韓延福

摘 要：原子能也稱核能，是通過核反應(yīng)從原子核中釋放的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2。原子能除了能運用于軍事領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域同樣可以大顯身手。比較直接的使用方法有發(fā)電、直接供大型機械裝置使用、生產(chǎn)放射性同位素三種。

關(guān)鍵詞：原子能 E=mc2 核電 和平利用 放射性同位素

中圖分類號：D815 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）11-0-01

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，原子能已經(jīng)不再是軍用領(lǐng)域、高端科技的專利，自1951年加利福尼亞州海邊希平港建成世界上第一座試驗性核電站至今，核電作為新型的能源在迅速地發(fā)展。除了發(fā)電，原子能同樣可以用作大型機械的動力來源，如核動力破冰船。此外，產(chǎn)生原子能的反應(yīng)堆同時可以生產(chǎn)元素同位素應(yīng)用于醫(yī)用領(lǐng)域。

一、原子能簡介

原子能是指原子核里的核子——中子或質(zhì)子，重新分配和組合時釋放出來的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc?。公式中的E指能量，m指質(zhì)量，c指光速。由于光速十分快，所以僅僅需要一點點的質(zhì)量，就會產(chǎn)生龐大的能量。原子能目前主要有兩種，聚變能與裂變能。當今的核燃料主要是鈾，1公斤鈾原子核全部裂變釋放出來的能量約等于2700噸標準煤燃燒時所放出的化學能。地球上的鈾主要分為鈾-238和鈾-235，占比分別為99.7%和0.3%，鈾的儲量很低，適合開采的總量約為100萬噸，且分布極不均勻。按照世界上目前的消耗來看，幾十年就可以消耗完。但是在海洋這個巨大的寶庫中，含有極為豐富的鈾資源。據(jù)估算，海洋中含鈾達45億噸，是陸地總儲量的幾千倍，但是海水中的鈾含量是很低的，1000噸的海水中含有3克鈾，也就是說，1千克的鈾，需要處理33萬多噸的海水。值得一提是原子能同石油一樣是不可再生能源，它們的不同在于原子能是清潔能源。

二、原子能的和平利用

1.核電

提到原子能，核電站絕對是人們第一個想到的和平利用方式。自1954年蘇聯(lián)在莫斯科西南奧布寧克斯建成第一個核電站以來，核電成為了人類能源來源的重要組成部分。據(jù)國際原子能機構(gòu)在2011年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球運行中的核電機組共計442個，興建中的核電機組65個，核電發(fā)電總量占全球電量的16%。核電占據(jù)法國發(fā)電總量的80%，是法國電力的主要來源。據(jù)2016年數(shù)據(jù)，我國目前運行中的核電機組共計34臺，數(shù)量上僅次于美國、法國、俄羅斯，位列全球第四；在建核電機組20臺，穩(wěn)居世界首位，占全球在建核電機組數(shù)量的40%，是世界上核電發(fā)展最快的國家。

核電站的原理基本與火力發(fā)電站相同，核電站以核反應(yīng)堆來代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應(yīng)堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，使核能轉(zhuǎn)變成熱能來加熱水產(chǎn)生蒸汽。利用蒸汽通過管路進入汽輪機，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，其發(fā)電機組和火力發(fā)電站大同小異，奧妙全在核反應(yīng)堆中。核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實現(xiàn)大規(guī)?？煽刂屏炎冩準椒磻?yīng)的裝置，主要分為四類：沸水堆、壓水堆、重水堆和快堆。其中快堆與前三種不同，前三種對核燃料鈾的利用率只有1%-2%，快堆可以達到60%-70%，但快堆的技術(shù)相較于前三種還不完善。

核電的優(yōu)點有很多，如不會產(chǎn)生溫室氣體、能量密度極高、燃料體積小、運輸儲存都比較方便等。1000百萬瓦的核電站一年僅需30噸的鈾燃料，一航次的飛機或是一次汽車就可以運送。如果是燒煤發(fā)電站，一年所需原煤大概300萬-400萬噸，需列車2760輛。但是，我們也需要正視核電的缺點：核電站的熱效率低，相較于傳統(tǒng)電廠，將有更多的廢熱直接排放進大氣中；核電站的核燃料成本低，但是前期成本十分高；最關(guān)鍵的，核廢料尤其是高放射性的核廢料的處理一直是個很大很重要的國際性難題，運行中如果產(chǎn)生了事故，造成核泄漏，將對生態(tài)環(huán)境和民眾造成極大的威脅。歷史上曾有三次比較重大的核事故，分別是三里島事故、切爾諾貝利核電站爆炸和福島核危機，其中切爾諾貝利事故是歷史上最大的核事故。

2.核動力機械

除了大家熟知的核動力航母、核動力潛艇這種軍事領(lǐng)域核動力的應(yīng)用，其他領(lǐng)域內(nèi)核動力也發(fā)揮了很大的作用。破冰船是目前裝備核動力比較多的非軍用艦船。“北極”（Arktika）是世界上最大的破冰船，長134米，寬30米，排水量23000噸，安裝兩座反應(yīng)堆。Arktika是第1艘達到北極極點的水上艦船。核動力商船從上世紀60年代美國的Savannab建成以來，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，僅俄羅斯的破冰集裝箱船Sevmorput獲得成功。與同尺寸的常規(guī)動力的商船相比，載貨量極低，船員數(shù)量卻高了2倍，加上培訓船員的費用，使用起來是不經(jīng)濟的。核動力驅(qū)動機械的原理基本與用于發(fā)電的原理相同，區(qū)別只是在于核電站的蒸汽輪機帶動發(fā)電機組，核動力艦船是帶動齒輪箱，傳動到螺旋槳。提到蒸汽輪機，有人戲稱人類對原子能的利用還停留在用它燒開水的地步。但這是有原因的，水是反應(yīng)堆良好的慢化劑和冷卻劑，也是人類使用最多的熱機工質(zhì)之一，自然大部分熱中子堆就變成燒開水的核鍋爐了。

3. 生產(chǎn)放射性同位素

一百年前天然放射性的發(fā)現(xiàn)， 引起了人類對宇宙認識和知識更新的一場偉大變革。放射性同位素的主要來源是核反應(yīng)堆和加速器。目前世界上的反應(yīng)堆中，大概有100多個反應(yīng)堆會用約5%多一點的時間生產(chǎn)一定量的放射性同位素，這之中多數(shù)由研究堆產(chǎn)生。放射性同位素目前的用處之多之廣，不熟悉的人了解之后肯定是相當吃驚的。它可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域，例如醫(yī)學、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學研究等。在醫(yī)學上同位素主要用于顯像、診斷和治療， 另外還包括醫(yī)療用品消毒、藥物作用機理研究和生物醫(yī)學研究?！胺暖煛边@個名詞許多人都應(yīng)該聽說過，這可能是大眾了解最多的一種放射性同位素的使用，主要用于治療癌癥。放射性同位素源源不斷地產(chǎn)生輻射，而這種輻射是低溫消滅真菌、細菌、病毒等微生物的首選方法。農(nóng)業(yè)上，昆蟲不育技術(shù)基于用X輻射使昆蟲不育（喪失繁衍能力），現(xiàn)已成功地用于鏟除損害谷物的昆蟲種類， 而對于人類健康和環(huán)境無任何副作用。科研上，同位素標記原子在遺傳研究中起著越來越重要的作用。

參考文獻

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