原子能技術

原子能技術

核子彈秘史

原子能技術在電力方面的套用

一、核電產生及利用現狀
1951年美國首次在愛達荷國家反應堆試驗中心進行了核反應堆發電的嘗試，發出了100千瓦的核能電力，為人類和平利用核能邁出了第一步．此後不久，1954年6月，原蘇聯在莫斯科近郊粵布寧斯克建成了世界上第一座向工業電網送電的核電站，但功率只有5000kW．1961年7月，美國建成了第一座商用核電站——楊基核電站．該核電站功率近300MW，發電成本降至9.2美厘／度，顯示出核電站強大生命力．今天，一些經濟發達的國家．由於經濟的高速發展與能源洪應的矛盾日趨突出，同時，傳統的能源工業造成的環境污染及溫室效應嚴重威脅人類生存環境，因此，不僅缺乏常規能源的國家如法國、日本、義大利等發展核電站，而且常規能源煤、石油、水電等非常豐富的國家如美國、加拿大等也在大力發展核電站．截止1995年全世界運轉的核電站總數達438座．其中美國運轉的核電站總數達109座，核發電量創下6730億千瓦小時的最高記錄，在美國電力生產中核電比例達22．5%．法國核發電量比前年增長4.9%，達3580億千瓦小時，運行中的56座核電站發電量占全國總發電量76%，而且去年出口核電達700億千瓦小時．核電已成為法國第六大出口產品．日本，由於其常規能源資源短缺，對核電的開發大為重視，目前運轉中的51座核電站，供應全國28%的電力總需求，而且日本有關部門計畫到2000年將核電量提高33%．
二、核電的優越性
核電迅速發展，是由核電自身的優越性決定的．
核電是濃集、清潔、安全和經濟的能源．首先，核能是高度濃集的能源，核電站可建立在最需要用電的地方，不受燃料運輸的限制．l公斤鈾裂變產生的熱量相當於1公斤標準煤燃燒後產生熱量的270萬倍．因此，核電站特別適合於缺乏常規能源而又急需用電的地區，如我國的東南、華南地區．核能是後備儲量最豐富的能源，鈾在地球上的儲量相當豐富，等於有機燃料儲量的20倍．
核能是清潔的能源，有利於保護環境目前，世界上80%的電力來自燒煤或燒油的火力發電站，燃燒後的煙氣排放到大氣中嚴重污染環境．相同規模的火電站釋放出的放射性比核電站大幾倍．煤燃燒後排放的一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和苯並芘，容易形成酸性雨，使土壤酸化，水源酸度上升，對植物及水產資源造成有害影響，破壞生態平衡，苯並芘還是一種強致癌物質．一個成年人每天要呼吸約14公斤的空氣，火電站污染造成的死亡幾率是相同規模核電站的400倍．同時大氣中二氧化碳濃度增加還導致大氣層的“溫室效應”．另外，煤和石油又是重要的化工原料，大量燒掉十分不利於化學工業的發展，是十分可惜的浪費．
核能又是安全的能源經過幾十年的發展和完善，核電站已成為最安全的部門之一．我國核工業30多年的安全記錄就是良好的佐證．一座反應堆運行一年稱為一堆年，三里島事故之前，全世界商用核電站已運行了1400堆年．三里島事故後到1986年又安全運行2000堆年以上．三里島事故是鑒於設計、管理、操作與設備的缺陷交織在一起而造成的十分罕見的事故，只要其中任何一個環節的問題得到排除，就不可能出現這樣的後果．事故後果也沒有輿論宣傳的那樣嚴重，事故中主要安全系統全都自動投入，有專家認為這從反面證實了核電站的安全性．1986年4月蘇聯車諾比核電站又出現了重大事故，專家們認為原蘇聯核電站特別是早期的，安全設施較差，沒有安全殼．而事故的直接原因是由於在進行某一試驗時違反操作規程，導致信號指示和控制系統沒有起作用．如今國際原子能機構和各國的國家安全部門都建立了一系列的安全法規和準則，對核電站的安全進行了嚴格的管理．
特別指出的是，我國1989年11月建成的由清華大學核研院設計的5兆瓦低溫核供熱反應堆，是世界上第一座投入運行的核供熱堆，也是世界上第一堆採用新型水力驅動燃料控制棒系統的核反應堆．這種反應堆設計有壓力殼和安全殼．具有雙重安全螢幕障、安全可靠，已運行5個冬季，未發現任何事故．據監測，5兆瓦低溫堆向大氣中排放出的放射性物質所造成的危害，只相當於吸一支香菸所造成的危害的1／400，放射性污染是極其微小的．
核能也是經濟的能源．世界上已運行核電站的經驗證明，儘管它的造價比火電站高30—50%，但由於燃料費和運輸費較低，它的發電成本仍比火電約低30%，而且隨著核電站的技術不斷完善和提高，成本還將繼續降低日本能源經濟研究所預測，至2010年日本的核電成本為8.9日元／千瓦小時，而煤電和油電成本分別為10.45日元／千瓦小時和13.06日元／千瓦小時因此，有專家們預計，在未來的城市集中供熱工程中，逐步採用低溫核供熱技術是必然趨勢。
三、核反應堆與核電站
能維持可控自持核裂變鏈式反應的裝置稱為核反應堆．
原子能工業是在第二次世界大戰期間發展起來的．當時全力製造核武器以滿足軍事需要．50年代以來，原子能用於和平事業有了飛速發展，所以核反應堆類型和數量增多．按照核反應堆的用途分類，大體可分為下列幾類：
(1)生產堆．主要用於生產易裂變材料和其他材料，或用於工業規模的輻照，稱為生產堆．50年代建成的第一批石墨水冷堆和天然重水堆，都是生產軍用239Pu，也就是使天然鈾中大量的238U在堆內吸收中子轉化成239Pu．239Pu是一種易裂變物質，可用作核武器原料，此外，還可把Li放在堆內受中子輻照而產生氚（H），氚是氫彈的重要原料．
(2)試驗堆．主要是為取得設計或研製一座反應堆或一種堆型所需的堆物理或堆工程數據而運行的反應堆．例如用於核物理、放射化學、生物、醫學研究和放射性同位素生產等，也可以用於反應堆元件、結構材料考驗以及各種新型反應堆自身的靜、動態特性研究等等．
(3)用於生產動力（發電、推進、供熱）的反應堆稱為動力堆，如核電站、核供熱、核潛艇等所用的反應堆就是這種類型．目前常用的動力堆型分為四大類：
a．石墨氣冷堆——包括最早的鎂諾克斯堆，改進型氣冷堆及高溫氣冷堆．該反應堆是以石墨為慢化劑，氣體作冷卻劑的堆型．鎂諾克斯（Magnox）堆以天然鈾為燃料，燃料包殼是鎂諾克斯鎂合金，用二氧化碳冷卻．鎂諾克斯進一步發展為高溫氣冷堆（HTGR）．它以氦為冷卻劑避免了CO2對石墨的腐蝕作用，取消了用金屬材料製成的燃料包殼，其燃料是碳化鈉及碳化針混合物的顆粒（100—400μm），燃料顆粒彌散在石墨中，製成燃料元件，裝入石墨砌塊的燃料孔道中．由於以上措施，大大提高了中子的經濟利用及運行溫度，致使高溫氣冷堆熱效率提高40%以上．此外高溫氣冷堆燃料中的釷是增殖原料，它可使反應堆獲得較高的轉換比目前我國清華大學核研院對高溫氣冷堆的研究取得了一系列重大成果．
b．輕水堆 輕水堆有兩種類型，一是沸水堆，一是壓水堆．兩者均用輕水作慢化劑兼冷卻劑；用低富集度二氧化鈾製成芯塊，裝入鋯合金包殼中作燃料，沸水堆不需另設蒸汽發生器、但由於蒸汽帶有一定的放射性，對汽輪機的廠房要禁止，同時對檢修增加了困難．據統計，當今核電站的80%為壓水堆．我國秦山一期和大亞灣核電站均屬此類．“九五”期間秦山二期工程、廣東核電站以及遼寧核電站也將採用壓水堆．
c．重水堆 重水堆是以天然鈾作燃料，以重水堆作慢化劑的堆型．它是加拿大重點發展的堆型，以坎都（CANQL）型為代表．由於它用數百根壓力管代替整體的壓力容器，壓力管可以成批生產，易於保證質量，在擴大堆容量時只須多加壓力管數，有利於標準化．壓力管內，可以實現不停堆裝卸料．這樣可控制各燃料棒束達到均勻的燃耗深度，有利於充分利用燃料，減少停堆時間，提高反應堆的有效利用率．而且重水堆採用天然鈾為燃料，無需設立濃縮鈾工廠，對分離能力不足的國家，發展此種堆型特別有利．我國“九五”期間，秦山核電三期工程將引進加拿大的重水堆．重水堆所用重水價格昂貴，防止泄漏及回收泄漏出的重水是一個特別棘手的問題．
d．鋼冷快堆鈉冷快堆就是鈉冷卻快中子堆在核能發電問題上，必須考慮增殖問題，否則對核燃料資源的利用是極為不利的．增殖堆的採用，可以將核燃料資源礦大數百倍快堆是利用中子實現核裂變及增殖．而前述石墨氣冷堆，輕水堆和重水堆，都是熱中子堆．對每次裂變而言，快堆的中子產額高於熱中子堆，且所有結構材料對快中子的吸收截面小於熱中子的吸收截面這就是實現增殖的原因．
鈉冷快堆用金屬鈉作冷卻劑．鈉在98℃時熔化；883℃時沸騰，具有高於大多數金屬的比熱和良好的導熱性能，而且價格較低，適合用作反應堆的冷卻劑．
國際快堆的發展已有較長的歷史，據報導，1995年8目29日，日本文殊28萬千瓦快堆以5%的額定功率——l.4萬千瓦併入電網．我國開發快堆技術始於60年代中後期，已取得豐碩成果．1987年底已將快堆納入“863”高技術研究計畫，計畫2015年建成並推廣單推功率100—150兆瓦的模組式快堆電站到2025年建成和推廣增殖性能的1000—1500兆瓦的大型快堆．
不同類型的核反應堆，相應的核電站的系統和設備有較大的差異．以壓水堆為例，核電站是由核反應堆、一迴路系統、二迴路系統及其他輔助系統組成．核反應堆是核電站動力裝置的重要設備，同時，由於反應堆內進行的是裂變反應．因此它又是放射性的發源地．一迴路系統由反應堆、主循環泵、穩壓器、蒸汽發生器和相應的管道、閥門及其他輔助設備所組成，它形成一個密閉的循環迴路，將核裂變所釋放的熱量以水蒸汽形式帶出．二迴路系統是將蒸汽的熱能轉化為電能的裝置，並在停機或事故情況下，保證核蒸汽系統的冷卻．輔助系統的主要作用是保證反應堆和迴路系統能正常運行，為一些重大事故提供必要的安全保護及防止放射性物質擴散的措施．
我國的原子能科學技術，雖然起步晚，但經過30多年的努力，已具有雄厚的基礎．60年代以來，我國成功地爆炸了核子彈、氫彈和研製成核潛艇．至今，原子能開發利用技術已達到一定的水平，它為核電的建設打下了良好的基礎1991年12月15日，我國自行設計的秦山核電站一期工程30萬千瓦壓水堆機組併網發電成功．1993年底，廣東大亞灣核電站已經成功運行．1995年，秦山核電站發電22億千瓦時，大亞灣核電站已超額完成了100億千瓦時的發電任務，這樣，我國在1995年核發電已達到122億千瓦時
四、壓水堆棒形核燃料元件
核反應堆堆芯結構是反應堆的核心構件，在這裡實現核裂變反應，核能轉化為熱能；同時它又是強放射源．堆芯由核燃料組件、控制棒組件等組成．現代壓水反應堆的燃料是採用低濃鈾（鈾—235的濃縮度約為2一4%）作核燃料．
核燃料元件製造的第一大工藝過程是在比工車間裡生產為滿足一定性能要求的二氧化鈾粉末．我國目前採用技術上較成熟的ADU（重鈾酸銨）法製取二氧化鈾粉末．主要過程是將六氟化鈾汽化，經水解生產成氟化鈾銑（UO2F2），在通有氨水的沉澱槽轉化為ADU粉末．經氫氣還原為二氧化鈾第二大工藝過程是將二氧化鈾粉末壓製成粗塊，經燒結、磨削成一定性能要求、一定尺寸和規格的圓柱形二氧化鈾芯塊．在經裝配車間把二氧化鈾芯塊和長棒形空鋯管裝配成核燃料元件棒，並且棒內充入一定量的氦氣，兩端密封；然後，按一定的排列方式排列成正方形或六角形的柵陣，中間用幾層彈簧夾型的定位格架將元件棒夾緊，上下兩端固定骨架構件上下管座，構成棒束型的燃料元件．
我國具有核元件的自行設計和製造能力，1994年，我國核工業總公司國營八一二廠成功地從法國傑馬公司引進了大型核燃料元件生產線秦山的首爐燃料、首爐換料和大亞灣核電站的首爐換料大部分由該廠生產．從它們運行的數據來看，國產元件質量是可靠的．
五、新科技及前景展望
人們對核電站使用的擔心集中在核安全問題上，如：核燃料的放射性，運行中的核事故，以及核廢料處理等1979美國的三里島核事故與1986年原蘇聯車諾比事故導致一些人對核電的恐懼心理，給和平利用核能蒙上陰影，經專家事後分析，三里島事故和車諾比事故都在很大程度上是人為因素造成的．核能技術發展至今，已進入成熟階段，尤其採用快中子增殖反應堆，既可提高核電站的安全係數，又較少產生核廢料，而且所產生核廢料較容易處理此外，這種反應堆還可少量處置老式反應堆產生的核廢料，在燃燒過程中銷毀老式反應堆產生核廢料中放射性的鈽及錒系元素．有關專家認為．此種反應堆具有很高的運行可靠性和安全性，並是目前銷毀部分核廢料的最佳方法．目前，國際核能界正致力發展快中子增殖堆（簡稱快堆）．此種反應堆運行時，一方面消耗核燃料，產生熱能而發電，另一方面產生新的核燃料鈽，並且產出大於消耗、這樣，天然鈾的單位消耗降低到原來的1／5—1／10．並保持核能的經濟性；同時最主要是依靠核燃料、冷卻劑、放射性廢物及核工藝的其他組份所固有的基本物理化學性能和規律來消除事故，這將是人類“第二個核時代”的主要內涵．
目前世界上尚有14個國家在修建38座核電站．這一事實表明，隨著世界“能源危機”的加劇，生態環境的進一步惡化，利用清潔、安全的核能將是人類不可迴避的課題

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原子能科學技術 Atomic Energy Science and Technology

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原子能組織——國際原子能機構

如今，全世界幾乎16%的電能是由441座核反應堆生產的，而其中有9個國家的40%多的能源生產來自核能。在這一領域，國際原子能機構作為隸屬聯合國大家庭的一個國際機構，對和平利用、開發原子能的活動積極加以扶持，並且為核安全和環保確立了相應的國際標準。
國際原子能機構起源於美國總統在1953年12月8日向聯合國大會提出的一項建議，他建議成立一個專門致力於和平利用原子能的世界組織。大會在1954年12月4日一致贊同這項建議的總的精神。
l956年l0月23日在聯合國總部舉行的一次會議上，一致通過了原子能機構的規約。在三個月內，有80個國家在規約上籤字。隨著規約必要數目的批准書的交存，該機構於1957年7月29日依法正式成立。
原於能機構的職能是“設法加速並擴大原子能對全世界和平、健康及繁榮之貢獻”並“就其所能，確保由其本身、或經其請求，或在其監督或管制下提供之協助，不致用以推進任何軍事目的。”
為達到這個目的，原子能機構援助包括電力生產在內的和平利用原子能的研究和實際套用，對於欠發達地區給予特別的照顧。它充任該機構成員國之間提供勞務式供應材料、裝備或設施的中間人，促進科學和技術情報的交換，鼓勵科學家和專家的交流和訓練。原子能機構還制定並執行保障措施，以確保由原子能機構本身或通過原子能機構所提供的裂變物質和其他材料、勞務、裝備、設施和情報不致用於推進任何軍事目的；它制定安全標準，並規定這些標準的套用範圍。
原子能機構由大會、理事會和秘書處組成。大會由全體成員國組成，每一成員國有一個投票權。正常情況下，大會每年舉行一次會議，除財政問題、修改規約和停止成員國資格等事項需經三分之二的多數決定外，其他問題一律以多數表決之。理事會由35個根據地區分配或技術專長指定或選舉的理事國組成。它行使原子能機構法定的職能，除某些特定的事項例如預算需要經三分之二多數票決定外，其他事項均由多數票決定。理事會大約三個月舉行一次會議，而所屬委員會則經常舉行會議。任何國家不論是否聯合國的會員國或任何專門機構的成員國，經理事會推薦由大會批准入會後交存對原於能機構規約間接受書，均可成為該機構的成員國。
國際原子能機構的作用相當於一個在核領域進行科技合作的政府間中心論壇。作為一個協調中心，該機構的設立便於在核安全領域交換信息、制訂方針和規範以及應有關政府之要求提供如何加強核反應堆安全和避免核事故風險的方法。國際原子能機構還在旨在確保核技術的運用以求可持續發展的國際努力中扮演重要作用。
隨著各國的核能計畫增多，公眾日益關注核安全問題，國際原子能機構在核安全領域的職責也擴大了。為此，國際原子能機構制訂了輻射防護基準標準，並就特定的業務類型頒布了有關條例和業務守則，其中包括安全運送放射性材料方面的條例和業務守則。依據《核事故或輻射緊急援助公約》和《及早通報核事故公約》，一旦發生放射性事故，國際原子能機構會立即採取行動，確保向成員國提供緊急援助。
國際原子能機構還對其他幾個核安全方面的國際條約擔負著保存任務。這些國際條約包括：《核材料實物保護公約》，《維也納核損害民事責任公約》，《核安全公約》以及《廢燃料管理安全和放射性廢物管理安全聯合公約》。最後一個公約是針對核安全問題的第一個國際性的法律文書。
國際原子能機構就各成員國實施原子能計畫提供援助和諮詢意見，並且積極推動各國就科技信息進行交流。該機構還幫助各國政府在水、衛生、營養及藥物和食品生產等領域和平利用原子能。這方面一個突出的例子是利用核輻射技術所開展的突變育種工作。通過這一工作，將近2000個新的優良作物品種業已開發成功。
當前，圍繞能源選擇的問題爭論不休。這場爭論的起因是國際社會試圖控制二氧化碳向大氣層的排放，因為二氧化碳進入大氣層導致了全球升溫。國際原子能機構強調核能的種種好處，認為作為一種重要的能源來源，核能不存在溫室氣體和其他有毒氣體排放的問題。
通過其設在維也納的國際核信息系統，國際原子能機構對幾乎所有核科學和技術方面的信息進行收集和傳播。國際原子能機構還與聯合國教育、科學及文化組織合作，在義大利東北部城市的里雅斯特設立了國際理論物理中心。該中心擁有三個實驗室，開展原子能基礎套用方面的研究。國際原子能機構還與聯合國糧農組織合作，開展原子能套用於糧食和農業生產領域的研究。該機構還與世界衛生組織合作，開展核輻射套用於醫藥和生物學領域的研究。此外，國際原子能機構在摩納哥還設有海洋環境實驗室。該實驗室得到了聯合國環境規劃署和教育、科學及文化組織的協助，共同對全球海洋環境污染的情況進行研究。