新世纪的物理学如何应对能源和环境问题(Ⅱ)核能篇

作者简介：周善贵，中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。兼任中国科学院理论物理所学术委员会委员、兰州重离子加速器国家实验室学术委员会委员、中国核物理学会常务理事、中国核物理学会核结构专业委员会副主任。1992年7月毕业于吉林大学物理系，获理学学士学位；1995年7月毕业于吉林大学物理系，获理学硕士学位；1998年7月毕业于北京大学技术物理系，获理学博士学位；2002年1月至2003年12月在德国海德堡马普核物理研究所做博士后。1998年7月至2004年4月在北京大学技术物理系工作，2004年5月至今在中国科学院理论物理研究所工作，主要从事原子核理论和量子多体理论方法研究，发表学术论文70余篇，被引用700多次。

何为核能

质能关系——质量即能量；

物质转化——能量释放或吸收；

原子核衰变、裂变和聚变——大量能量的转移。

1905年，爱因斯坦提出了质能关系：E＝mc²，其中c为光速，E为能量，m为质量。这个关系告诉我们，物质和能量是等价的。或者说，能量是物质存在的一种方式。因此，物质在不同形式之间的转换必然伴随着能量的吸收或释放。例如，植物生长过程中，吸收太阳能，并通过光合作用将其转化为化学能储存在体内；植物秸杆燃烧成为灰烬和二氧化碳，释放出化学能。表面看来，在这些过程中，物质形式发生了很大的变化。但实际上，这些变化只涉及到物质的化合形式的改变，占物质绝大部分质量的原子核并未改变。

物质由原子组成，原子由原子核与绕原子核运动的电子组成，原子核由中子和质子组成。对于稳定的原子核，其质子数目与核外电子的数目相等，而中子数目一般等于或大于质子数。由于质子或中子的质量约为电子质量的两千倍，作为物质结构的一个微观层次，原子核储存着物质世界的绝大部分能量。因而，原子核的变化，伴随着巨大能量的释放或吸收。

原子核的变化方式主要有衰变、裂变和聚变。衰变是指不稳定的原子核自发地转变为另一种原子核或同一种原子核的另一种状态。原子核衰变过程中，会释放射线和能量。裂变是指一个原子核分裂为两个或更多个原子核。原子核的裂变分为自发裂变和诱发裂变。裂变过程中，一般释放出中子和大量能量。聚变是指两个较轻的原子核在一定条件下融合为一个较重的原子核。聚变过程是吸收还是释放能量，取决于发生聚变的两个原子核的种类。

目前，人类已经成功并大量应用原子核的诱发裂变能。常用的裂变材料是铀-235，由92个质子和143个中子组成。当中子撞击铀-235时，一个铀-235吸收一个中子而裂变为两个较轻的原子核，产生2到3个中子，同时释放能量。新产生的中子会继续引起裂变，产生更多的中子，从而实现链式裂变反应，释放出巨大的能量。如果这些能量在极短的时间内释放出来，即原子弹爆炸，会产生巨大的危害。为和平利用裂变产生的核能，需要通过受控的链式裂变反应将核能缓慢地释放出来，即反应堆。

核能与人类社会的发展

人类目前面临能源、环境与生态等方面的问题；

核能，是解决这些问题，尤其是能源问题的重要途径之一。

目前，人类社会的发展面临着很多亟待解决的问题，包括能源问题、环境问题、生态问题等。从能源的角度看，“能源是人类生存和发展的基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。”由于石油、煤炭等化石能源日渐枯竭，而新的能源体系尚未建立，这将对交通运输、工农业、国防等方面的发展造成一系列问题。同时，这些传统能源的大量使用，不可避免地会对人类生存的环境和生态造成严重的破坏。例如，“燃烧化石燃料向大气排放大量的‘温室气体’二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物，并排放大量的烟尘，这些有害的物质对环境造成了严重的破坏。”

何祚庥先生曾强调，“物理学的发展从来都是为能源问题开辟新道路，寻求新方向”。“现在世界石油资源面临枯竭，煤和天然气呈现短缺，将出现世界性的能源危机。我国去年遭遇严重雪灾，为中国未来可能出现的能源危机，提前发布了‘警报’!我国再不能仅依靠‘节能减排’来缓解能源的紧张，而是必须大力调整能源结构。用新能源，用‘核能+可再生能源’，取代煤、石油、天然气等化石能源。”

上个世纪，核能的利用和发展对人类社会产生了巨大的影响。当前，面对能源、环境和生态等方面的困境，核能仍然是解决这些问题，尤其是能源问题的重要途径之一。首先，原子核储存着宇宙间可以释放的绝大部分能量。1千克铀－235裂变释放出的能量，相当于2735吨标准煤的能量。其次，核能同风能、水能、太阳能等一样，不产生有害环境的二氧化碳等温室气体。第三，同其他能源相比，核能是目前唯一实现工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源。以发电量统计，2006年，核能提供了全球16％的电力。而据国际能源组织预测，即使持续地加大投入，到2030年，风能、太阳能、地热能等洁净能源也仅能提供全球所需电力的6％。

核能的发展现状

世界上第一座商用核电站于上世纪50年代启用；

目前世界上有四百多座核电站正在运行，提供总发电量的16％；

2007年，法国的核电比例最高，占总发电量的76.9％；

2007年，我国大陆核电只占总发电量的1.9％，台湾为19.3％；

我国需要培养大量的核物理人才。

1942年12月2日，恩里科·费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆，功率仅为0.5瓦。从此，人类进入了利用核能的时代。但在此后的若干年内，核能利用仅限于军事应用，对世界局势带来了巨大影响。到了上个世纪50年代，人类开始和平利用核能。1954年，苏联建成了世界上第一座小型的核能发电站。此后，世界上很多国家开始建造反应堆，掀起了和平利用核能的高潮。

根据国际原子能机构公布的数据，当前全世界正在运行的核电站有439个。2006年，核能已占全世界一次能源消耗的5.8％，核电总装机容量为370,000兆瓦，生产电力占全球总发电量的16％。2007年，核电占本国总发电量比例最高的国家是法国，为76.9％，其次是立陶宛，达到64.4％，斯洛伐克和比利时也超过了50％。苏联切尔诺贝利核电站发生事故后，意大利在1987年经过公民投票，决定关闭、停止所有的核电站及其活动。目前，意大利是世界八大工业国中唯一不拥有核电的国家，也是欧盟国家中少数几个不拥有核电的国家之一。今年，意大利经济发展部长克劳迪奥斯卡约拉宣布，由于核电具有“成本竞争力”，可以减少对化石燃料进口的依赖，而且它可以对气候变化引起的挑战做出重大贡献，意大利将在2013年前开始建设新的核电站。

改革开放前，我国核电发展长期处于探索阶段，先后组织开发了高温气冷堆、熔盐堆、压水

堆、钍增殖堆等技术，但一直未能实现突破。1978年12月4日，邓小平在会见法国外贸部长弗朗索瓦后宣布：“中国决定向法国购买两座核电站设备”。1982年，经过反复论证，国务院批准建设广东大亚湾核电站。大亚湾核电站从1987年开工建设，1994年建成投入商业运行。目前，我国共有11座核电站正在运行，9座核电站在建设中。200 6年，我国核能占一次能源的比重仅0.7％。2007年，我国大陆核电只占总发电量的1.9％，台湾为19.3％。何祚庥先生强调，显然需要大力拓展核能。

按2007年11月国务院批准并公布的《国家核电发展专题规划(2005－2020年)》，预计到2020年，我国将建设30多座核电站，期望达到4000万千瓦～4800万千瓦的容量，核电比重将提高到4％。研制“两弹一星”时我国很重视核科学，后来学科慢慢萎缩，很多高校都取消了相关专业，因此我国现在人才短缺。据统计，仅核电工业每年需要约4000名本科以上在校学生，而目前在校生尚不足1000人。据日本核物理学会的统计，日本有900多名核物理学家，而我国可能只有日本的一半左右。在投人上，日本也是我国的10倍或更多。如2007年开始运行的日本理化学研究所的放射性核束工厂，仅一期就耗资约4亿美元。随着需求的增加，核科学人才培养重现生机。到2007年，我国已建立20多个核科学技术学院；同时，我国唯一的国家核物理理科人才培养基地在北京大学建立；我国第一个核物理与核技术国家重点实验室也在北京大学筹建；2009年新年伊始，中国科大也宣布成立核科学技术学院。

核能的未来

核能利用的弊端——核燃料储量有限，产生大量的核废料；

快堆——提高天然铀的利用率，新型核燃料——钍－232，洁净核能系统；

聚变能——ITER(国际热核聚变实验堆)，衰变能——长寿命同核并能态。

目前，核能利用也存在一些严重问题，主要有10个方面：(1)资源利用率低。工业应用的是热中子反应堆核电站，虽然其发电成本低于煤电，但它以铀－235为燃料，天然铀中占99.3％的铀一238无法利用。(2)燃烧后的燃料中除铀235及钚－239外，剩余的高放射性废液含大量“少数锕系核素”及“裂变产物核素”，其中有一些半衰期长达百万年以上，成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决。在我国，天然铀资源短缺的问题尤为突出。“包括未来可能探明和可能进口的优质天然铀资源，仅能支撑约6000万千瓦的各类热中子堆发电站——包括压水堆、重水堆、高温气冷堆、熔盐堆等先进核反应堆——运行40年!也许还能发现某些低品位的铀矿床，仍要用来支持各种热中子堆发电站的持续发展。所以，我国核电站的限额是6000万千瓦!”

针对上述问题，目前已有一些解决方案。利用快中子增殖堆可以使天然铀中的铀一238转化为钚－239，成为裂变燃料。用钚－239或铀－235装料启动运行数十年后，此系统可以靠铀－238达到“自持”，铀资源利用率可提高60～70倍。这将有利于资源的利用。我国已在原子能科学研究院投入26亿元，预期将在2009年，建成快中子堆试验电站，年发电25万千瓦。我国还和俄罗斯洽谈进口快中子堆核电装置，以加速快中子堆核电站的进程，预期将在2035年，也有可能在2030年走向商业化。此外，充分利用丰富的钍资源，借助中子俘获，将钍－232转换为铀－233，进而利用铀－233这种裂变燃料开发核能，也是缓解铀资源不足的有效方案。

目前，世界核科技界正在大力研究放射性“洁净”的核能系统。最有可能实现的“洁净”核能系统是加速器驱动次临界洁净核能系统(Acceleralor Driven Sub-critical System，简称ADS)。ADS是利用加速器加速得到的高能质子与重靶核(如铅)发生散裂反应，一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，用散裂产生的中子作为中子源来驱动次临界包层系统，使次临界包层系统维持链式反应，以便得到能量，并利刚多余的中子增殖核材料和嬗变核废物。ADS可将危害环境的长寿命核废物嬗变为短寿命的核废物，这样可以降低放射性废物的储量及其毒性。

人类已经广泛开发利用裂变能。但为宇宙间包括太阳在内的所有恒星提供能量来源的聚变能的开发则需要历经长期的、非常艰苦的过程。“在所有的核聚变反应中，氢的同位素——氘和氚的核聚变反应(即氢弹中的聚变反应)是相列比较易于实现的。氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；氚可在反应堆中通过锂再生，而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性，中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物，不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性，可以说，聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。”人类已经迈出了受控聚变研究走向实用的关键一步——开始了国际热核聚变实验堆(ITER)计划。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。这一计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验室，将研究解决大量的技术难题。

作为储存能量的一种方式，原子核的同核异能态也受到了越来越多的关注。自然界中存在很多寿命长至几天、几年甚至几十年的同核异能素。这些同核异能素可能具有非常重要的应用价值。同核异能素储存的能量为该态的激发能，从每个原子核几十干电子伏到几个兆电子伏或更高。如果同核异能素可以在受控触发下衰变，我们就可以按需释放它们已储存的能量。因此，核的同核异能态是一种潜在的能源，它的有效利用将至少在以下几方面产生重大的战略意义：(1)由于衰变产物一般不再有放射性，因此，这是一种新型、洁净的核能源；(2)发展小型、高强度的新型核武器；(3)产生伽马射线激光。然而，真正实现同核异能素的可控衰变是相当困难的。目前，一些国家已经在这方面投入了一定的人力物力进行相关基础研究。

小结

核能是物理学的传统领域；

物理学应在ET(能源和环境)发展中大有可为。

进入21世纪，人类面临的ET方面的挑战愈来愈烈。国际能源组织发布的《2006年世界能源展望》报告对到2030年为止全球的能源需求形势进行全面评估。报告指出，人类正在面临一个难以协调的矛盾：一方面，人类对能源的需求持续增长；另一方面，人类必须尽快采取行动遏制温室气体排放量的增加，以防止地球变暖给环境造成巨大伤害。

“物理学的发展从来都强烈地影响着能源的发展。”核能的利用和进一步开发将有助于解决人类面临的能源、环境、生态乃至经济等方面的困境。物理学应该也能够在ET发展中大有作为。

(栏目编辑　廖伯琴)

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