究方面取得了重大突破，为今后利用储量极为丰富的重水建造核聚变 电站打下了初步的基础。 另外，近年来在激光核聚变、核电池、太空核电站和海底核电站等研究 试验方面也都取得了一定的成果，促进了核能发电技术的进一步提高。 核能对于我国在 21 世纪的经济发展有着重要的意义。根据中央提出的社 会主义现代化经济建设分三步走的战略目标，到下世纪中期，预计我国能源 年需求总量为 40～50 亿吨标准煤。要满足如此大的能源消耗量，除了大力开 发包括三峡水电在内的水力资源外，大部分的电力要依靠煤电和核电。一座 大型核电站的发电量几乎相当于葛洲坝水电站，因此，发展核电不仅可减少 储量已不多的煤炭的消耗，而且可减少环境污染，缓和运煤带来的交通运输 紧张状况。 核能与核反应堆 核能也叫做原子能或原子核能，它是由人眼看不见的小小的原子核内释 放出来的巨大能量。一克铀原子核裂变时所放出的能量，相当于燃烧 2.5 吨 煤所得到的热能。这种核能，是核燃料通过核反应堆所产生的。 我们都知道，世界上的物质都是由原子构成的，原子由原子核和围绕核 旋转的电子组成，原子本身已经很小，而原子核的直径仅仅是原子直径的十 万分之一。可是，这么微小的原子核却集中了几乎整个原子的质量。原子核 是由带正电的质子和不带电的中子构成的，质子和中子统称为核子。由于质 子带一个单位的正电荷，中子不带电，而质子和中子的质量又几乎相等，都 等于一个质量单位，所以原子核的电荷数等于它的质子数，原子核的质量数 则等于质子数和中子数之和。具有相同质子数的原子，它们原子核外的电子 数也相等，因而它们有着相同的化学性质，属于同一种元素，但对于中子数 不一样的原子，称为同位素。 从上面可以知道，原子核的半径是非常小的，在这样小的原子核内，却 拥挤着许多带正电的质子，它们之间必然要产生很大的相互排斥的静电力。 但是，通常的原子核却是很稳定的，原子核内的质子和中子能“和平共处”、 “共聚一堂”。这是因为除了质子之间相互排斥的静电力外，核内各粒子之 间还存在着强大的吸引力，这种吸引力，通常叫做核力。 人们通过实验发现，在原子核内的质子和质子之间、中子和中子之间、 质子和中子之间都存在着很强的核力。然而，核力只在很短的距离（大约 2 ×10-15米）内起作用，超过了这个距离，核力就迅速降低到零。由于质子和 中子的半径大约都为 0.8×10-15米，所以质子或中子只跟与它相邻的质子或 中子起作用。 在原子核内的核子之间存在着十分强大的核力情况下，如果在某种条件 下原子核内的质子和中子发生了变化，那么它们之间的核力也会相应地发生 改变，并把一部分能量释放出来。这种由核子结合成原子核释放出的能量或 者由原子核分解为核子时吸收的能量，称为原子核的结合能或原子核能，也 就是我们通常所说的核能。 前面我们提到，一克铀原子核裂变时所放出的能量，相当于燃烧 2.5 吨 煤所得到的热能。两者释放的能量之所以相差如此之大，关键在于煤放出来 的是化学能，而铀放出来的是原子核能。 煤在燃烧时，只是碳原子和氧原子的核外电子进行相互交流，生成二氧 化碳分子，这种变化是一种化学变化，所放出的能，就是化学能；而铀放热 是原子核内发生了变化。在核反应中，铀原子核分裂成两个较小的原子核， 并释放出大量的核能，这也就是核能比化学能大得多的秘密所在。 目前，使原子核内蕴藏的巨大能量释放出来，主要有两种方法：一种是 将较重的原子核打碎，使其分裂成两半，同时释放出大量的能量，这种核反 应叫核裂变反应，所释放的能量叫做裂变核能。现在各国所建造的核电站， 就是采用这种核裂变反应的；用于军事上的原子弹爆炸，也是核裂变反应产 生的结果。第二种方法是，把两种较轻的原子核聚合成一个较重的原子核， 同时释放出大量的能量，这种核反应叫核聚变反应，氢弹爆炸就属于这种核 反应。不过它是在极短的一瞬间完成的，人们无法控制。近年来，受控核聚 变反应的研究已经使核能控制显露出希望的曙光。 核电使用的安全性 由于核电技术日趋成熟和它具有突出的优点，加上世界能源供应的紧张 形势，使核电得到越来越迅速的发展。法国政府已宣布，今后只建核电站而 不再建火电站。到 2000 年，法国核电站装机容量将占总装机容量的 90％。 意大利国家电力公司决定，今后几十年内新建电站全部或绝大部分是核电 站。一些第三世界国家如印度、阿根廷、巴基斯坦和巴西等国同样对核电很 重视，已建成了自己的核电站，其他发展中国家也在加紧筹建核电站。我国 自行设计建造的秦山 30 万千瓦的压水堆核电站已投入运行，在广东省还将引 进两座 90 万千瓦的核反应堆，并决定在华东地区建设大型核电站。 然而，在这大力发展核电站热潮的背后，却有不少人对核电站的发展担 心，特别是 1979 年 3 月美国三里岛核电站和 1986 年 4 月前苏联切尔诺贝利 核电站发生事故以来，已经引起世界各国的关注，人们担心这个“核老虎” 会伤人。其实，核能是种安全、清洁的新能源。从第一座核电站建成以来， 全世界已投入运行的核电站已近 450 座，三十多年来基本上是安全正常的。 核电站对环境的污染也比火电站小得多。火电站在工作时，它“肚子” 里存不住东西，不断向大气里排放大量的二氧化硫和一氧化氮等有害物质， 而且煤里的少量铀、钍和镭等放射性物质也会随着烟尘飘落到火电站的周 围，污染环境，影响人们健康。核电站就不同了，它“肚子”里的“脏”东 西由于设置了层层屏障而被严严实实地包在里面，基本上不排放污染环境的 物质，就是放射性污染也比烧煤电站少得多。据统计，一座 100 万千瓦的烧 煤电站通过烟囱排放的放射物质剂量比核电站大三倍左右。实际上，核电站 正常运行时，一年给居民带来的放射性影响，还不到一次 X 光透视所受的剂 量，所以不会对人体造成损害。 为了防止核反应堆里的放射性物质泄露出来，人们给核电站设置了四道 屏障：一是对核燃料芯块进行处理，拔掉它的“核牙齿”。现在的核反应堆 都采用耐高温、耐腐蚀的二氧化铀陶瓷型核燃料芯块，并经烧结、磨光后， 能保留住 98％以上的放射性物质不泄露出去；二是用锆合金制作包壳管。将 二氧化铀陶瓷型芯块装进管内，叠垒起来，就成了燃料棒。这种用锆合金或 不锈钢制成的包壳管，能保证在长期使用中不使放射性裂变物质逸出，而且 一旦管壳破损能够及时发现，以便采取必要的措施；三是将燃料棒封闭在严 密的压力容器中。这样，即使堆芯中有 1％的核燃料元件发生破坏，放射性 物质也不会泄露出来；四是把压力容器放在安全壳厂房内。通常，核电站的 厂房均采用双层壳件结构，对放射性物质有很强的防护作用。万一放射性物 质从堆内泄露出去，有这道屏障阻挡，就会使人体免受伤害。 事实证明，核电站的这些屏障是十分可靠和有效的，即使像美国三里岛 核电站那样大的事故，也没有对环境和居民造成危害。 核电与其他能源相比，也是最安全的能源之一。有人将核能与煤、石油、 天然气、风、太阳能等能源单位输出能量造成的总危险性进行了比较，发现 天然气发电的危险性最低，其次是核电站，第三位是海洋温差发电。其他大 多数能源都有较大的危险性，其中煤和石油的危险性约为天然气的 400 倍。 一些新能源如风能、太阳能等之所以危险性较大，是因为它们的单位能 量输出需要大量的材料和劳动。风能和太阳能是发散性的能，很微弱，要积 聚大量的能量就需要相当大的收集系统和储存系统。根据计算表明，天然气 发电需要的材料最少，建造的时间也最短；风能发电需要的材料最多，而太 阳能电站需要建造的时间最长。由于需要大量的材料和很长的建造时间，就 意味着要进行开采、运输、加工和建造等大量的工业活动。而每种工业活动 都有一定的危险性，将所有的危险性加起来，其总危险性自然就相当大了。 综合上述可以看出，与人们的直观感觉正相反，太阳能、风能和常规能 源中的煤、石油等的总危险性都是很高的，而许多人担心的核电站的总危险 性却低得多。因此，使用核电站是非常安全的，这已为多年的使用实践所证 明。 海底核电站 海底核电站是人们随着海洋石油开采不断向深海海底发展而提出的一项 大胆设想。实际上，本世纪 70 年代初期，独特新颖的海底核电站的蓝图已经 绘制出来。此后，世界上不少国家都在积极地进行研究和实验，提出了各种 设计方案。 在勘探和开采深海海底的石油和天然气时，需要陆地上的发电站向海洋 采油平台远距离供电。为此，就要通过很长的海底电缆将电输送出去。这不 仅技术上要求很高，而且要花费大量的资金。如果在采油平台的海底附近建 造海底核电站，就可轻而易举地将富足的电力送往采油平台，而且还可以为 其他远洋作业设施提供廉价的电源。 海底核电站在原理上和陆地上的核电站基本相同，都是利用核燃料在裂 变过程中产生的热量将冷却的水加热，使它变成高压蒸汽，再去推动汽轮发 电机组发电。但是，海底核电站的工作条件要比陆地上的核电站苛刻得多。 首先，海底核电站的所有零、部件要能承受几百米深的海水所施加的巨 大压力；二是要求所有设备密封性好，达到滴水不漏的程度；三是各种设备 和零、部件都要具有较好的耐海水腐蚀的性能。因此，海底核电站所用的反 应堆都是安装在耐压的堆舱里，汽轮发电机则密封在耐压舱内，而堆舱和耐 压舱都固定在一个大的平台上。 为了安装方便，海底核电站可在海面上进行安装。安装完工后，将整个 核电站和固定平台一起沉入海底，座落在预先铺好的海底地基上。当核电站 在海底连续运行数年以后，像潜水艇一样可将它浮出海面，以便由海轮拖到 附近海滨基地进行检修和更换堆料。 人们预计，随着海洋资源特别是海底石油和天然气的开发，将进一步促 进海底核电站的研究与进展。在不久的将来，这种建造在海底的特殊核电站 就会正式问世。 海上核电站 在海上建造核电站，有其独特的优点。其一，核电站的造价要比陆地上 的造价低，这一点很吸引人，因为在同样的投资条件下可以建造更多的海上 核电站；其二，在选择核电站站址时，不像陆地上那样要考虑地震、地质等 条件，以及是否在居民稠密区等各种情况的影响，因而选择的余地大；其三， 海上的工作条件几乎到处都一样。不存在陆地上那种“因地而异”的种种问 题。这样，就可以使整个核电站像加工产品一样，按标准化要求以流水线作 业方式进行制造，从而简化了生产过程，便于生产和使用，可大大降低制造 成本，缩短建造周期。 由于人们对海上核电站的安全性等问题的看法不同，所以海上核电站虽 然有许多特长但仍然没有得到迅速的发展和应用。 有人可能担心海上核电站的安全问题，认为核反应堆会将放射性的物质 排入海水，影响水中生物和人类的生存与安全。其实，这种忧虑完全是多余 的，因为海上核电站和陆地上的核电站一样，都有专门处理废水、废料的措 施和方法，绝不会把带放射性物质的废水直接排放到海水中。从世界上第一 座核电站的建立到现在，几十年的实践证明，核电站是很安全的，没有出现 过类似的污染现象。而且与人们担心的情况相反，由于海上核电站建有较高 大的防波堤，能引来鱼、虾的回游，对于海洋生物的养殖和捕捞非常有好处。 目前，人们已对这种优点突出的海上核电站发生了浓厚的兴趣，特别是 象英国、日本、新西兰等岛国，陆地面积小，适宜建造核电站的地方少，但 海岸线却很长，就可以充分利用这一优势，大力发展海上核电站。 在太空中建立核电站 人们已经在陆地上建造了几百座核电站，后来又计划在海上和海底建核 电站，接着又将核反应堆搬上太空，建立起太空核电站。 早在 1965 年，美国就发射了一颗装有核反应堆的人造卫星。1978 年 1 月，前苏联军用卫星“宇宙 254”号也装有核反应堆，因控制机构失灵而坠 入大气层，变成许多小碎片，散落在加拿大的西北部地区。由于碎片会污染 环境，影响人体健康和生物的生存，加拿大政府就此事向前苏联提出抗议， 并要求赔偿损失。人们由这一事件开始知道，核反应堆已在超级大国的空间 争夺战中开始发挥重要作用。 将核反应堆装在卫星上，主要因它重量轻、性能可靠，而且使用寿命长、 成本较低。 在人造卫星上通常都装有各种电子设备，包括电子计算机、自动控制装 置、通信联络机构、电视摄象机和发送系统等，需要大量使用可靠的电能。 对于用来探测火星、木星等星体的星际飞行器，配备的电子设备就更多更复 杂，而且来回航程要几年到十几年，在此期间，还要与地球保持不断的联系。 因此，这种太空飞行器上所用的电源，要求容量更大，性能更加可靠。 起初，人们在卫星和太空飞行器上使用燃料电池，这种电池虽然工作稳 定可靠，能提供所需要的电能，但它的成本高，使用寿命较短，不能满足长 期使用的需用。后来，人们又采用太阳能电站作为卫星和太空飞行器的电源， 然而，当卫星运行到地球背面或具有漫长黑夜的月球上（一个“月夜”相当 于地球上的 14 个昼夜），或者向远离太阳的其他行星飞行过程中，太阳能电 池就根本无法工作。此外，即使在有阳光的条件下使用太阳能电池，当需要 提供大容量的电能时，仅电池的集光板就大到上千平方米，这在太空飞行中 显然是难以做到的。人们最后终于找到了比较理想的卫星和太空飞行器用的 电源——空间核反应堆。 在采用核反应堆作为太空飞行器电源之前，还广泛使用了核电池。直到 现在，一些太空飞行器还广泛采用这种核电源。核电池的使用寿命一般可达 5～10 年以上，电容量可达几十至上百瓦。然而，它的电容量与太空核反应 堆比起来就显得微不足道了。太空核反应堆的电容量可达几百瓦至几千瓦， 甚至可高达百万瓦。这样，对于要求电源容量越来越大的一些太空飞行器来 说，就理所当然地选用核反应堆作为电源了。太空核反应堆在工作原理上与 陆地上的基本一样，只是前者由于在太空飞行中使用，要求反应堆体积小， 轻便实用。 实际上，太空核反应堆不仅可用作太空飞行器和卫星的主要电源，而且 还是未来用于考察和开采月球矿藏的理想电源。
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