核能源,曙光乍现

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  元旦刚过,中国科学界公布了一项令人兴奋的消息:对核电的核废料再生利用,从而使核电成为无穷无尽的能源,过去约束核电发展的抗争可以有新的答案。
  在全球范围内,各国政府也视核电为主要的低碳能源,成为实现减排目标的主力军。2015年全球核电装机容量将达4 000万千瓦,而到2020年则可以超越8 000万千瓦,整个核电的未来10年总投资可能在1万亿元人民币,单单设备方面就创造了5000亿的市场。除新兴国家需要大力发展核电外,传统的西方发达国家尽管核电已经占不小份额,但并没有停止兴建核电的步伐。最近德国政府给核电站延寿,而瑞典国会也推翻了20多年前的全民公决,当年该公决要求逐渐废弃核电站。因此,核电的潜力绝对是新能源中最大的。目前中国的在建核电装机容量占全球在建核电装机容量中的比例超过40%。
  核能,最给力消息
  
  核能,是核裂变能的简称,是人类历史上的一项伟大发现。50多年以前,科学家在一次试验中发现铀235原子核在吸收一个中子以后能分裂,在放出2~3个中子的同时释放出-巨大的能量,这种能量比化学反应所释放的能量大得多,这就是我们今天所说的核能。
  核能的获得途径主要有两种,即重核裂变与轻核聚变。核聚变要比核裂变释放出更多的能量。例如相同数量的氘和铀235分别进行聚变和裂变,前者所释放的能量约为后者的3倍多。被人们所熟悉的原子弹、核电站、核反应堆等都是利用核裂变的原理。而要实现核聚变的条件要求很高,需要使氢核处于6 000摄氏度以上的高温,才能使氢核具有足够的动能实现聚合反应。
  当今,全世界几乎16%的电能是由441座核反应堆生产的,而其中有9个国家的40%多的能源生产来自核能。核能有巨大威力。1千克铀原子核全部裂变释放出来的能量,约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。一座100万千瓦的核电站,每年只需25吨至30吨低浓度铀核燃料,运送这些核燃料只需10辆卡车:而相同功率的煤电站,每年则需要300多万吨原煤,运输这些煤炭,要1000列火车。核聚变反应释放的能量则更巨大。据测算,1千克煤只能使一列火车开动8米:1千克裂变原料可使一列火车开动4万千米:而1千克聚变原料可以使一列火车行驶40万千米,相当于地球到月球的距离。
  传统的热反应堆对天然铀的利用率不到1%,使用率非常低。天然铀中,仅有0.714%的铀同位素——铀-235,能够在传统热反应堆中发生裂变反应释放能量,而占天然铀绝大部分的铀238却无法发生裂变反应。不过,铀238在吸收中子后,经过几次核衰变后,可以变成另一种可裂变的核材料——钚-239。只不过在传统热反应堆中,产生的钚-239的数量不足以抵偿消耗的铀-235。因此,传统-热反应堆运行一段时间后便会因为无法维持额定功率而更换核燃料,更换掉的“乏燃料”中含有大量的铀238和钚-239。这些“乏燃料”原来还有90%多的有效成分而被丢弃,当然是-可惜的。钚-239属于高放射性核废料,它的半衰期长达2.4万年。这些核废料的储存,令人头痛不已,不但要花费钱财,而且会对我们可爱的家园带来危险。
  
  新技术变废为宝
  
  现在好了,新技术可使原来的核燃料有效利用率提高60倍,而且可循环使用。中国科学家在核研究上取得重大技术突破:实现了核动力堆中燃烧后的核燃料的铀、钚材料回收。由于利用率的提高,相对较贫的铀矿有了开采的价值。以目前探明的天然铀储量推测,新技术的推广可以使原本50年就会枯竭的铀资源,可持续利用3000年以上。就世界范围而言,可采铀资源将因此增加上千倍。
  核电站发电,是通过核燃料在核反应堆中发生裂变反应,放出能量。和火力发电站要不断加煤一样,当核燃料维持不了一定的功率时,也需要更换。这些被换下来的核燃料组件,就叫做乏燃料。通俗地说,乏燃料类似于火力发电站中的“煤渣”。我国核燃料已经发展20多年,目前已经有13个建好的核电机组,每年都会产生大量的乏燃料组件,在没有掌握这项技术之前,只有一个处理办法——储存起来。
  有了新技术,科学家就可以把核燃料进行后处理,也就是通过一系列的化学过程把核电站没燃烧完的核燃料,还有新产生的核燃料提出来,再制成核电所需要的燃料元件。循环利用的原理听起来简单,操作却异常艰难。如何对这些有极强核辐射、对人体有致命伤害的元器件进行剪切、分离、提取、提纯等等,每一步都是难题。经过24年的研究,中国科学家终于突破了全套技术体系。
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