核能—高效安全未来之能

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1、核能—高效安全的未来之能上海交通大学电子信息与电气工程学院F1203025班童嘉俊摘要：在全球能源紧缺的大环境下，核能以其远超化石能源的清洁性以及相比新能源的技术成熟性获得了世界广泛关注。但是，在核危机影响下，核能发展受到阻碍。本文在详细介绍了核能的发电原理（包括核裂变、可控核聚变）的同时，分析了核事故的原因，并对公众对于核能的误解进行了澄清，阐明了核能利用的高效性与安全性。同时文章还举例分析了发展核能的利弊。本文旨在全面的阐述核能的特点，推动核能的广泛利用以解决当前社会所面临的能源危机并展望核能利用的未来发展趋

2、势。关键词：核能、安全、高效、核裂变、可控核聚变、托卡马克、惯性约束引言：在哥本哈根气候大会上，中国向世界作出承诺到2020年中国碳排放量将必2005年下降40%~45%。我国的新能源技术尚不成熟，而在最近十年内，我国核电发展的势头锐不可当，已然跃升为世界核电大国。因此，发展核能是当下兑现节能减排承诺的必由之路。十八大胜利召开后，受福岛核危机影响而被迫停止的核电项目审批在“安全高效”下谨慎重启。这标志着我国的核电事业以“高效安全”为准则审慎、快速地向高水平迈进，而核能也再次成了我国能源计划的重要内容。正文1.核能

3、原理概述1.1核能核能（又称原子能），是指通过转化其质量从原子核释放的能量。核能通过以下三种方式之一释放：1、核裂变：通过利用中子轰击等方法使重原子核（如，）分裂成多个轻原子以释放结合能的方法；2、核聚变：通过高温使轻原子（如，氕、氘）碰撞结合成重原子以释放结合能的方法；3、核衰变：自然界中慢得多的核裂变形式。当核子通过以上方式发生转变，其核子总质量会变小，这部分质量转化为能量，其能量转化符合爱因斯坦质能方程。1.2核裂变发电目前而言，由于核衰变速率慢，能量低，不受控制，以及受控核聚变技术尚未成熟等原因，核裂变仍

4、是当前社会核能利用的主流。目前核电发电原理为可控制裂变链式核反应：用中子轰击使之裂变，裂变新产生更多中子从而使核反应继续下去，形成核链式反应使原子核内的能量源源不断的释放出来。图1.2.1核链式反应示意图利用原子核链式反应原理建造的反应堆需将裂变时释放出的中子减速后，再引起新的核裂变，由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态，这种中子被称为热中子，热中子更容易引起铀－235等裂变。堆内主要由热中子引起裂变的反应堆叫做热中子反应堆（简称热堆）。核电站反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物

5、质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水（普通水）、重水、二氧化碳和氦气。核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成。反应堆是核电站的核心。反应堆工作时放出的热能，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。图1.2.2核电站工作原理示意图1.3可控核聚变1.3.1核聚变的难点核聚变的条件比较苛刻：a.聚变的燃料氘需要被加热到很高的温度，因为氘核都带正电，只有足够高的温度才能够

6、让两个氘核具有很大的热运动动能，足以克服它们之间的静电斥力，达到核力作用范围，产生大量核聚变。（据估算，温度需达到1亿摄氏度。在如此高温下，氘完全电离，处于等离子气状态。）b.高温等离子体还需有足够的密度，并持续足够长的时间。这样才能达到反应自持，并获得能量增益。因此，要达到核聚变要求就必须要有可以在较长时间内承受1亿摄氏度高温的材料作为容器。而且，该材料必须有很好的隔热性能，因为用隔热性不好的材料做容器会导致等离子气体的温度下降过快，难以做到持续输出聚变能。而这样的材料目前尚未找到。因此核聚变之路在很长一段时间

7、内停滞不前。而高温等离子体的约束也成了实现核聚变的关键课题。1.3.2托卡马克磁约束装置①原理：带电粒子在磁场中运动可分为两部分：垂直磁力线方向上做Larmor运动，沿磁力线方向（均匀磁场）则可以自由运动。因此，除非受到其他作用，带电粒子是不会离开磁场约束的。所以，磁场可以将等离子体与周围物质隔开。图1.3.2.1磁场约束带电粒子示意图②托卡马克基本结构：它主要有产生等离子体电流的变压器（铁芯或空芯）、产生纵向磁场的线圈、控制等离子体柱平衡位置的极向场线圈和环形真空室组成。利用与上文相似的原理，将等离子体约束在环

8、形磁场中。内线圈（产生极向磁场）极向磁场环形磁场线圈（产生环形磁场）铁芯外线圈（产生极向磁场）图1.3.2.2托卡马克基本结构图1.3.2.3托卡马克磁场示意图③磁约束发展：50’s:建立了最初的小型磁约束装置60’s:建立了成功的托卡马克装置70’s:建立了中型尺寸的托卡马克装置80’s:建立了大型的托卡马克90’s:达到了聚变功率的是相当的水准2006年:协议建造国际