爱华网一、核能在能源中的地位
在19世纪产业革命之前，人类能源消耗的增长，相当缓慢。产业革命以来，由于经济的发展，能源耗业也迅速增长。近一百年来，世界能耗增长了20倍。本世纪50年代，世界能源年耗量约为26亿吨标准煤，至80年代初已超过年耗量100亿吨标准煤；预计到21世纪初将达200亿吨标准煤。但是，迄今为止，世界耗能的85％均来自燃烧煤、石油、天然气等有机燃料。大量燃烧有机燃料所产生的二氧化硫、二氧化碳、氧化亚氮和烟灰等物质，给人们带来深为忧虑的环境影响问题。而且，这些有机物质的巨大增长的耗量，使它们在地球上的储量日益面临枯竭。
自然界中，除有机燃料外，核能、水力、风力、太阳能、地热、潮汐能也都是可资利用的能源。水力是无污染的能源，应充分开发使用，但水力资源终究有限，且受地理条件限制。水力发电量又随季节变化很大，故光靠水力替代不了有机燃料，满足不了日益增长的能源需求。风力、太阳能、地热、潮汐能等，都因受多种条件的限制，只能在一定条件下有限开发，很难大量使用。多种预测资料表明，即使做较乐观的估计，到下一世界，上述这几种能源中每种在能源总耗量中的比例，都很难超过1％。目前，技术上已较成熟，且能大规模开发使用的，唯有核能。而从人类能源需求的前景来看，发展核能更是必由之路，这是因为核能有其无法取代的优点，主要表现于：
1.核能是地球上储量最丰富的能源，又是高度浓集的能源。一吨金属铀裂变所产生的能量，相当于270万吨标准煤。按照地球上有机燃料的储量和人类耗能的情况来估算，地球上煤的储量大概还过200多年即将耗尽，石油则只够用三四十年。人类已经面临如何选择后继能源的问题。地球上已探明的核裂变燃料，即铀矿和钍矿资源，按其所含能量计算，相当于有机燃料的20倍，只要及早开发利用，即有能力替代和后继有机燃料。更进一步说，地球上还存在大量的聚变核燃料氘，能通过聚变反应产生核能。1吨氘聚变产生的能量相当于1100万吨标准煤。自然界每吨海水或河水中均含有3克氘，所以，将来聚变反应堆成功后，1吨海水即相当于33吨标准煤。那时，人类将不再为能源问题所困扰。
2.核电是清洁的能源，有利于保护环境。目前，世界上大量燃烧有机燃料的后果是相当严重的，燃烧后排出大量的二氧化硫、二氧化碳、氧化亚氮等气体，不仅直接危害人体健康和农作物生长，还导致酸雨和大气层的“温室效应”，破坏生态平衡。比较起来，核电站就没有这些危害。核电站严格按照国际上公认的安全规范和卫生规范设计，对放射性三废，按照尽力回收储存，不往环境排放的原则，进行严格的回收处理。往环境排放的只是处理回收后残余的一点尾水尾气，数量甚微。核电站运行经验证明，它每发1000亿度电，放射性排放总剂量平均1.2希，而烧煤电站的灰渣中放射性物质总剂量约为每发1000亿度电3.5希。可见即使仅从放射性排放角度看，核电也比火电小。
3.核电的经济性优于火电。电厂每度电的成本是由建造折旧费、燃料费和运行费这三部分组成。主要是建造折旧费和燃料费，核电厂由于特别考究安全和质量，建造费高于火电厂，一般要高出30％～50％，但燃料费则比火电厂低得多。火电厂的燃料费约占发电成本的40％～60％，而核电厂的燃料费则只占20％～30％。国外和我国台湾省的经验证明，总的算起来，核电厂的发电成本要比火电厂低15％～50％。
4.以核燃料代替煤和石油，有利于资源的合理利用。煤和石油都是化学工业和纺织工业的宝贵原料，能以它们制造出多种产品。它们在地球上的蕴藏量是很有限的；作为原料，它们要比仅作为燃料的价值高得多。所以，从合理利用资源的角度来说，也应逐步以核燃料代替有机燃料。
总之，核能的优点终将为人们所确认。它的利用是解决能源问题必由之路。可以预见，在下一世纪，它在能源中的比例必将逐步加大，从而改善能源结构，并将彻底解决人类对能源的需求。
但是，人们在承认核能优点的同时，往往担心核电站会因发生事故而污染环境和危害人民。苏联切尔诺贝利核电站事故后，这种担心骤增。其实，自从世界上有核电站以来至今40年，已有四百多座核电反应堆运行了6千多堆年，造成环境严重污染和人员伤亡事故的，仅前苏联切尔诺贝利一例。这次事故，有其独特的条件，主要是切尔诺贝利采用的世界上仅前苏联所独有的石墨沸水堆，其设计本身就有严重缺陷，潜在着严重的不安全因素，容易引发瞬发超功率，损坏反应堆。加上它又没有设置封闭放射性物质的安全壳厂房，一旦反应堆损坏，放射性就释往环境；再加上严重违反安全规程，以致不可收拾。当今世界上绝大多数核电反应堆，包括我国秦山和大亚湾的压水反应堆，都设计成可根据“负反应性温度系数”进行安全保护的功能，即温度升高，反应性减弱；温度超过一定限度，核反应就自行停止，趋向安全。所以，切尔诺贝利式的事故在压水型反应堆中肯定不会发生。再则，当今绝大多数核电站都专门设置了密封耐压的安全壳厂房，将反应堆和核能系统整个笼罩密闭在内。所以，既使反应堆和核能系统损坏，安全壳仍能阻挡放射性物质，不往环境泄放。美国三里岛核电站事故之所以没有危害环境，是安全壳起了重大作用。在核电站的安全设计中，本着预防为主，纵深防御的原则层层设防，设置多重的、多样的和互相独立的安全保护系统和专设安全设施以防止事故的发生和扩大。在设计、建造、运行中建立严格的质量保证和检验制度，以确保工程质量，消除事故根源。此外还针对各种可能的灾害诸如地震、海潮、风浪、暴雨、洪水、台风、火灾，飞机撞击等以及各种可能出现的故障事件逐一进行分析，采用防御措施以确保安全无虞。对于核电站操作人员，必须经过培训和考核通过后取得合格证书，方能上岗。核电站安全措施的完善程度和管理的严格程度，远非一般工业所能比拟，它的安全是有充分保证的。当然，安全是没有止境的，近年来，专家们又在安全设计中引入新的概念，着手研究设计“具备固有安全性”的反应堆，“能抗严重事故；无需厂外应急”的反应堆等安全目标。这类核电反应堆将在下一世纪陆续实现，那时，核安全又更上一层楼，更有保证了。
二、核能开发利用的步骤
核能的开发利用，是一个循序渐进的长期过程。一般说来，应按其科技难度的不同，分为热中子反应堆，快中子增殖堆、可控聚变堆三步，互相衔接，逐步进入实用阶段。
第一步是热中子反应堆的应用。这是指堆芯内有慢化剂，将快中子慢化为热中子工作的反应堆。压水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都是热中子反应堆，现在世界上已有四百多座热中子堆核电站（其中约70％为压水堆）在运行发电，总装和容量三亿多千瓦，年发电量占全世界总发电量的17％，热中子堆今后技术改进的重点是提高其固有安全性和抵抗严重事故的能力，确保不发生危害环境的事故；同时将堆的寿命由现在的40年延长至60年，以提高核电站的经济性。这些目标可望在21世纪初期实现。
热中子堆的主要缺点是它的核燃料利用率很低。在开采、精炼出来的金属铀中，只有约1％能在热中子堆中裂变产生核能，99％都将作为贫铀（其中含铀―235约仅0.2％，其余99％以上都是铀―238）积压起来，要等待建成快中子增殖堆后方能大量利用。
第二步是快中子增殖堆的应用。快堆最大的优点是它能充分利用核燃料。在块堆里，每个铀―235或钚―238裂变时放出的中子，除维持裂变反应外，还有1.2～1.6个中子可以用来使难裂变的铀―238转变为易裂变的钚―239，也就是说，快堆在消耗裂变燃料以产生核能的同时，还能生成相当于消耗量1.2～1.6倍的裂变燃料。这样，就可以把热中子压所积压的铀―238在快堆中充分利用。
快堆这种能增殖核燃料的特点，早在1945年就为主持世界上第一座反应堆设计建造的科学家费米所指出。50年代以来，美、英、法、苏等国都集中相当力量研究建筑快堆。在60年代相继建成了一批实验性快堆核电站，70年代又建成了几座电功率约25万千瓦的示范性快堆核电站。80年代苏联建成了电功率为60万千瓦的BN―600快堆核电站，法国建成了电功率为120万千瓦的“超凤凰”快堆核电站，基本上证实了钠冷池式快堆在工业技术上的可能性。然而，通过这些快堆的研制，专家们也认识到，快堆在工艺技术上的难度、防止钠积渣和铀水反应以及耐高辐的材料选用等问题，都比当初想象要复杂得多。由于要对付这些难题，使得快堆的工艺系统相当复杂，投资甚大，因此就冲淡了它在燃料上的优越性。以法国120万千瓦的超凤凰快堆电站与同规模的压水堆电站作比较，前者的基建投资为后者的3.5倍，发电成本为后者的2.5倍。所以，当前由于快堆在技术上尚不成熟，它在经济上还不能与压水堆竞争。如何促使快堆技术成熟，工艺简化，从而使经济性提高，是反应堆专家们在下一世纪在快堆上的主攻任务。估计需要三十多年时间，即到2030年前后，快堆才能取得对压水堆等热堆的优势，从而逐渐取代热堆，成为21世纪核能利用的主力堆型而推广应用。发展快堆，方向是完全正确的。
第三步是可控热核聚变堆。聚变堆成功后，水中的氘足以满足人类几十亿年对能源的需求。然而，实现持续的可控聚变，难度非常大。
人们已经确认，太阳就是一个巨大的聚变反应堆，它中心的温度约1500万摄氏度，压力约300亿大气压。太阳之所以有这样大的高温高压，是因为它的质量为地球的33万倍，引力巨大之故；在这样的高温高压下，每4个氢原子核能聚变为1个氦原子核，放出大量能量。在地球上的自然条件下，引力太小，靠引力不能把高温下的等离子体约束在一起产生聚变，聚变在地球上只能在人工条件下实现。关键问题是等离子体的稳定约束。目前主要研究的有磁约束，惯性约束和μ介子催化等途径实现可控聚变。各国已建造多种类型的试验装置二百多台，向上述多种途径聚变点火目标探索前进。要证明可控聚变的可行性，除了要解决等离子体约束的稳定性等基本问题外，还需要解决有关超导电、导磁体，中子束注入，超高真空和大功率贮能电源等一系列技术问题。目前可控热核聚变还处于基础研究阶段，但已露出胜利的曙光。预计到2050年前后能实现原型示范的可控聚变堆，发展到经济实用的阶段，还有一段艰辛的道路，但它的前景是光明的。
三、我国核能利用的现状和前景
我国是重视核能发电的。1955年中央制定原子能发展计划12年大纲中就指出：“用原子能发电是动力发展的新纪元，是有远大前途的。”七十年代，在核武器和核潜艇基本过关后，核电站提上了议事日程。1974年，电功率为30万千瓦的压水堆核电站被中央批准作用科技开发项目列项，随即开展了相关的研究、设计、试验工作。1983年，党中央和国务院再次表明，发展核电是坚定不移的方针，并同意专家论证结果，选定压水堆为近期发展的主要堆型。之后自行设计建造的秦山30万千瓦核电站和进口的2×90万千瓦核电站相继开工兴建，并分别于1991年和1994年并网发电，结束了我国大陆无核电的历史。1986年，经过专家论证，国务院决定在今后相当一段时期内将以电功率60万千瓦的压水堆为核电主力机组，充分吸取秦山一期经验，以我为主，中外合作，系列发展，并先在秦山厂址建造4座，并为设计建造100万千瓦的机组打下基础，以期在下一世纪开始一段时期内压水堆核电有较大的发展，增加核电在电力中的比例。
快堆的优点也为我国领导人和专家所共识。为了给核电的第二步发展创造条件，863高科技规划决定，把研究、设计、建造一座热功率6.5万千瓦，电功率2.5万千瓦的快堆试验性电站作为重点高科技项目列入，计划在下世纪初建成之后，将陆续研制示范性快堆和经济实用的快堆电站，以期在2030年前后达到当时世界先进水平。
与此同时，863规划还决定研究、设计、建造一座热功率为一万千瓦的高温气冷堆。这是一种先进的热中子堆型，其冷却堆芯的氦气温度可达800～1000℃，除了能高效发电外，还可用于炼钢、煤的气化、氢气生产等，但其技术难度也高，一系列高温工艺和氦密封技术有待克服。
可控聚变堆的研究，已在核工业西南物理研究院和中国科学院合肥物理研究所同时进行了多年，已取得研制成功“环流一号”装置等令人瞩目的成果，并正在扩大国际合作，以期能与国际上的研究接轨，同步进行。我国核能技术相对稳定，但考虑到我国人口密度大的事实，核能的安全性仍需改进。
总之，我国核能开发利用的前景是光明的，但这终究是一个长期的大系统工程，既要解决为国民经济服务的大量工程技术问题，又要为下一步发展进行系统的预研工作，还需要深入进行一系列基础研究，牵涉到的学科范围也十分广泛。因此，必须远近结合，高瞻远瞩，全面考虑，统筹安排，认真落实。我们相信，在国家的统一规划和扶植下，在人民群众的积极支持下，我国核能的开发利用，必将结出丰硕成果。
