目錄
1 概述
1.1 核能與宇宙的演變
1.2 放射性的發(fā)現(xiàn)
1.3 中子的發(fā)現(xiàn)與原子有核模型的建立
1.4 自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的實(shí)現(xiàn)
1.5 核電工業(yè)發(fā)展歷程
1.6
熱核聚變能技術(shù)參考文獻(xiàn)
2 核物理基礎(chǔ)
2.1 原子與原子核
2.1.1 原子與原子核的結(jié)構(gòu)和電荷
2.1.2 原子與原子核的質(zhì)量
2.1.3 原子核的尺度與密度
2.1.4 原子核的微觀物理特性
2.2 放射性與原子核的穩(wěn)定性
2.2.1 放射性衰變的基本規(guī)律
2.2.2 原子核的結(jié)合能與比結(jié)合能
2.2.3 原子核的β穩(wěn)定性
2.3 射線與物質(zhì)的相互作用
2.3.1 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用
2.3.2 電子與物質(zhì)的相互作用
2.3.3 γ射線與物質(zhì)的相互作用
2.4 原子核反應(yīng)
2.4.1 原子核反應(yīng)的守恒定律與反應(yīng)道
2.4.2 核反應(yīng)的反應(yīng)能
2.4.3 核反應(yīng)截面與產(chǎn)額
2.4.4 核反應(yīng)過程
2.5 中子物理學(xué)基礎(chǔ)
2.5.1 中子與物質(zhì)相互作用
2.5.2 核裂變與核聚變
2.5.3 中子慢化與擴(kuò)散
參考文獻(xiàn)
3 商用核電技術(shù)
3.1 核裂變反應(yīng)堆物理熱工設(shè)計(jì)
3.1.1 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)與反應(yīng)堆臨界
3.1.2 反應(yīng)堆時(shí)空動(dòng)力學(xué)
3.1.3 反應(yīng)性、反應(yīng)性系數(shù)與剩余反應(yīng)性
3.1.4 反應(yīng)堆釋熱與冷卻
3.1.5 核電廠工程熱力學(xué)與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
3.2 現(xiàn)有商用核電技術(shù)
3.2.1 壓水堆核電廠
3.2.2 沸水堆核電廠
3.2.3 重水堆核電廠
3.2.4 氣冷堆與高溫氣冷堆核電廠
3.2.5 石墨慢化水冷堆核電廠
3.2.6 液態(tài)金屬冷卻快堆核電廠
3.3 商用核電廠的核燃料循環(huán)技術(shù)
3.3.1 天然鈾或低濃鈾燃料一次通過
3.3.2 MOX燃料循環(huán)
3.3.3 低濃鈾PWR+CANDU兩次通過
3.3.4 快堆閉式燃料循環(huán)
3.3.5 釷鈾燃料循環(huán)
參考文獻(xiàn)
4 核安全與核能經(jīng)濟(jì)競爭力
5 中國核電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
6 核能的新紀(jì)元
7 未來的新型核能
8 中國核能可持續(xù)發(fā)展
全球核電技術(shù)發(fā)展衍變及第四代核電技術(shù)簡介
第四代核能系統(tǒng)是一種具有更好的安全性、經(jīng)濟(jì)競爭力，核廢物量少，可有效防止核擴(kuò)散的先進(jìn)核能系統(tǒng)，代表了先進(jìn)核能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和技術(shù)前沿。
通常來講，五、六十年代建造的驗(yàn)證性核電站為第一代核電技術(shù)；70、80 年代標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、批量建設(shè)的核電站為第二代核電技術(shù)；第三代則指90 年代開發(fā)研究成熟的先進(jìn)輕水堆；而第四代核電技術(shù)作為下一代核電技術(shù)，目前仍處于開發(fā)階段，預(yù)計(jì)可在2030 年左右大規(guī)模投入商運(yùn)。
第四代核電技術(shù)特點(diǎn)。1）能提供清潔、可持續(xù)的核能；2）低成本、建設(shè)周期短；3）更優(yōu)良的安全性和可靠性。具體到指標(biāo)：堆芯熔化概率低于10-6 堆年，在事故條件下無廠外釋放，初投資低于1000 美元/Kw，建設(shè)期小于3 年，總電力成本低于3 美分/Kwh。
全球核電技術(shù)衍變
技術(shù)類型
時(shí)間
代表堆型
特點(diǎn)
發(fā)展背景
第一代
1950-1960 年代中期
前蘇聯(lián)石墨沸水堆型、美國60 兆瓦原型壓水堆等
功率普遍小，一般300MWe 左右，主要建造目的原型示范作用
二戰(zhàn)后美國開發(fā)核能發(fā)電技術(shù)并于1957年首先將核潛艇壓水堆和常規(guī)蒸汽發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來，隨后法、日、西德等國先后引進(jìn)美國輕水堆技術(shù)
第二代
1966-1990
壓水堆、沸水堆和重水堆
單堆功率大幅提高至百萬千瓦級；實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、商用化和批量化
1973 年的第一次石油危機(jī)引發(fā)了美國與西歐各國的核電建設(shè)高潮
第三代
1990-2000
AP600 、AP1000、EPR等
具有更高安全性、更高功率，最大特點(diǎn)在于非能動(dòng)設(shè)計(jì)
上世紀(jì)80 年代中開始，美國、西歐先后公布了一套使各方面都能接受的電力公司要求文件，作為開發(fā)未來的先進(jìn)輕水堆的技術(shù)準(zhǔn)則，并稱之為第三代技術(shù)
第四代
2000 至今
氣冷快堆、鉛/鉍冷卻快堆、熔鹽堆、鈉冷卻快堆、超高溫氣冷堆、超臨界水冷堆
仍處于開發(fā)階段，要達(dá)到大幅減少核廢料、更充分利用鈾資源、降低核電站建造和運(yùn)營成本，以及更好地控制核擴(kuò)散
全世界日益嚴(yán)峻的核擴(kuò)散和反恐形勢、第三代核電比投資居高不下的困難，并考慮到燃料資源對核電可持續(xù)發(fā)展的重要性
資料來源：產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理
第四代核電技術(shù)由美國能源部于1999 年發(fā)起倡議并于2001 年征集到了包括英、法、日等12 個(gè)國家的94 個(gè)第四代核電站反應(yīng)堆系統(tǒng)，最終在此94 個(gè)概念堆的基礎(chǔ)上，一致同意開發(fā)六種第四代核電站概念堆系統(tǒng)，分別是：氣冷快堆、鉛/鉍冷卻快堆、熔鹽堆、鈉冷卻快堆、超高溫氣冷堆、超臨界水冷堆。
第四代核電技術(shù)分類特點(diǎn)
堆型
主要區(qū)別
核燃料
特點(diǎn)
發(fā)展進(jìn)度
超臨界水冷堆（SCWR）
超臨界水作冷卻劑、慢化劑
氧化鈾芯塊
系統(tǒng)簡單、裝置尺寸小、熱效率高、經(jīng)濟(jì)性和安全性更好
參與超臨界水冷堆技術(shù)開發(fā)的包括美國、加拿大、日本、歐洲、韓國和俄羅斯的研究、工業(yè)部門和大學(xué)，預(yù)計(jì)2015年可行性研究，2020年性能研究和建示范堆，2025年試驗(yàn)驗(yàn)證，2030年前后工業(yè)化
超高溫氣冷堆（VHTR）
石墨作慢化劑、氦氣作冷卻劑
高濃二氧化鈾，或低濃二氧化鈾
熱效率高、燃耗深、轉(zhuǎn)換比高、安全性能好等
1967年底原聯(lián)邦德國建成世界上第一座高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆。南非OPQHC電力公司最早實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆的商業(yè)化運(yùn)行，中、日等國也相繼展開其商業(yè)化建設(shè)
鈉冷快堆（SFR）
液態(tài)金屬鈉作冷卻劑，無慢化劑
鈾-钚混合氧化物
采用濃縮度比高的燃料、三回路系統(tǒng)，堆芯由燃料區(qū)和再生區(qū)組成的、良好固有安全性
美、法、日、德、俄等都在積極研發(fā)。1967年法國建成了一座實(shí)驗(yàn)堆，日本已設(shè)計(jì)出輸出功率為30萬千瓦的快中子堆
熔鹽堆
（MSR）
石墨作慢化劑、熔融態(tài)混合鹽作冷卻劑
不用固體燃料芯塊，采用氟化物和載體鹽的低熔點(diǎn)和共晶熔融體
熔鹽更有效地將熱量帶出堆芯，減少對泵、管道的需求，因此可縮小堆芯的尺寸
對熔鹽堆的集中研究始于美國飛行器反應(yīng)堆試驗(yàn)，四代反應(yīng)堆方案之一是熔鹽冷卻固體燃料反應(yīng)堆，電功功率1000MW的首臺示范方案將于2025年前完成
鉛冷快堆（LFR）
鉛-鉍作冷卻劑，無慢化劑
金屬鈾或鈾-238以及超鈾元素
化學(xué)穩(wěn)定性、高原子數(shù)、運(yùn)行工況下較低的蒸汽壓力和較高的沸點(diǎn)
最早始于美國、日本，目前各國針對鉛冷快堆的腐蝕問題進(jìn)行深入研究，特別是有氧控制腐蝕的研究已取得一定進(jìn)展
氣冷快堆（GFR）
氦氣作冷卻劑，無慢化劑
碳化物燃料
采用閉式燃料循環(huán)，放射性廢物產(chǎn)生少，有效地利用核資源
美國和歐洲原子能共同體、法國、日本和瑞士最早簽署了氣冷快中子堆系統(tǒng)（GFR）的合作安排，美、日氣冷快中子堆項(xiàng)目目前已在興建
資料來源：產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理
中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《
2015-2022年中國核電產(chǎn)業(yè)全景調(diào)研及投資策略咨詢報(bào)告》指出：我國已確立了“熱中子堆電站—快中子堆電站—聚變堆電站”三步走的核電技術(shù)發(fā)展路線，第四代核電技術(shù)的研發(fā)也納入了國家863 計(jì)劃重大項(xiàng)目。
目前，我國四代核電站中，已建成一座鈉冷快堆即中國實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)、一座高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆(HTR－10)，在建一座高溫氣冷堆商用規(guī)模示范電站即國家科技重大專項(xiàng)高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）。
我國四代核電技術(shù)發(fā)展
進(jìn)度
項(xiàng)目
技術(shù)路線
設(shè)計(jì)容量
投產(chǎn)時(shí)間
業(yè)主
備注
已建
中國實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)
鈉冷快堆
20 兆瓦
2010 年7 首次臨界，2011 年7 月正式并網(wǎng)發(fā)電
中核
我國完全自主研發(fā)的第一座快中子反應(yīng)堆，意味著中國第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破，使中國成為世界上第8 個(gè)掌握快堆技術(shù)的國家
已建
清華大學(xué)10 兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆(HTR－10)
高溫氣冷堆
10 兆瓦
2000 年首次臨界，2003 年實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行
清華大學(xué)核研院
世界上第一座具有模塊式高溫堆特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)電站
在建
石島灣模塊式高溫氣冷堆商用規(guī)模示范電站（HTR-PM）
高溫氣冷堆
20 萬千瓦
預(yù)計(jì)2017 年底前投產(chǎn)發(fā)電
華能集團(tuán)、中核、清華大學(xué)
中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一座高溫氣冷堆示范電站，也是世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特性模塊式高溫氣冷堆商用規(guī)模示范電站
資料來源：產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理
核能技術(shù)目前有兩路徑：一是核裂變，這個(gè)過程能釋放出巨大能量，最初被用來制造殺人武器原子彈，后來發(fā)展到可以控制這個(gè)過程，使之緩慢持續(xù)釋放能量，總算可以有和平用途了，就是今天爭議相當(dāng)激烈的核電技術(shù)。二是核聚變，這能夠釋放出更大的能量，但是這個(gè)過程至今還只能用來制造更大規(guī)模的殺人武器氫彈。科學(xué)家當(dāng)然也很想將核聚變過程控制起來，使之能夠?yàn)槿粘Ｉ钐峁┠茉础?div style="height:15px;">
按照現(xiàn)有的主流技術(shù)方案，核聚變必須在高溫高壓的環(huán)境中才能進(jìn)行，故這方面的研究統(tǒng)稱為“熱核聚變”。那種現(xiàn)在仍被有些科普作品描繪成最有希望的“托卡馬克裝置”（在強(qiáng)磁場約束中實(shí)現(xiàn)核聚變），也被歸入熱核聚變的范疇之內(nèi)。熱核聚變的研究通常需要投入巨資，并建造昂貴而龐大的設(shè)備。然而迄今為止還沒有獲得過任何成功。除此之外，也還有若干種別的聚變方案。這些相互競爭的方案，上演了一幕又一幕被該書作者稱為“怪異歷史”的活劇。
這本書的副標(biāo)題中用“怪異”一詞來修飾“歷史”，也似乎是這類作品中不太常見的修辭用法。因?yàn)樽髡咴H歷和參與了某些事件，因而可以生動(dòng)地寫出歷史故事。而這些歷史故事，又是與長期以來人們因在能源方面的迫切需求而渴望實(shí)現(xiàn)核聚變，并因這種迫切而為相關(guān)的研究加入了更多復(fù)雜的內(nèi)部與外部影響因素，從而讓這些歷史顯得“怪異”。也正是這些“怪異”之處，讓這本帶有歷史意味又兼具紀(jì)實(shí)風(fēng)格的科普作品頗有可讀性。
既然可控核聚變是人們力圖用來解決能源問題的夢想，那我們究竟應(yīng)該如何看待和評價(jià)這個(gè)夢想呢？人們當(dāng)然可以從科學(xué)上來分析討論，但除此之外，也許還有此書不太涉及的一些方面，即從發(fā)展、倫理、風(fēng)險(xiǎn)等方面對于這個(gè)夢想，以及人們追求這個(gè)夢想的相關(guān)行動(dòng)進(jìn)行討論。你是否這樣看呢？
其實(shí)對這類問題此書也有相當(dāng)?shù)纳婕?，只是作者論述時(shí)的立場是不鮮明的，似乎力圖保持“客觀”和中立。例如關(guān)于“冷核聚變”問題，弗萊施曼和龐斯兩人的宣布的實(shí)驗(yàn)別人無法重復(fù)，他們自己又難以自圓其說，卻仍有許多人堅(jiān)定不移地支持他們，這是一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。作者的解釋是“冷核聚變”這個(gè)夢想實(shí)在太美好，“僅用科學(xué)是摧毀不了的”。這樣的解釋盡管也無懈可擊，但終究顯得有點(diǎn)太大而化之了。
如果從“利益”的角度去看問題，也許會得到更合理的解釋。因?yàn)椤盁岷司圩儭笔且环N需要巨額資金和龐大設(shè)備的研究，所以在“主流科學(xué)界”的認(rèn)可之下，“熱核聚變”界長期享有巨額的科研經(jīng)費(fèi)?，F(xiàn)在“冷核聚變”跑出來，又不需要巨額經(jīng)費(fèi)和大型設(shè)備，如果這個(gè)方向得到認(rèn)可，“熱核聚變”界能夠得到的科研經(jīng)費(fèi)必將大大減少。
既然利益的因素是顯而易見的，就使得對“冷核聚變”的任何打壓都有動(dòng)機(jī)不純之嫌。這就形成一個(gè)非常麻煩的局面即使“冷核聚變”真的在科學(xué)上是錯(cuò)誤的，那由誰來判定這一點(diǎn)同時(shí)又能取信于民呢？由“主流科學(xué)界”來判定嗎？這有動(dòng)機(jī)不純之嫌；由“主流科學(xué)界”之外的人來判定嗎？那又“不專業(yè)”，同樣難以取信于民。也許正是這種兩難局面注定了“冷核聚變”是打不死的。
你上面的這段分析，頗有SSK(科學(xué)知識社會學(xué))的味道，當(dāng)然這不是此書作者的立場。你說作者似乎力圖保持“客觀”和中立，其實(shí)，同樣是按照科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)編史學(xué)的立場來看，包括科學(xué)史家在內(nèi)，觀察也都是滲透著理論的，那種絕對的“客觀”，至少在現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐中是不可能的。
我們今天常見的對核能的討論中，經(jīng)常會涉及有關(guān)核能研究的風(fēng)險(xiǎn)、利益和研究者的社會責(zé)任等話題，但此書作者這樣的討論，似乎隱藏了一種沒有明言的預(yù)設(shè)，即人類對能源的需要是天然正當(dāng)而且應(yīng)該滿足的，核聚變能的研究為了達(dá)到這一目標(biāo)，也就無需質(zhì)疑其附帶或是天然地就帶有的其他風(fēng)險(xiǎn)和毛病了，只要專心解決實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)問題就可以了。這樣的做法，也正是過去傳統(tǒng)科學(xué)史的寫法，正是過去傳統(tǒng)科普常見的立場。你的感覺相當(dāng)敏銳。事實(shí)上，當(dāng)我們將能源問題看成一個(gè)單純的科學(xué)問題或技術(shù)問題時(shí)，往往已有了一個(gè)預(yù)設(shè)我們對能源的需求永遠(yuǎn)是正當(dāng)?shù)?，永遠(yuǎn)應(yīng)該被滿足。其實(shí)這個(gè)預(yù)設(shè)是有問題的。先從一個(gè)比較淺的層面來看，每一次對原有能源需求的滿足，實(shí)際上都會刺激起進(jìn)一步的新需求。這一點(diǎn)經(jīng)常被人們忽略，其實(shí)是毫不奇怪的供求關(guān)系經(jīng)常是相互影響的。那么這種持續(xù)不斷增長的新需求是不是永遠(yuǎn)都正當(dāng)呢？這就涉及到更深的層面了，即我們以前討論過的“無限發(fā)展”或“無限進(jìn)步”的觀念。在這種觀念支配下，相信進(jìn)步可以是無限的，因而對發(fā)展的追求也可以而且應(yīng)該是無限的。在這兩個(gè)“無限”之下，對電力或能源的無限需求才是正當(dāng)?shù)?。而只要我們開始質(zhì)疑“無限發(fā)展”或“無限進(jìn)步”的觀念，則我們對能源的無限需求也就會跟著受到質(zhì)疑了。
對于核聚變，如果從人認(rèn)識自然的角度進(jìn)行研究，當(dāng)然也無可厚非，盡管其風(fēng)險(xiǎn)仍是值得關(guān)注的。但現(xiàn)實(shí)是，人們當(dāng)下往往把科學(xué)研究的目標(biāo)指向?qū)嶋H應(yīng)用，對核能的研究更是如此。要應(yīng)用，就有應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)和問題，這既與科學(xué)技術(shù)的內(nèi)容有關(guān)，也有超出科學(xué)技術(shù)所能控制的內(nèi)容。后者，在傳統(tǒng)的科普中通常是不被涉及的，而在新的科學(xué)文化傳播中，則越來越成為重要的內(nèi)容?！镀恐械奶枴愤@本書，本是傳統(tǒng)科普類型的作品，但當(dāng)我們有了不同的理念時(shí)，閱讀和思考相關(guān)問題，卻能走到討論有關(guān)“發(fā)展”的問題上。這并非離題萬里，因?yàn)檫@有關(guān)“發(fā)展”的問題，對于人類來說，其重要性顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出個(gè)別的具體科學(xué)技術(shù)問題的。
由此，我們既可以看到一種不同的讀書和思考的方式，也可以體會，新型的科學(xué)文化傳播的理想讀物可能是什么樣子。核聚變問題盡管離實(shí)際的應(yīng)用還道路遙遠(yuǎn)，但有關(guān)的普及讀物，也還是完全可以超越傳統(tǒng)科普的形式的。
