開發(fā)核能需要的技術(shù)

【專家解說】：核能
核能發(fā)電:

核能→水和水蒸氣的內(nèi)能→發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能→電能。

核能發(fā)電

nuclear electric power generation

利用核反應(yīng)堆中核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，核四廠每年要用掉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)於每天燒掉20萬桶家用瓦斯。換算起來，剛好接近全臺灣692萬戶的瓦斯用量。

簡史 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.

中國大陸的核電起步較晚，80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、钚-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。

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。

參考資料：中國大百科全書電子版

用核能為微型裝置提供動力

目前，世界各地的研究人員正在開發(fā)寬度小于人的頭發(fā)的微型裝置，用于從生化傳感器到醫(yī)學(xué)植入體的各種用途。但這方面存在著一個障礙：目前還沒人能拿出一種與這么小的微型機(jī)械裝置相匹配的能源。

任何一個隨身攜帶過使用五磅重電池、而自重僅一磅的便攜式電腦的人都該明白這句話的意思。為了實現(xiàn)這些裝置的全部潛在用途，需要有這樣一種能源，它既能提供強(qiáng)大的動力，又要小得足以安裝在同一塊芯片上。

現(xiàn)在，威斯康星大學(xué)的一組工程師相信他們也許找到了正確的方法。他們已經(jīng)開始了一個利用核能來提供能量的項目，但這些發(fā)電機(jī)將與向家庭和工廠提供電力的帶穹頂?shù)暮穗姀S完全不同。

這些微型裝置的能源不是靠轉(zhuǎn)動的渦輪機(jī)來發(fā)電，而是利用微量的放射性物質(zhì)，通過它們的衰變來產(chǎn)生電能。以前也有過這種做法，但規(guī)模要大得多。人們曾用這種方法給從心臟起搏器到探索太陽系外層黑暗空間的航天器等各種裝置提供能源。

威斯康星大學(xué)的核能工程教授詹姆斯·布蘭查德說：“以前還從沒在我們現(xiàn)在所討論的規(guī)模上做過這種事。”布蘭查德所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正設(shè)法開發(fā)這項技術(shù)，這項研究得到了美國能源部一項45萬美元的撥款。

盡管單單提起核能就會使一些人的后背生出絲絲涼氣，但研究人員稱他們的發(fā)電機(jī)只使用極少的放射性物質(zhì)，安全應(yīng)該不是問題。布蘭查德說，最適合這種技術(shù)的元素是1898年由居里夫婦發(fā)現(xiàn)的釙。

放射性物質(zhì)已廣泛應(yīng)用在許多裝置中，包括煙霧探測器。另外一些復(fù)印機(jī)上也使用條狀的放射性物質(zhì)消除紙張間的靜電。但如果核電要成為未來的微型“機(jī)器”的能源，這項技術(shù)必須縮小到微觀水平。布蘭查德說，用放射性材料發(fā)電可以有兩種方法。放射性材料衰變時發(fā)出的熱量可以使一些物質(zhì)放出電子，從而形成電能。但研究小組傾向于一種更直接的方法。

布蘭查德說：“當(dāng)放射性同位素衰變時，它會釋放出帶電粒子，這樣你就能直接俘獲這些帶電粒子，利用它們產(chǎn)生電能?！彼f，相對于這些裝置的規(guī)模而言，這些粒子產(chǎn)生的電壓是非常高的。布蘭查德說，他的研究小組并沒有直接考慮這些微型裝置的用途。他認(rèn)為，一旦有了一種合適的能源，其他人將會想出許多用途來。事實上，世界各地有數(shù)十個實驗室已經(jīng)在研制被稱作MEMS的微型機(jī)電設(shè)備，它是當(dāng)今高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵課題之一。

布蘭查德在這個項目中的同事、電氣工程學(xué)教授阿米特·拉爾說，一旦有了合適的能源，將會產(chǎn)生“以前根本不可能的許多用途”。

這項技術(shù)最直接的應(yīng)用很可能是用來研制各種各樣的微型傳感器。一種合適的能源能夠用無線聯(lián)絡(luò)的方式把數(shù)以百計的微型傳感器聯(lián)系起來，這是一項在軍事上很有潛力的用途。這樣的傳感器小至肉眼無法看到，可以在惡劣環(huán)境中探測化學(xué)物質(zhì)的存在。布蘭查德說：“假如它們發(fā)現(xiàn)了它們不喜歡的化學(xué)物質(zhì)，它們能向某個中心位置發(fā)回信號，這樣人們不用到現(xiàn)場就能找到這些化學(xué)武器了?！边@些傳感器也能用來探測工廠內(nèi)微量的有害化學(xué)物質(zhì)和氣體。一個有趣的前景是我們可以把這些傳感器造得很小，把它們混入重型機(jī)械上使用的潤滑油中，以便探測什么時候需要對機(jī)器進(jìn)行保養(yǎng)。

拉爾說：“最大的影響可能是把這些傳感器系統(tǒng)結(jié)合到日常系統(tǒng)中，從而使日常系統(tǒng)變得更加可靠、安全和智能?！?/div>