[科普中国]-原子能

简介原子的组成

原子是由质子、中子和电子组成的。世界上一切物质都是由原子构成的，任何原子都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。一个铀-235原子有92个电子，其原子核由92个质子和143个中子组成，50万个原子排列起来相当一根头发的直径。如果把原子比作一个巨大的宫殿，其原子核的大小只是一颗黄豆，而电子相当于一根大头针的针尖。一座100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。1

原子核的结构原子核一般是由质子和中子构成的，最简单的氢原子核只有一个质子，原子核中的质子数（即原子序数）决定了这个原子属于何种元素，质子数和中子数之和称该原子的质量数。

同位素质子数P相同而中子数N不同的一些原子，或者说原子序数Z相同而原子质量数不同的一些原子，它们在化学元素周期表上占据同一个位置，称为同位素。所以，“同位素”一词用来确指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。 同位素按其质量不同通常分为重同位素(如铀-238、铀-235、铀-234和铀-233）和轻同位素（如氢的同位素有氘、氚）。

核能如何释放核能的获得主要有两种途径，即重核裂变与轻核聚变。U-235，有一个特性，即当一个中子轰击它的原子核时，它能分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2—3个中子和β、γ等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。

如果有一个新产生的中子，再去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变，以此类推，这样就使裂变反应不断地持续下去，这就是裂变链式反应，在链式反应中，核能就连续不断地释放出来。1

核聚变与铀相同数量的轻核聚变时放出的能量要比铀大几倍。例如1克氘化锂（Li-6）完全反应所产生的能量约为1克铀-235裂变能量的三倍多。实现核聚变的条件十分苛刻，即需要使氢核处于几千万度以上高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。

例如，两辆完全相同的汽车，都是5吨，一辆在运动，一辆是静止的，如果运动的车一旦与静止的车发生碰撞，猛然停止时，动能虽然失去了，可我们发现，汽车在相撞处变得很热。这是什么原因呢？汽车的动能转变成了撞击点金属的热能。但是，原子能比化学反应中释放的热能要大将近5000万倍：铀核裂变的这种原子能释放形式约为2亿电子伏特(一种能量单位)，而碳的燃烧这种化学反应能量仅放出4.1电子伏特。原子能是怎样产生的呢？铀核裂变以后产生碎片，但所有这些碎片质量加起来少于裂变以前的铀核，那么，少掉的质量到哪里去了，就是因为转变成了原子能。爱因斯坦用E=mc²的公式来表示，即：能量等于质量乘以光速的平方。由于光速是个很大的数字(c=299792458m/s)，所以质量转变为能量后会是个非常巨大的数量，释放的能量为ΔE=Δmc²。在核反应过程中，原子核结构发生变化释放出的能量，又称核能，20世纪30年代末，科学家发现，用中子轰击铀原子核，一个入射中子能使一个铀核分裂成两块具有中等质量数的碎片，同时释放大量能量和两三个中子；这两三个中子又能引起其他铀核分裂，产生更多的中子，分裂更多的铀核．这样形成的自持链式反应，可在瞬间把铀核全部分裂，释放出巨额能量．铀235可以被任何能量的中子特别是运动速度最慢的热中子分裂．铀238只能被运动速度很快的快中子分裂，对慢中子和热中子则只俘获不分裂．通常所说的核裂变，主要指铀235核分裂．一个铀235核分裂释放的核裂变能为2亿电子伏特．这是原子核结构发生变化的一种方式，叫裂变反应．另外一种方式叫聚变反应．如一个氘核和一个氚核聚合成一个氦核释放出的核聚变能为1760万电子伏特．以相同质量的反应物的释能大小作比较，核裂变能和核聚变能分别是化学能的250万倍和1000万倍，1千克铀-235相当于2500吨煤，1千克氘和氚相当于1万吨煤。1

核能在50多年前，科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出2—3个中子和大量的能量，放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多，这就是核裂变能，也就是我们所说的核能。

原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用，而核电反应堆也是利用这一原理获取能量，所不同的是，它是可以控制的。1

轻核聚变两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反应叫轻核聚变反应。它是取得核能的重要途径之一。在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为“热核聚变反应”。

氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用，正在研究受控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理，它与氢弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。2

铀铀是自然界中原子序数最大的元素，天然铀由几种同位素构成:除了0.71%的铀-235（235是质量数）、微量铀-234外，其余是铀-238，铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。也就是说1克U-235完全裂变释放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。1

应用好“帮手”谁都知道，用放射性来治疗癌症是很有效的。美国的医生就曾用一种金属制的弹丸，使其具有放射性，然后利用特别的枪把弹丸射入根深蒂固的肿瘤里面。

割除癌性肿瘤后，外科医生用具有放射性的钴丝缝合创口，不仅可以起到一般缝合的作用，而且还有放疗杀癌细胞的功能，可谓一举两得。

使用放射性可追踪碳原子在生命过程的行踪。如让老鼠吃有放射性碳（碳14）的糖，则通过盖革计数器可侦察到糖的行踪。如果在老鼠的脂肪里找到了放射性的碳原子，就可以判断糖已经转化为脂肪了。

放射性同位素有时还帮助医生做出重要的判断。一位妇女在一次意外的事件中压伤了手臂，正躺在一家医院的手术台上等候手术。但是外科医生必须尽快查明她的手臂里是否还有足够的血液循环经过，以便决定要不要做截肢手术。医生把放射性钠，以放射性食盐的形式掺进普通的食盐里面，注进了这名妇女的血管里，然后用盖革计数器进行追踪。结果显示，这条手臂尚有相当充分的血液循环存在。因此在几秒钟内，这种放射性同位素便使医生断定无须做截肢手术。

放射性同位素对诊断癌症也很有帮助。哈佛医学院和麻萨诸塞州的许多医院，都在使用一种“正子诊察机”来检查脑瘤，而不必开颅。将少量的放射性砷注射到患者的静脉里，几小时后，带有放射性标签的砷便在盖革计数器上显现出来，并显示出何处砷的数量最多。由于癌瘤比正常的组织吸收较多的放射性砷，在大多数情况下，医生都可以准确地判断癌瘤的大小和位置。而乳癌可以利用放射性钾来诊断，因为放射性钾集中于乳瘤的部分远比其他部位多。

显然，放射性不仅可以致人于死地，也能使病人从病痛中解脱出来。3

农民的朋友随着生物技术的发展，放射性同位素在农业上也有广泛的应用。

全美国的农民每年用于肥料上的金钱要超过1000万美元。放射性同位素可以指导他们如何利用这笔投资来获取更大的收益。对于每一种农作物，农民都可以利用放射性同位素确定何种肥料及多大施用量为最合适，并能确定施肥的最佳时机和最佳方法。以前人们一直认为植物所有的养分都是由其根部吸收的，但是利用放射性同位素作示踪剂证明，事实并非如此。果树、番茄、马铃薯以及其他植物的叶也可以迅速有效地吸收肥料。根据这种情况，农民不仅把肥料施用于土地上，也喷洒在叶子上，这样植物对肥料的吸收量大约可增加10倍以上。使用放射性同位素还可以改良植物的品种。

科学家很早就知道，植物暴露于放射线之下可以产生变异，并且这种变异可遗传给下一代。利用放射性同位素改良植物的品种已取得很大的进展。放射线使苹果、梨和葡萄等发生突变。利用这些实验，人类可以随心所欲地得到色香味俱佳的水果和蔬菜。更进一步的研究表明，科学家利用放射性进行科学育种，使有些植物可以生长在干旱地带、有些植物可以生长在多雨地区。并且在不远的将来，无论是在高寒地带，还是在土壤贫瘠的地区，都会有适宜的农作物生长。

从事植物研究的科学家已经成功地培育出大麦的新品种，该品种大麦的麦粒和麦秆的产量都很高。通过对花生的种子进行放射性处理，能使每亩的产量提高30%.此外，培育出适应某种需要的种子只需用一年半的时间，若用传统的植物育种的方法，至少要花费十年的时间，并耗用大量的资金。

放射线还是对付害虫的一种武器。雄性螺旋蝇经过钴照射后便不能生育，雌性螺旋蝇与失去生育能力的雄性螺旋蝇交配所产的卵便不能发育成虫。农业科学家已利用这种方法消灭了大量的害虫。

对于新问世的动物催肥剂是否对人体有害也可以用放射性做实验。一种新型的供猪和鸡食用的催肥剂给猪和鸡吃了以后，可减慢其甲状腺的功能，从而使猪和鸡在同样食量的情况下，生长得又快又肥。但是，在猪的肌肉里，是否含有这种催肥剂的成份？人吃了这种肉后，是否会对身体健康有影响？在烤鸡和炒蛋里面是否也含有这种催肥剂呢？这是令人担忧的问题。但是，利用放射性实验得出的答案是否定的。农民可以安全地使用这种催肥剂来增加猪和鸡的重量。

利用药物可减缓动物甲状腺功能，对人体并不造成任何损害这一原理，科学家还使母牛的性情变得温和起来，并使之产更多的牛奶。

我们正步入原子时代，人类走到了十字路口。一条路是把原子能所创造的奇迹用在和平的目的上，以谋求社会的进步。另一条路则通向地球上生命的死亡和毁灭，制造更大的更加可怕的炸弹。我们相信人类会选择前者，而不是后者。3

发电概述利用铀、钚、钍等核燃料在核反应堆中核裂变所释放出的热能，将水加热成高温高压蒸汽以驱动汽轮发电机组发电的一种发电方式。

无知的代价在20世纪初，人们对镭等放射性物质的危害还一无所知。在美国新泽西州的一家钟表制造店里，女工们用极尖的油漆刷把含镭的油漆涂在手表的针面上。有些女工用嘴唇抿直刷毛，以保持漆刷的尖锐。她们所咽下去的少而又少的一点镭为骨骼所吸收。数年之后，有人因镭中毒而死亡。这是因为对放射性物质的无知而造成的典型的悲剧。其中有些染病的骨骼已被保存在实验室里，供作进一步研究用。

随着人类对放射性和原子能认识的加深，特别是原子弹问世以后，大批科学家开始了和平利用原子能的研究。人们已经知道，原子能不仅可用来造原子弹，还可以用于发展生产、改善人民生活、减轻人类的痛苦。

核电站环境污染问题大部分是由使用化石燃料引起的，化石燃料燃烧会放出大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等有害气体造成的“温室效应“，将使地球气温升高，会造成气候异常，加速土地沙漠化过程，给社会经济的可持续发展带来灾难性的影响，核电站并不排放这些有害物质，不会造成“温室效应“，与火电厂相比，它能大大改善环境质量，保护人类赖以生存的生态环境等。

在国外核电站的周围有人居住、游泳、放牧牛羊、钓鱼，有的核电站位于大城市附近，有的位于游览区。核电站是安全、经济、干净的能源，与火电站相比，更有利于保护环境。

经济能源世界上有核电国家的多年统计资料表明，虽然核电站的比投资高于燃煤电厂，但是，由于核燃料成本显著地低于燃煤成本，以及燃料是长期起作用的因素，这就使得核电站的总发电成本低于烧煤电厂。

可持续能源世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。这些裂变燃料足够使用到聚变能时代。聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为0.034克/升，据估计地球上总的水量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。按世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。因此，有些能源专家认为，只要解决了核聚变技术，人类就将从根本上解决了能源问题。

原子发电不是梦人们最容易想到的利用原子能的途径就是设计一种原子反应堆，然后利用里面产生的热能发电。但是，用原子能发电要比用传统的方法贵得多。主要不是因为所用的燃料昂贵，而是由于原子能发电厂的建造要十分安全，能够防止射线的逸出。只有在技术条件成熟的情况下，原子能发电厂的造价才会有所降低。

从1956年英国女王伊利莎白二世按下开关按钮、世界第一座大型原子能发电厂供电开始，到1965年，英国已有19座原子能发电厂，还有许多座发电厂正在设计过程当中。许多国家都有原子能发电厂。

当科学家们最早谈起轻便的原子能发电厂时，很多人认为他们是在做梦。有些机动的原子能发电厂，或以车载或以空运送到一个地点，在12个小时之内就可以发动使用。而一磅的铀就相当于6千桶的油料。对于荒凉的北极和南极地区而言，在低于零度的气温条件下，轻便的发电原子反应堆似乎是解决电力和热量供应问题的最好方法。如美国曾用27只大箱子装满原子发电厂的零件，每只重约15吨，送到偏僻的怀俄明山顶，到那里再安装起来，成为一座供雷达使用的中型发电厂。

除了发电外，体积较小的原子反应堆还有其他用途，美国1955年下水的第一艘核潜艇“鹦鹉螺号”就是用和高尔夫球一样大小的一块铀推动的。“鹦鹉螺号”第一年在海上航行了几万公里，没有添加任何燃料。

原子反应堆在产生大量热能的同时，还能产生大量的中子流。有一些元素在中子流的轰击下能捕捉住其中的一个中子，变成具有放射性的元素。但是，这些元素不是通常所说的放射性元素，它们由于吸收了一个中子才具有放射性，因此人们称它们为人造放射性元素。多了一个中子后，原子的质量也发生了变化，人们又称这些元素为放射性同位素。

不管是哪一种放射性元素，其表现都是一样的。它能够持续不断地放射出射线和粒子。放射性同位素正是靠这种表现才身价百倍。3

“福尔摩斯”设想一个窃贼从现场慌忙逃跑。他经过出口，一擦而出，但难免有一点儿几乎无法觉察的油漆附着到他的衣服上，或者可能从偷来的汽车上沾到一点油污，或者从犯罪的现场带走一缕头发。使用原子放射性的活化分析能够鉴定这些微小的东西，而让他们俯首认罪。虽然不同人的头发含有少许相同的成份，但其所有的各种成份的数量却因人而异。2

活化分析活化分析是原子能在工业界最有意思的应用。当某物一经放射性照射，其每一种构成元素都会变为一种同位素，而且每一种同位素都有其独特的放射方式。利用这种方法，科学家可以鉴别物体里的材料种类，以及每一种成份的精确数量。

活化分析有两大优点，其中之一就是可在几分钟内准确无误地鉴定物质。若用过去的老方法，可能需要数天甚至数周的时间。

放射性同位素可用作一种检查工具，寻找飞机机身损坏的部位，和电气系统联接不良的地方。机身上有些部位不容易达到，但是使用放射性同位素如铯137可以进行检查，而且轻而易举。2

放射性侦察放射性侦察还可以保护机器操作人员的安全。比如，冲压机操作人员的手可用放射性袖口来加以保护，当他没有及时把手抽出来的时候，机器便因放射线的关系而自动停止下来。

有些货箱在脱离生产线的时候，可以用放射性同位素来检查，如果一个货箱装得不好，在货箱经过两边分别设置有同位素和盖革计数器的通道时放射线增加，一只警告灯便亮了起来，或者可以调整机器，使之能适时地剔出包装不良的货箱。2

质量和效果放射性在工业上还有一种应用，即检验产品的质量和效果。以肥皂和洗涤剂为例。细菌小而又小，不用显微镜便无法看到它们。不过，如果用放射性同位素来培养细菌，它们都变得有放射性，可以很容易地用盖革计数器测出来。如果为了检查各种肥皂和洗涤剂的清洁能力，把放射性细菌放在衣服上，再各用不同的肥皂和洗涤剂清洗，测量残留的细菌就可以知道每一种肥皂和洗涤剂的好坏。

第四代利用反物质的原子，制造无任何污染的核能源。将氢原子核中的质子与氢原子加速对撞，产生反氢原子，此时的原子核为负电荷，外围电子为正电荷，当反氢原子与氢原子相遇时，灰飞烟灭，瞬间产生强大的光辐射能和波能并摧毁一切，核聚变过后，不会剩余任何的核污染物。可利用正反物质的原子核聚变，来生产新型的核能源，以代替重污染的核材料。科学家正在寻找简便的方法来制造反物质，利用外太空收集器的方式，收集反物质粒子，也可利用高强度的激光照射黄金，产生黄金的反物质，也就是制造反金原子。用以减少制造反物质的成本，加速新型核能源的生产。

全球市场发展中国核能

中国大陆核电发展主要经历了核电起步阶段、适度发展阶段、积极发展阶段和安全高效发展阶段。

中国核电从自行设计、建造第一座30万千瓦秦山核电站起，已建成浙江秦山、广东大亚湾和江苏田湾三个核电基地，截至2013年8月底，共有17台机组相继投入商业运行，总装机容量约1475万千瓦。投入商业运行的17台核电机组分别是：浙江秦山一期核电站、浙江秦山核电站二期、浙江秦山核电站三期、广东大亚湾核电站、广东岭澳核电站一期、江苏田湾核电站一期，广东岭澳核电站二期、浙江秦山核电站二期扩建工程，福建宁德核电站1号机组、辽宁红沿河核电站1号机组。

英国核能

英国建成了世界上第一座商业运营核电站。结合国内巨大的消费市场，英国政府对核能产业给予了政策上的大力支持。经过半个多世纪的攻坚历程，英国核电积累了世界领先的技术经验，建立了成熟发达的人才基地，形成了成套的产业链及完备的配套服务体系。英国核行业拥有超过40亿英镑营业额，据估计，在未来10年内，英国核电行业还会吸引150亿—170亿英镑的额外投资。作为第四代核能国际论坛的成员之一，英国是倡导第四代核电技术的活跃力量。

英国是世界核能发展历史最悠久的国家之一，长久以来，核能产业技术在英国的发展已经奠定下了坚实的基础。在研发能力方面，英国拥有众多核技术研发中心和实验室。英国有超过15万名学生在英国学习工程相关学科，许多大学也专门设立了核能研究中心以支持英国核能产业的发展。先进的行业技术，优秀的科研人才中心，核能技术人才的培养中心不仅为英国蓬勃的核能行业发展提供了重要的技术及经验支持，更为投资者的核能技术人才交流提供了良好的平台。

法国核电

法国80%左右的电力由核电供应，也是计划建造更多核电站的惟一欧洲国家。法国是仅次于美国的全球第二大民用核大国，法国拥有核电站18座，核发电机组57个。4