核能何能全球实现碳中和,核能不可能缺

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全球气候变化问题日益突出,为此世界各国顺应应对气候变化浪潮,纷纷制定碳中和目标和路线图,积极推动能源绿色低碳转型发展。

在当前复杂的形势下,尤其是俄乌冲突愈演愈烈、新冠肺炎疫情仍然存在变数、极端天气频发、能源供求关系出现失衡等诸多因素叠加在一起,导致全球能源市场异常剧烈波动,引发欧洲能源安全危机和全球能源价格居高不下。

在此背景下,以往备受争议甚至是遭遇冷遇的核能再度成为热点话题,重新回到世界各国的视野。

一、核能知多少

核能,也可以称为原子能,从物理学角度看,它是指由原子核里的核子(比如中子或质子)在重新分配和组合过程中释放出来的能量。

核子重新分配和组合过程,也称其为核反应,包括如下三种类型:一是通过核裂变反应,既较重的原子核在分裂过程中释放能量;二是通过核聚变反应,既较轻的原子核聚合在一起释放出能量;三是通过核衰变反应,既在原子核自发衰变过程中释放出能量。

从目前人类利用方面,核能分为两类:一类叫核裂变能,比如当前人类普遍利用的核电站和原子弹等;另一类叫核聚变能,目前人类在和平利用方面尚未取得技术突破,但是已经成功研制氢弹。

与其他能源相比,核能具有巨大的威力,能量密度极高,若能够科学有效地开发利用,那么就可以为人类提供巨大的能量。

从核反应释放能量对比中,尽管从总体上释放能量巨大,但是核裂变与核聚变释放能量也存在较大差异,后者释放能量比前者更大。

比如,对于核裂变,一公斤铀原子核全部裂变释放出来的能量,约等于吨标准煤燃烧时所放出的化学能。

一座万千瓦的核电站,每年只需要25-30吨低浓度的铀核燃料,而运送这些核燃料大约只需要10辆卡车。

而对于相同功率的燃煤发电站,每年则需要多万吨原煤,而运输这些煤炭则需要0列火车。

如果将核聚变与核裂变相比,那么核聚变反应释放的能量比核裂变反应释放的能量更大,简直不在一个数量级上。

根据科学测算,一公斤煤炭能使一列火车开动8米,一公斤裂变原料可使一列火车开动4万公里,而一公斤聚变原料可以使一列火车开动40万公里,距离相当于从地球到月球。

对于核原料资源来说,地球上蕴藏着大量的铀、钍等核裂变资源,如果能够充分利用这些原料,那么就可以满足人类上千年的能源需求。

另外,海洋中蕴藏着大量(不少于20万亿吨)核聚变资源-氢的同位元素氘,如果未来在科技上实现可控核聚变的重大突破并加以和平利用,那么这些氘的聚变能相当于几万亿亿吨煤炭,可以能满足人类上百亿年的能源需求,能源问题可以完全得到解决。

二、核能科技演变历史回顾

核能是人类历史上的一项伟大发现,本质上是科学技术进步的重大产物,更是人类文明演变过程中的重大突破。

当然,每一项重大科技进步都离不开科学家,核能发现其实就是科学家尤其是早期西方科学家对人类社会发展和进步的重大贡献,正是一大批科学家的不懈努力和积极探索,才为核能开发和利用奠定了坚实的理论基础。

对于核能科技来说,人类社会可以直接追溯到19世纪末的科学发展,尤其是英国物理学家汤姆逊发现了电子,人类社会才开始逐渐地揭开了原子核的神秘面纱。

在核能发展中,以下科学家极其具有代表性的科学发现,奠定了人类现代核能开发和利用的基础,值得我们后人的深刻记忆。

1.发现X射线

年11月8日,德国物理学家伦琴在进行阴极射线的实验时第一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出了微光,那么是什么原因导致这些微光的出现呢?

伦琴经过几天废寝忘食的研究,确定了荧光屏的发光是由于射线管中发出的某种射线所致,因为当时对于这种射线的本质和属性还了解得很少,因此将这种射线称为X射线,意思就是未知射线。

年1月23日,伦琴用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片,克利克尔建议将这种射线命名为伦琴射线。

2.发现放射性

年3月,法国物理学家贝克勒尔发现,与双氧铀硫酸钾盐放在一起但包在黑纸中的感光底板被感光了,据此推测可能是因为铀盐发出了某种未知的辐射。

年5月,贝克勒又发现纯铀金属板也能产生这种辐射,因此确认发现了天然放射性现象,后来科学家将这种现象取名为放射性,也称其为天然放射性。

发现天然放射性具有划时代意义,为原子核物理学和粒子物理学的学科发展奠定了实验基础。

3.发现放射性元素

年7月,居里夫妇发现了新的放射性元素,其放射性强度比铀的放射性强四百倍,居里夫人建议将其命名为钋。

在此基础上,居里夫妇密切合作,建立世界上最早的放射化学工作方法。

年,经过三年多时间的艰苦研究,居里夫妇从数吨残渣中分离出微量的(一分克)氯化镭,并精确测得镭的原子量。

4.提出质能转化公式

年,大科学家爱因斯坦提出了著名质能转换公式,既E=MC,其中E代表能量,M代表质量,C代表光速。

提出上述公式是爱因斯坦在科学领域最大的贡献之一,揭示了物质与能量之间的逻辑关系,主张物质就是一种能量形式。

5.发现质子

年,英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出了原子核式结构模型,该实验被评价为“物理最美实验”之一。

年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验,从氮核中打出的一种粒子,并测定了它的电荷与质量,它的电荷量为一个单位,质量也为一个单位,卢瑟福将之命名为质子。

卢瑟福关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化,放射性能使一种原子改变成另一种原子,打破了元素不会变化的传统观念,使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次,开辟了一个全新的科学领域-原子物理学。

6.发现中子

年,约里奥·居里夫妇公布了关于石蜡在“铍射线”照射下产生大量质子的新发现。

英国物理学家查德威克意识到,这种射线很可能是由中性粒子组成,这种中性粒子是解开原子核正电荷与它质量不相等之谜的钥匙。

年,查德威克通过研究约里奥·居里夫妇做过的实验,用云室测定这种粒子的质量,结果发现这种粒子的质量和质子一样,而且不带电荷,并将其称为中子。

7.发现核裂变

年,德国科学家奥托·哈恩用一种慢中子来轰击铀核时,竟出人意料地发生了一种异乎寻常的情况,反应不仅迅速强烈、释放出很高的能量,而且铀核分裂成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分,这就是核裂变的发现。

8.启动世界第一座核反应堆

年12月2日,美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆-芝加哥一号堆,内部成功产生了可控的铀核裂变链式反应,从此开启了人类的原子能时代。

9.美国对日本投放原子弹

年夏,第二次世界大战接近尾声,日本败局已定,但是日本政府于7月28日拒绝接受《波茨坦公告》。

年8月6日和9日,美国先后在日本广岛和长崎各投下一颗原子弹,极大地震动了日本朝野。

年8月15日,日本天皇裕仁式发布《终战诏书》,宣布无条件投降。

10.世界第一个商用核电站

年,前苏联建成了世界上第一座核电站-奥布灵斯克核电站,但在建设初期属于最高机密,即使是身处建设工地的工人也不知道自己究竟在建造什么。

年6月27日,俄语广播电台播报的一条新闻震惊世界,前苏联建成了世界上第一座千瓦发电量的核电站,由此开启了人类和平利用核能的时代。

三、核能发展历程

核能发展并非一帆风顺,在发展过程中始终存在各种争议,也充满着坎坷或波折。

根据文献查阅,世界核电发展大致可以分成四个阶段:实验示范阶段、高速发展阶段、减缓发展阶段和逐渐复苏阶段。

1.试验示范阶段(-年)

在这一发展阶段,全球共有38个核电机组投入运行,由于核反应堆属于早期原型反应堆,因此在核电领域被称为第一代核电站。

在这期间,核电站建设和运行的国家比较少,走在前沿的国家包括前苏联、英国、美国、法国和加拿大等国,而且发电规模也比较小,基本上处于试验示范阶段。

2.快速发展阶段(-年)

在此时期,由于全球爆发石油危机,西方国家调整能源政策,急于寻找替代能源,核电得以快速发展,全世界共有个机组投入运行,在核电领域属于第二代核电站时期。

在此期间,引领全球核能发展步伐的国家主要还是西方发达国家和前苏联,比如美国、前苏联、日本、法国等国核电站建设和发展步伐迅速加快,核电规模也快速增加。

其中,法国核电发电量增加了20.4倍,占比由3.7%增加到40%以上,日本核电发电量增加了21.8倍,占比由1.3%增加到20%。

3.减缓发展阶段(-年)

在此期间,由于发生核电站事故,让世界各国对核能发展产生了强烈的担忧和恐惧,因此导致核能发展开始缓慢。

年3月28日凌晨4时,美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站第2组反应堆发生事故,涡轮机停转,堆芯压力和温度骤然升高,大量放射性物质溢出。

事故从最初清洗设备的工作人员过失开始,到反应堆彻底毁坏,整个过程只用了秒。

六天之后,堆芯温度才开始下降,蒸气泡消失,氢爆炸威胁解除。

在整个事故中,吨铀燃料虽然没有被熔化,但是有60%的铀棒受到了损坏,最终导致核反应堆陷于瘫痪。

年4月26日凌晨1点23分,位于前苏联加盟共和国乌克兰普里皮亚季邻近的切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆发生了爆炸。

由于爆炸连续发生,引发了熊熊烈火,并导致大量放射性物质散发到大气层中,辐射尘埃扩散到大面积区域,辐射线剂量相当于美国投放到广岛的原子弹的倍以上,绝对是一场巨大的人类灾难。

核事故发生,直接导致世界核电发展停滞,人类开始重新评估核电的安全性和经济性,为保证核电安全,世界各国不得不纷纷增加更多安全设施,制定更加严格的审批制度。

4.逐渐复苏阶段(21世纪以来)

人类社会进入21世纪以来,随着全球应对气候变化问题突显,能源安全、生态平衡和环境压力越来越大,作为清洁能源的核电优势再度显现,重新进入能源界的视野。

另外,随着科技进步,核电安全可靠性也在进一步提高,世界核电发展开始逐渐复苏,许多国家都制定了比较积极的核电发展规划。

对于西方发达国家,比如美国、欧洲和日本等推进科技进步,先后开发了先进轻水堆核电站技术,也就是第三代核电站技术取得了重大进展,陆续投入商业运行或不断开展项目建设。

不过,令人遗憾的是,日本发生了重要和安全事故,对世界核能发展再次形成压力或阻力,促使各国政府更加重视核安全问题。

年3月11日,日本东北太平洋地区发生了里氏9.0级地震,紧接着发生了巨大海啸,导致福岛第一核电站和福岛第二核电站受到了严重影响,迅速引起全球对核能安全问题的瞩目。

年3月12日,日本经济产业省原子能安全和保安院宣布,受地震和海啸的影响,福岛第一核电厂的放射性物质出现外部泄漏。

在这次核事故后,全球再度

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