让“恶魔”变为“天使”

3. 让“恶魔”变为“天使”

不必谈“核”色变

谈虎色变，是中国古代的一个成语。到了20世纪40年代之后，却又出现了谈核色变的现象。

人类最初是从1945年日本受到原子弹袭击所造成的大规模死亡中，认识到核能的巨大威力的。1945年8月6日，美国空军向广岛投下了一颗原子弹，一声巨响，高楼大厦毁于一旦，死亡人数达到20万之众；8月8日，又在长崎投下了一颗原子弹，造成数以万计的无辜百姓伤亡。

这一切难道是意大利著名物理学家费米的初衷吗？1942年，费米设计并领导建成了世界上第一座原子核反应堆；同年12月，他在芝加哥大学运动场的地下实验室里，完成了那个著名的“芝加哥一号”自持链式反应。这位1938年的诺贝尔物理学奖金获得者怎么能预见到广岛上空那朵轰然而起的巨大黑色蘑菇云呢？当时，欧洲许多有名的科学家为核能被战争狂人用来制成破坏力极大的核武器而感到担忧。从那时起，世界上不少的人一见到“原子弹”三个字便不寒而栗，甚至一听到“原子能”或“核能”就立即联想到原子弹的爆炸，于是便“闻”而生畏。“原子能”或“核能”已被一些人曲解成了核武器的代名词了。

此外，1979年美国三里岛核电站事故、1986年震惊世界的原苏联切尔诺贝利核电站事故，更加剧了人们的核恐怖。有些人以为，核反应堆是潜在的原子弹，是“关在笼中的老虎”；有的人提出，核能工业将污染环境，破坏人类的正常遗传。一句话，在不少人的心目中，核能成了恐惧、灾难、污染的化身。

其实，“恐核症”是完全能够“治愈”的，人们大可不必谈核色变。“核能”的发现和应用与中国古代“火药”的发现和应用有许多类似之处。火药可以用于战争，制造杀人的武器，但也可以用来修路打井、移山填海、开采矿石。若使用不当，出现事故也会造成伤亡。核能也是一样，它既能充当“魔鬼”，制造罪孽，又能扮演“天使”，为人类造福。从1951年人类第一次利用核能发电算起，40多年来，核能给人们送来了光明，带来了温暖和希望。几十年中核能与核技术和平利用所取得的重大成果已向世人生动地展示，核能与核技术不仅仅是一种破坏性军事技术，而且是一种伟大的能改造世界的创造力量，只要应用得当，它完全可以为人类社会的进步和发展作出重大的贡献。

发展迅速的核电站

人们通常所说的“原子能”其实是“原子核能”，准确地说法应称为“核能”。它是原子核结构发生变化时放出的能量。在实用上指重元素的原子核发生分裂反应（又称裂变）时和轻元素的原子核发生聚合反应（又称聚变）时所放出的能量，分别称其为裂变能和聚变能。20世纪初发现原子核里蕴藏着的核能，是人类历史上划时代的重大成就。这一成就首先被应用于军事目的，其后实现了核能（迄今为止还只是裂变能）的和平利用，标志着人类改造自然进入了一个新阶段。现在核能已成为一种可以大规模和集中利用的能源，可以替代化石能源（煤炭、石油和天然气），目前主要用于发电。

核能发电同火力发电或水力发电相比较，具有以下的一些好处：①消耗燃料少。1千克核燃料所放出的能量比1千克矿物燃料所放出的能量要大几百万倍。一座100万千瓦的火电站每年耗煤300万吨，而相同功率的核电站，每年仅需30~40吨浓缩铀，所需的铀矿石约为10万吨。②经济效益高。核电站与火电站相比，建设费用投资大，但燃料费用低，二者的运行费用差不多。因此，从每度电的发电成本看，大的核电站已普遍低于火电站20％~50％。③核电站特别适于缺少煤、石油、水力资源的地区。利用核能作动力的轮船、军舰，只要携带少量核燃料，就可以长期在海洋中航行。④可以把石油和煤加以综合利用。利用核反应堆的高温使煤气化，可以减少煤直接燃烧而造成的污染和化学物质的浪费，从而使煤的利用效率大大提高。⑤安全运行的核电站，对环境的污染比火电站要小得多。40多年来的实践证明，核电站的事故率比火电站也低得多。

由于核电站有以上的优点，所以核电站的建设发展十分迅速。从1954年原苏联建成世界上第一座核能发电站（功率为5000千瓦）到1996年，全世界投入运行的核电站总数已达到443座，还有数以百计的核电站正在建造或已列入建造计划中。据总部设在维也纳的国际原子能机构统计，1996年全世界核电站的发电总量已增加到2.3万亿千瓦小时，至2009年，世界各国核电站总发电量的比例平均为17％，核发电量超过30％的国家和地区至少有16个，美国有104座核电站在运行，占其总发电量的20％；法国59台核电机组，占其总发电量的80％；日本有55座核电站，占总发电量的30％以上。在欧洲某些地区，这个数字还要高得多。就核电站提供的电力在电力生产方面所占的百分比而言，立陶宛最高（85.9％），其次是法国（77.4％）、比利时（57.2％）、瑞典（52.4％）、瑞士和斯洛伐克（44.5％）、乌克兰（43.8％）。

但是，核电站的发展也存在一些不容忽视的问题。例如，如何处理核反应堆生产的半衰期很长的放射性废弃物，就是一个很大的问题。无论是把它们深埋地下或抛入海底，都不能说是万无一失的办法。特别是在废弃物越来越多的情况下，其包含的危险性更是不可忽视，而1986年前苏联切尔诺贝利核电站大爆炸事故和2011年3月日本福岛第一核电站核泄漏事故，更是引起了世界各国的广泛关注。因此，某些国家近年来出现了反对兴建核电站的呼声。

我国的核电发展起步较晚，但也已取得可喜的成果。1991年12月15日，我国第一座自行设计、自行建造的30万千瓦、位于浙江海盐县境内的秦山核电站与华东电网并网发电成功。这标志着秦山核电站投入试运行，中国和平利用核能取得重大成就。中国大陆至此结束了“有核无能”的历史。1994年，从广东又传来喜讯：1994年2月7日，大亚湾核电站1号机组投入商业运行，核电进入香港的千家万户。同年5月6日，2号机组投入商业运行，大亚湾核电站全面建成，投产发电量达到47.2亿千瓦·小时。秦山、大亚湾两座核电站的建成，是自力更生的结晶，改革开放的结果。它昭示着中国核工业的发展实现了新的飞跃。清华大学低温核供热堆的建成，又开辟了一条“以核代油”的途径。自1999年以来，我国又相继建成了田湾核电站和岭澳核电站，中国大陆地区第一个在海岛上建设的核电站——福建宁德核电站也于2008年2月18日正式动工。截至2011年3月，中国已有6座核电站13台机组投入商业运行，装机容量为1080.8万千瓦；正在建造的共有28台机组，装机容量为3087万千瓦。中国已成为世界在建核电机组规模最大的国家。预计到21世纪中叶，核电将在我国电力生产中发挥主要作用。

核聚变——取之不尽的清洁能源

1942年12月2日，旅美意大利籍科学家费米领导的小组，建成了世界上第一座核反应堆，揭开了连续释放裂变中子和蕴藏在易裂变原子核铀—235中的巨大能量之谜，首次完成了可控裂变链式反应实验，并因此开始了可控的核能释放。从此，人类开始迈进核能和核技术应用的时代。

从目前的应用状况和发展趋势看来，核能源可分为三代：第一代为热中子反应堆，第二代为快中子反应堆，第三代即未来的核聚变反应堆。

现在世界上的核电站都是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的。此类电站的核心是核反应堆，它是一个能维持和控制核裂变反应的装置，在这里实现核能—热能转换。反应堆工作时放出的热能由一回路系统的载热剂（冷却剂）带出，用以产生蒸汽。流过堆芯的热水压力保持在122×10⁵~162×10⁵帕，使它加热到300~330℃的高温也不会沸腾。这种水既作慢化剂，又作冷却剂。它把从堆芯取得的热量，带到热交换器（蒸汽发生器）内传给二回路的水，然后借助主循环泵又回到堆内。而热交换器二回路水产生的饱和蒸汽带动汽轮发电机发电（图4-2）。整个一回路系统被称为核蒸汽供应系统，也称核岛，它相当于常规火电厂的锅炉系统。由蒸汽驱动汽轮发电机组发电的二回路系统，与常规火电厂的汽轮发电机系统基本相同，也称常规岛。

核反应堆的种类有多种，按引起裂变的中子能量分为热中子反应堆和快中子反应堆。热中子的能量在0.1电子伏左右，快中子则是指裂变反应释放的中子，平均能量为2兆电子伏左右。热中子更容易引起铀-235的裂变，因此热中子反应堆比较容易实现和控制。目前大量运行的是热中子反应堆，其中需有慢化剂，通过它的原子核与快中子弹性碰撞，将快中子慢化成热中子。慢化剂目前用的是水、重水或石墨。堆内还有载出热量的冷却剂，目前冷却剂有水、重水、氦等。核反应堆的起动、停堆和功率控制依靠控制棒。它由有强吸收中子能力的材料（如硼、镉等）做成。用来保证核反应堆安全停堆常用的安全棒，也是由这些强吸收中子材料做成的。热中子堆的燃料有天然铀（铀-235含量0.07％）和稍加浓铀（铀-235含量3％左右）。所谓热中子链式反应堆，就是利用核燃料铀-235原子核和热中子相遇发生裂变，放出能量，同时又产生两个以上的新的高速中子。这些新释放的中子经过慢化（减速），损失能量后又转化成热中子。在慢化过程中，除去各种原因损失的外，这些中子如能至少剩下一个，它就又可以和另一个铀-235核作用产生裂变，放出能量。如此周而复始地持续进行下去，就是裂变的链式反应。在链式反应中核能不断释放，1千克铀裂变释放的能量约等于2700吨标准煤全部燃烧所释放的能量。

图4-2　压水堆核电站示意图

根据慢化剂、冷却剂和燃料不同，可将热中子反应堆分为多种类型：轻水堆（用轻水作慢化剂和冷却剂，稍加浓铀作燃料，它包括压水堆和沸水堆）、重水堆（用重水作慢化剂和冷却剂，天然铀作燃料）、石墨气冷堆（用石墨作慢化剂，CO₂或氦作冷却剂，稍加浓铀作燃料）、石墨水冷堆（用石墨作慢化剂，轻水作冷却剂，稍加浓铀作燃料）。目前运行的核电站以轻水堆（主要是压水堆）居多。由于压水堆具有安全、清洁、经济等诸多优点，所以它在世界核电站中所占比重极大，且预计到21世纪初期仍将处于主要地位。我国已建和准备建造的几座核电站都是压水堆。

热中子反应堆主要是利用天然铀内的少量铀-235，以及在反应堆内生成的少量钚-239。因此热中子堆仅利用了天然铀中2％左右的铀，世界上已探明的铀资源难以保证核能的长期大规模利用。为了节省铀，人们开始研究第二代核能。

第二代核能是利用快中子的链式反应。快中子反应堆主要由快中子维持链式反应，以液态钠作冷却剂，并用热堆的副产品工业钚作裂变燃料（即用快中子轰击铀-238，发生核反应产生钚-239）。这种反应堆运行时，易变核所产多于所耗，也就是裂变燃料越“烧”越多，故称快中子增殖反应堆。其真正消耗的是铀-238，而且原则上除损耗外，铀-238均能在快中子增殖堆中转换成钚而得以利用，从而把天然铀的利用率提高到60％~70％。因此，快堆在核能利用战略布局中，占有十分重要的地位，许多发展核能的国家都很重视快堆的发展。目前，国外已建成商业规模的示范堆。我国也已将快中子堆的研究开发工作列入“863”高技术发展计划中。

第三代核能源，就是通常所说的受控核聚变反应。核聚变是两个或两个以上的较轻原子核〔如氢（H）的两种同位素：氘（D）和氚（T）〕，在超高温等特定条件下聚合成一个轻重的原子核〔如氦（2H⁴_e）〕，同时释放出巨大能量。因为这种反应必须在极高的温度（大约要1×10⁸℃以上）下进行，所以叫热核反应。据计算，核聚变反应所放出的能量为核裂变反应的3倍多。在人工控制下的聚变为受控聚变。在受控聚变的情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆或聚变堆。核聚变的燃料——氘可以从河水或海水中提取。从1千克海水中提取的氘，通过聚变反应能产生相当于300升汽油的能量。地球上的汪洋大海里含有的氘多达数十万亿吨，若将海水中所有的氘核能都释放出来，足够人类使用数百亿年，真可说是一种无穷无尽的持久能源。此外，核聚变反应堆运行的安全性也高于裂变反应堆。现在，技术先进的国家，都在竞相研究可控热核反应，以期建成热核聚变反应堆。最近，设在英国牛津郡的欧洲联合核聚变实验室，第一次成功地进行了持续时间2秒钟的受控核聚变反应实验，产生了大约1.7兆瓦的电力，这是人类向获得安全的、取之不尽的能源迈出的重要一步。当然，离实用还有相当大的差距，技术上也还有许多难题需要解决。科学家预测，受控聚变反应堆核电站在21世纪下半叶可望能商用。到那时，人类有可能摆脱能源受限的约束，走向一个能源富足的时代。

用途广泛的核技术

核能与核技术的应用，是20世纪最激动人心的科学成就之一。如同原始人学会用火以及18世纪人们发明蒸汽机那样，核能与核技术的出现使整个人类的生活和生产发生了深刻的变化，对人类社会的发展进步产生了深远的影响。

自20世纪50年代初世界上第一座核电站建成之后，核技术的应用出现了前所未有的高潮：核动力客轮下水、原子破冰船首航、辐射育种、辐射不育技术消灭病虫害、放射性免疫测定技术的建立等等像雨后春笋，竞相问世，并转向解决紧迫的社会问题、技术问题及生物医学中的问题。例如环境污染与保护、海水淡化、能源开发、生物工程、疾病的诊断与治疗等等。到了70年代，核技术已在许多方面形成了新兴的产业。进入80年代以后，随着计算机、微电子技术以及其他新材料、新技术的长足进步，使核技术出现了新的发展潮流，其应用范围也越来越大。

核能最重要的应用领域是核能发电和核动力装置。核能发电的巨大优越性已逐步被人们所认识。从能源发展的角度看，核电将逐渐成为电力工业的一个重要支柱。核动力装置的利用则可使交通运输领域产生革命性的变革。核能舰船组成的远洋船队可以在水上游弋几十年而不用补充燃料。如果能把反应堆做得足够小，并能解决防护问题，就能生产出核能汽车、核能坦克、核能火车、核能飞机，甚至出现用核动力驱动的航天器。90年代初，俄、美科学家首次向外界透露，他们已在研制核动力火箭方面取得重大进展，可望将人类未来飞往火星的星际旅行时间缩短一半。据报道，人类飞往火星所需的星际旅行时间在运用液态氢的情况下大约需要500天，如果采用核动力火箭，则可以缩短到300天左右。利用核裂变反应得到的核动力，还可用于推动动力机械、海水淡化处理、煤的气化和液化、建筑物供热采暖、空调制冷及热水供应等。

此外，核技术在工业、农业、医疗、环境等领域也有广泛的应用。例如，在医学中，反应堆产生的多种放射性核素可用作诊断和治疗的有效手段。现已建立的核医学诊断方法达上百种。中子诱发的核反应可产生射线和粒子，它们均可用于治疗癌症。被称作无刀手术的“伽马刀”就是将射线聚焦于癌症部位，利用辐射抑止恶性细胞的生长。在农业方面，核技术可用于改造、革新传统农业。近年来，我国将核辐射和同位素示踪技术应用于农、林、牧、副、渔业，先后取得700多项重要成果，在很大程度上促进了粮、棉、肉、奶的全面增产。在工业生产中，利用中子可对半导体材料进行中子衰变掺杂。目前，这一技术已在硅太阳能电池、大功率硅半导体器件、高能粒子探测器、硅靶摄像管等的研究与生产中得到应用。中子照相技术是一种新的无损检验方法，它可以弥补X射线和射线照相的不足之处，进行一些复杂环境中的“金属探伤”工作，如用于检验飞机、航天飞机、火箭等大型设备中零部件的结构状况和质量等。核技术还是石油工业中勘探和开发油田的有力武器。例如，地下核爆可用于采油；同位素和核辐射能获取地层和油井、油管中的油、气信息；核能供热能替代油田生产与生活取暖中自我消耗的大量原油和天然气等等。

总之，核能和核技术已进入社会生产生活中，产生了良好的经济效益和社会效益。在未来的岁月里，核能与核技术将会更加成熟，还将显示更为辉煌的应用前景。