核能(电)今昔

　　据世界核能协会(WN A )统计，截至2012年11月，全球共有30个国家运行着436台核电机组，总装机容量为3 .74亿千瓦；13个国家正在建设62台核电机组，总装机容量为6300万千瓦；27个国家计划建设167台核电机组，总装机容量为1.82亿千瓦。2012年全球核电铀需求量为67990吨。

　　国际原子能机构2013年7月15日发表报告指出，2012年核电国家在加强核安全方面取得显著进展，但437座运行中的核反应堆机组中，有162座使用已超过30年，有22座使用超过40年。因此，核电站老化问题是有关国家面临的挑战。核能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)时所放出的巨大能量。因此，核能分别称裂变能和聚变能。

　　核电站是利用原子核裂变反应放出的核能发电的装置。其核心是核反应堆，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。

　　20世纪60年代，美国曾积极发展核能(电)业。1973年3月，美国三里岛压水堆核电站因操作失误等原因，发生堆芯熔毁严重事故，使美国核电业发展受到重创，美国核能(电)业陷入停滞。目前，美国有104座核反应堆，其中69座为压水反应堆，35座为轻水反应堆。奥巴马担任美国总统以来，一再强调美国将继续发展核能(电)业。2012年5月，美国核管理委员会批准南方电力公司两台A P1000核电机组的建设和运行许可证，装机容量均为110万千瓦，分别于2016年和2017年投入运行。这是30年来美国第一次建设新的核电站。

　　20世纪70年代后，石油价格上涨推动了核能(电)业发展，目前世界商业运行的核电机组大多数在此期间建成，称为第二代核电机组。俄罗斯是世界核能大国之一，拥有丰富的铀矿储量，掌握了从铀矿开采到发展核电整体技术。目前，俄罗斯国内运营核电机组32台，有500多家企业和机构、19万人员从事核能研发工作。2012年9月，俄罗斯国家原子能公司副总裁表示，俄罗斯计划将于2030年前再建38个核电机组。

　　为保证核电站安全运行，20世纪90年代，美国和欧洲先后出台了U R D文件和E U R文件，明确了提高安全可靠性和防范严重事故的要求。国际上通常把满足这两个文件的核电机组称为第三代核电机组。2000年1月，在美国能源部倡议下，美、英、日等十个有意发展核能利用的国家，联合组成“第四代国际核能论坛”，并于2001年7月签署合约，约定共同合作研发第四代核能系统。第四代核能利用系统，指安全性和经济性都更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具有防核扩散能力的核能利用系统，其商用化估计到2030年前后实现。

“弃核”还是“兴核”

　　世界核电产业发展很不平衡。据世界核能协会统计，截止2009年2月，全球运营的核反应堆共436座，核电装机总容量达371927M W e，约相当于全球电力装机总容量的8%。北美、欧洲和东亚的核能发电量占世界核能总发电量的98%。在拥有核反应堆的31个国家和地区中，美国、法国、日本三个国家的核能发电量、在役核反应堆数和装机容量分别占全球的58%、50%和57%。

　　进入21世纪以来，一些国家掀起核电站建设新热潮。2009年11月英国公布核能扩建计划，提出兴建10座核电站。日本经济产业省2010年3月19日公布的“能源基本计划”草案中心内容包括将核能发电作为“低碳电力资源的核心”，计划在2030年前至少新建14座核电站。韩国提出在2015年前，除在建的4台核电机组外，再建8座核电站，将核电占比提升至45%。

　　日本福岛核电站事故发生后，一些国家展开“弃核”还是“兴核”之争。日本陆地面积仅占世界陆地面积的0.1%，却集中世界每年发生地震的10%，不具备继续扩建核电站的自然条件，退出“核电大国”俱乐部在所难免。但日本国内缺少化石能源资源，去核电化将影响仍不景气的经济。

　　目前，欧盟境内共有143座核电站，分布在14个国家，其中，法国58座，英国19座，德国17座。核能发电量约占欧盟发电总量的1/3，满足其约15%的能源需求。欧盟理事会、各国政府和社会各界围绕核电政策争论激烈。2011年3月1德国总理默克尔宣布，关闭国内1980年以前建成的7座核电站，并在2020年前逐步关停所有核电站。瑞士继德国之后决定，逐步关停本国所有核电站。法国建立了大规模的核能工业体系，核电占法国发电总量的78%。法国则坚持发展核电，以确保能源可持续发展。

　　灾难与科学相伴

　　世界第一座核电站运行60多年来，已发生三次事故，越来越多的核废料储存也存在巨大隐患，特别是铀等资源能否保证供应，引起各方关注。从核裂变迈向核聚变是核电业发展大势所趋。

　　1934年，法国物理学家居里夫妇用a粒子轰击镁和硼的时候，产生了人工放射现象。1938年，德国科学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在居里夫人实验基础上，发现了核裂变反应。1942年12月，费米领导的科学家们在芝加哥大学体育场西看台下一个网球厅操纵世界上第一座核反应堆启动运行成功，首次实现了大型核反应堆和制造钚的工厂，按时、按值、按量提供钚。在著名物理学家劳伦斯领导下，科学家在1944年生产出浓缩铀235。在得到足够的核裂变材料后，加利福尼亚大学物理学家奥本海默领导制造出实用的原子弹。

　　哈恩与他的同事、助手实现了核裂变反应，奠定下制造原子弹、原子能和平利用的理论和实践基础。但在第二次世界大战期间，哈恩竭尽其力不使德国获得原子弹。1958年，由哈恩发起、50多位诺贝尔奖获得者签名的“宣言”指出“在今天的战争中，如果不加限制地使用一切可能的武器，将会使地球沾染上放射性，其强度足以灭绝全人类。”

　　核裂变原料主要是铀。在全球已探明铀矿资源储量中，澳大利亚占25%，哈萨克斯坦占20%，其他铀矿资源储量较多的国家有加拿大、俄罗斯、乌兹别克斯坦和尼日尔等非洲国家。日本曾在1955年12月制定的《原子能基本法》中就明确把钍与铀并列为核裂变“原料”。2010年9月，日本内阁府原子能委员会代理委员长铃木达次就核裁军和防止核扩散提出“十项建议”中再次提出，应开发钍核电技术。据科学家们估计，全球钍矿资源储量比铀矿资源储量多三、四倍，分布在许多国家，已探明钍矿资源储量足够世界使用100年。钍在反应堆燃烧过程不产生钚———制造核武器的原料，不仅核废料较少，而且放射性也比铀少得多，是一种安全的核裂变原料。

“裂变”迈向“聚变”

　　铀、钍矿资源都是不可再生资源。因此，一些国家正大力研发从核裂变迈向核聚变。从核裂变迈向核聚变是核电业发展大势所趋。目前，受控核聚变领域的研发重点有二：一是利用氢同位素为原料，二是利用氦-3为原料。

　　氦-3是一种公认的高效、清洁、安全核聚变原料。椐科学家们估计，100吨氦-3就可提供目前全世界一年的能源使用量。但是，在地球上氦-3的储量极少，不具有开发价值。因此，一些国家正在研发利用氢同位素为原料，即核聚变原料主要是氢、氘和氚。氘也叫重氢，1公斤海水中含有0.034克氘，故地球海洋里有约23.4万亿吨氘，足够人类使用几十亿年。科学家从一升海水可提炼1/6克氘，其聚变后放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。浙江大学物理学教授盛正卯介绍，从海水中提炼氘技术已掌握，问题是核聚变过程中不能实现可控，一旦解决了可控的核聚变难题，不仅将解决全世界的能源问题，而且放射性微少，不产生核废料，对环境的污染很小。

　　美国科学家希望通过模仿太阳中心核聚变能原理，打造出微型“人造太阳”，为将来探索新能源带来希望。在加利福尼亚州弗莫尔市的“国家点燃设施”实验室，科学家的目标是制造出1亿摄氏度以上的温度和比地球上任何地方大数十倍的压力，而产生此温度和压力的来源只是相当于针尖大小的一点氢燃料。

　　《科技日报》2013年1月援引《科学》杂志网站提供的信息：欧盟负责核聚变研发工作的机构———欧洲核聚变发展协会发布的欧盟聚变示范电站设计与开发路线图，计划于2050年建成一座未来可供工业界使用的原型聚变电站。作为最主要的备用计划，路线图倡导继续仿星器的设计和开发。仿星器是一种替代性聚变反应堆，其最大优点是能够连续稳定地运行。德国的温特尔斯坦仿星器7-X (W 7-X )将于2014年建成，科学家在W7-X反应堆安装一种叫“仿星器”的设备，旨在模仿恒星内部持续不断的核聚变反应。

　　物理学家组织网站2013年9月援引劳伦斯.利弗莫尔国家实验室报告称，世界最大激光器、被称为“人造太阳”的美国国家点火装置正距离其目标越来越近，一个可持续核聚变反应装置正在由梦想逐步成为现实。“数十年后，核聚变能源将替代石油等传统燃料。”

　　探索未来能源

　　欧盟聚变示范电站设计与开发路线图认为，人类在利用聚变发电方面取得进展的关键在于“国际热核聚变实验堆(IT ER )计划”的实施。

　　2005年6月，欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国的国际热核聚变反应堆计划六方代表在莫斯科达成协议，确定法国南部城市马赛附近的卡达拉舍为国际热核聚变反应堆的建造地。国际热核实验反应堆计划的目的是建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，其规模与未来实用型的核聚变反应堆相仿，用以解决建设核聚变电站的关键技术问题。计划建造的热核实验反应堆预计将耗资128亿美元，其中，欧盟承担40%，其他五方分别承担10%。这是除国际空间站外又一规模最大的国际科技合作项目。2006年11月，欧盟、美国、中国、日本、俄罗斯、韩国和印度的代表在法国总统府爱丽舍宫共同签署了国际热核聚变实验反应堆计划联合实施协定。国际热核聚变实验堆计划正式启动，这是人类在核聚变研究、共同探索未来能源的里程碑事件。

　　国际热核聚变实验反应堆的原理类似太阳发热，即在上亿摄氏度的超高温条件下，利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变燃料氘和氚可以从海水中提取，核聚变反应不产生温室气体及核废料。由于原料取之不尽、不危害生态环境，因此，核聚变能源成为未来人类寄予厚望的新能源。

　　国际热核聚变实验堆计划(IT ER )正在取得进展,将于2019年在法国开始试验。如果试验成功，该项目获得的数据将帮助IT E R研究团队设计一个在2040年前建成的、2000兆瓦至4000兆瓦的示范性核聚变电站。一些专家预测，人类有望在30至50年内掌握核聚变技术，从而有效解决人类面临的能源和环境问题。