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1、核能利用与核电站1、 核能的地位及评价 石油面临枯竭 温室效应的危害 煤对环境的污染 核电站与原子弹 再生系数与临界状态 反应堆的固有安全性 反应堆安全控制系统 控制保护系统 各种能源危险性比较 职业危险与公共危险石油面临枯竭科学的本意在为人类谋取福利。不幸的是，在这个充满斗争和混乱的世界上，原子核刚从实验室崭露头角的时候，就被人们拖进了战争的深渊，败坏了原子核能的声誉。目前的世界面临着三个相互联系的主要问题：自然资源短缺（主要指能源、粮食和水）、人口增长迅速、环境污染生态破坏。而严重的问题是潜在的能源短缺，因为能源是满足人类一切物质需要的基础，是衣、食、住、行和娱乐的基本保障。人要一代一代继
2、续生存下去，必须为长远的未来作考虑。一定要认识到地球上的资源是有限的，而人类对资源的需求却是无限制的。因此对各种资源状况需要作全面的了解。当世界上的石油用完之时，以石油产品为燃料的汽车、轮船、火车、飞机就将失去动力，这就需要对运输事业进行控制，对能源作调整。科学工作者已越来越认识到，要找到克服能源短缺的出路，核能可以为人类解脱困境。我们知道，世界上有机燃料的储量是有限的，总有一天要用完。全世界石油、天然气和煤炭的已探明储量，按目前的消耗水平来看，少则几十年，多的（如煤炭）也只能开采几百年。而且，全世界对能源的需求量逐年在增加，照目前能源需求的增长势头，如果我们仅依赖于石油或煤炭这样一些化石燃料
3、，终将会发生能源危机。这决非是危言耸听。1970 年，石油在世界能耗中的比重已达 43%（煤只占 35%）。1979 年石油生产的比重又进一步上升到 49.l%。况且，石油还是一种十分重要的化工原料，用石油来制造化工产品，如化肥、农药、医药、润滑剂、塑料、合成纤维、合成橡胶等，其价值比用作能源的要高得多。因此，由于石油储量有限，并且越来越多地转作化工原料，在世界能源消耗不断增加的形势下，不久的将来，石油就无法挑起世界能源主要支柱的重担，在能源中将处于越来越次要的地位。那么，再度依赖煤是否可行呢？作为石油的姊妹能源，煤也有类似的问题存在，其储量虽比石油丰富，然而也相当有限，它也是无法再生的化工原
4、料，人类必须加以珍惜，不要让它付之一炬，白白浪费。而且煤不比石油，它的开采成本高，燃烧效率低，燃煤所造成的污染问题又严重。所以煤作为能源的衰落周期尽管会长一些，但也必将步石油的后尘。温室效应的危害人类必须从长远利益制定当前的能源政策。经过了 1986 年的反核浪潮以后，人们又重新冷静下来，对世界的能源状况进行深刻的反思。1988 年 7 月 4 日，美国的一家很有影响的杂志幸福发表了一篇引起世界瞩目的文章。作者认为，21 世纪将出现非常恶劣的气候，气温上升比任何一次都更高更快，全球气候将出现混乱反常，世界经济将受到重大影响。出现上述情况的主要原因正是燃烧煤、石油、汽油等化石燃料，燃烧产生的二氧
5、化碳在大气层中迅速积聚，比二氧化碳少得多但是同样有害的氯氟化碳等气体也迅速增多。在地球的大气层中，这些气体起着温室玻璃那样的作用，让阳光射入而又把热量留聚下来。它们吸收而不是反射能生热的红外线辐射，从而使地球气温持续上升，这就是温室效应。估计到 21 世纪中叶，地球的气温还将不可避免地继续上升，那时，积聚在大气层中的二氧化碳很有可能比现在多 60%左右。温室效应的后果将是全球气候的异常现象，使降雨、风、云层、洋流以及南北极冰帽大小等关键可变因素发生变化。冬季缩短、夏季延长，由于蒸发增强，大片地区的土壤湿度将会降低。最明显的影响表现在农业方面。随着二氧化碳浓度的增加，植物的气孔（气体和水蒸气通过
6、的细孔）只要张开得小一点即可收入同样数量的二氧化碳，这样，植物由于蒸发所损失的水份就减少了，结果是植物会长得更大。农作物生长较快，就可能较快地把土壤中的养分吸光，农家就不得不购买更多的化肥。粮食的质量可能随着二氧化碳的提高而下降，因为叶子的含碳量可能增加，含氮量可能减少。在温室效应中，害虫和病害较易蔓延，这就需要更多的农药治理。由此可见，温室效应带来的生态破坏及社会后果是严重的。煤对环境的污染从环境污染情况看，燃煤所排放的二氧化硫、氮氧化物，污染空气，毒化水质，形成酸雨，这些是对人畜和其他生物的极为有害的或致癌的物质。同时，还有其他很难处理的废物在不断产生，例如一座百万千瓦的燃煤火电站每年产生
7、 40 多万吨废渣和灰尘。多少年来，特别是进入 20 世纪以来，煤炭作为能源的这些越来越严重的危害性，人们熟视无睹，习以为常，有的竟然心甘情愿。仅就煤炭生产本身而言，就包括矿井、露天开采对地表的破坏、生产过程中“三废”对环境的污染和煤炭贮存、运输过程中对环境的影响等。由于煤的发热量低，当前主要用于燃烧。要获得与重油相同的热量，必须使用约 1.5倍的煤炭。煤的平均灰分约 20%，是重油的 100300 倍。因此，如果以燃烧时放出相同的热量来计算，则烧煤时排出的烟尘量约相当于重油的 150450 倍。煤炭燃烧中的环保问题主要来自燃烧后生成的 SOx、NOx、煤烟和煤灰。据估算，每燃烧 100 万吨
8、煤，平均要排放出 2 万吨 SO2 气体，20 万吨灰渣和 3 万吨烟尘。排出的 SOx和 NOx 又二次生成硫酸盐和硝酸盐，形成酸雨，破坏生态，而且对远距离外的地区也会产生严重污染。核电的各种材料来源中虽然也有类似煤炭在生产中出现的对环境的危害，可是由于核燃料的能量高度密集，使其规模要小的多，人们对此综合地作过考察，下面将作仔细比较。1982 年瑞士由于使用核电站，全国的整个能源系统排放 CO2 减少了 14 左右。但目前当我们在选择电站时，听到的对燃煤火电的指责远少于考虑核电时遭到的非难；这是人们受传统观念束缚的一个具体反映。所以，我们就要比较深入地分析一下核电的安全性能及经济竞争力，并且
9、要在同其他能源系统作比较以后进行综合评价。核电站与原子弹核电的安全性究竟怎样呢？为了解决这个问题，有些国家的核电站对外开放，组织人们参观。实际情况说明，核电不但是安全的，而且它的危险性比其他许多能源都小。核电站的反应堆不会像原子弹那样爆炸，它的潜在危险是强放射性裂变产物的泄漏，造成对周围环境的污染。原子弹是由高浓度的（大于 93%）裂变物质铀235 或钚239 和复杂而精密的引爆系统所组成的。通过引爆系统把裂变物质压紧在一起，达到超临界体积，于是瞬时形成剧烈的不受控制的链式裂变反应，在极短时间内，释放出巨大的核能，产生了核爆炸。而反应堆的结构和特性与原子弹完全不同，反应堆大都采用低浓度裂变物质
10、作燃料，而且这些燃料都分散布置在反应堆内，在任何情况下，都不会像原子弹那样将燃料压紧在一起而发生核爆炸。而且，反应堆有各种安全控制手段，以实现受控的链式裂变反应。在设计上总是使反应堆具有自稳定特性，即当核能意外释放太快，堆芯温度上升太高时，链式裂变反应就会自行减弱乃至停止。核电站不会像原子弹爆炸，核燃料中的有效成分是铀235，铀235 同样也是原子弹中的核炸药，那么核电站会不会像原子弹那样爆炸呢？不必担心，绝没有这种可能性！核燃料中铀235 的含量约为 3%，而核炸药中铀235 含量高达 90%以上。核燃料引不起核爆炸，正像啤酒和白酒都含有酒精，白酒因酒精含量高可以点燃，而啤酒则因酒精含量低却
11、不能点燃一样。再生系数与临界状态为了进一步说明问题，我们先了解两个基本概念。一是再生系数，我们把某代中子数对于上一代中子数之比称为再生系数，用 K 来表示。如果裂变产生 100 个中子（第一代中子），经过慢化再引起下一次裂变，若产生 102 个中子（第二代中子），那些，再生系数K1.02。二是临界状态，把 K1 需要的最小的裂变燃料数量叫做临界质量。当 K1 时，中子数保持不变，链式反应可继续进行下去每秒钟内发生恒定的裂变数，每次裂变放出的能量也一定，这表明反应的功率保持一定水平不变。当 K1 时，中子数越来越多，功率在增加，这个状态称为超临界状态。当 K1 时，中子数越来越少，功率也在下降，
12、直到停堆，这种状态称为次临界状态。作为核电站反应堆的工作主要是上述的三种状态。K1 的临界状态是预先设计所希望的。K1 的次临界状态，会造成停堆，自然没有什么危险性。有危险性的主要是超临界状态。当再生系数 Kl.0065 时，反应堆的功率会急剧上升而难以控制。这种状态称为瞬发临界。这在运行中是必须避免的。一个超瞬发临界的反应堆和原子弹是大不相同的。因为在没有约束的情况下，当功率上升，产生大量的热能时，热膨胀和机械解体就会使核燃料迅速分散，整个反应堆很快降到次临界状态（K1）。所以绝不会发生像原子弹爆炸甚至化学炸药爆炸那样的事件，但可能发生一回路蒸汽爆破和大面积放射性污染。这仍然是非常严重的事故
13、。反应堆内积累的裂变产物，是反应堆潜在的主要危险。它所包含的 200 多种放射性同位素，放射性强度都很大。例如，一座 10，000 千瓦的反应堆运行三个月后，它积累的裂变产物的放射性，在停堆 24 小时后测量，约相当于 10吨镭，或 1，000 万居里。如果地面污染 0.2 居里米 2，居民就要立即撤离，如果地面污染 103 居里米 2，就长期不能种庄稼或放牧，由此可见，这种潜在的危险性是多么大。如果这样大量的放射性全部扩散到环境中去，周围的居民将受到强烈的照射，其后果也是极为严重的。因此，核电站的主要危险来自可能导致大量放射性物质逸散的重大事故。反应堆的安全性包含有两方面内容，一是反应堆固有
14、的安全性，二是为了反应堆的正常运行和安全而引入的控制系统和防护措施。反应堆的固有安全性在由于某些原因从外部引入反应性，使中子通量增加（核燃料、冷却剂温度上升）的情况下，反应堆本身具有防止核反应失控的工作特性。我们称这种特性为固有的安全性。固有特性来自反应堆本身所具有的负反应性温度效应、空泡效应、多普勒效应、氙和钐的积累和核燃料的燃耗等。反应堆内各部分温度升高而再生系数 K 变小的现象称为负反应性温度效应，对反应堆的稳定性和安全性起决定作用。反应堆冷却剂中，特别是在沸水堆中产生的蒸汽泡，随功率增长而加大，从而造成相当大的负泡系数，使反应性下降，这个效应叫空泡效应，有利于反应堆运行的安全。多普勒效
15、应是指裂变中产生的快中子在慢化过程中被核燃料吸收的效应。它随燃料本身的温度变化而有很大的变化。特别重要的是这种效应是瞬时的，当燃料温度上升时，它马上就起作用。在裂变产物中积累起来的氙和钐是对反应堆毒性很大的元素，这两种元素很容易吸收热中子，使堆内的热中子减少，反应性也下降。一般说来，反应堆长期运行之后，反应性要下降，这是由于燃料的燃耗加深而引起的。以上这些效应，一般都有利于反应堆运行的安全，但在一定的条件下，也有不利的一面。在轻水堆情况下，有三个效应是起作用的。第一，由于燃料温度的上升，铀238 吸收中子的份额增加，从而使反应性有很大的下降（负反应性），是多普勒效应起了作用；第二，轻水慢化剂温
16、度升高，其密度变小，中子与慢化剂碰撞的机会减少，中子慢化效果降低，反应性减小，负反应性温度效应起了作用；第三，轻水冷却剂温度升高，就产生气泡，其道理与第二点相同。由于中子泄漏增加，使反应性有很大下降，这就是所谓的空泡效应。在气冷堆的情况下，由于多普勒效应的作用，燃料给出了负的温度效应。另一方面，因为气冷堆的功率密度低，石墨的热容量大，所以当发生事故时，堆芯温度上升慢，二氧化碳冷却剂的密度低，即使在冷却剂丧失的情况下，对反应性几乎也没有什么影响，功率仍将继续上升，这时，要靠快停堆系统来控制。反应堆安全控制系统现在我们来说明为了反应堆安全正常运行而设置的控制系统。所谓安全正常运行，是指反应性随介质温度、密度和堆内吸收中子的毒物的数量发生变化时，还要保持再生系数K1。欲实现这一点，通常用控制棒抵消多余的反应性，把多余的中子吸收掉。当反应性减小时，就把控制棒逐渐拉出堆外，直到完全提出，这时反应堆非装新料不可。此外，为了在发
