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發布日期：2022-04-26 點擊率：47
核能是20世紀人類的一項偉大發現，并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日，著名科學家恩里科·費米領導幾十位科學家，在美國芝加哥大學啟動成功了世界上第一座核反應堆，標志著人類從此進入了核能時代。
我們從中學的物理課和化學課已經學到，物質是由分子或原子構成的。分子是由原子構成的，原子是由原子核以及圍繞原子核的電子構成的，原子核是由結合在其中的一定數目的質子和中子構成的。質子帶正電，電子帶負電，中子不帶電。凡是不涉及到分子變化的過程叫做物理變化，凡是涉及到分子變化、但是原子并不發生變化的過程叫做化學變化。在核能出現以前，人類利用的能源只涉及到物理變化和化學變化，核能是通過原子核變化釋放出的能量。
核能分為核裂變能和核聚變能兩種。當一個重原子核在吸收了一個能量適當的中子后形成一個復合核，這個核由于內部不穩定而分裂成兩個或多個質量較小的原子核，這種現象叫做核裂變。核裂變釋放出的能量叫核裂變能。核聚變是兩個輕原子核結合在一起釋放能量的反應，主要包括氫的同位素氘（2H，重氫）和氚（3H，超重氫）聚合，或氘和氘聚合的反應。核聚變釋放出的能量叫核聚變能。自然界中的氘以大部分以重水的形式存在于海水中。氘的含量占氫的0.015%，1升海水中的氘通過核聚變釋放出的能量相當于300升汽油燃燒釋放出的能量。核聚變又叫“熱核反應”，受控的熱核反應目前正在研究當中。2002年12月2日，我國建成了受控核聚變研究裝置——核工業西南物理研究院的中國環流器二號A。目前核聚變的實際應用只是利用不可控的熱核反應，即制造氫彈。迄今，達到工業規模應用的核能只有核裂變能。
核能問世的準備時期，可以追溯到19世紀末至20世紀初。19世紀末，英國物理學家湯姆遜發現了電子。1895年，德國物理學家倫琴發現了X射線。1896年，法國科學家貝克勒爾發現了放射性。1898年，居里夫人發現了放射性元素釙，她又通過艱苦努力，于1902年發現了另一種放射性元素鐳。1905年，著名科學家愛因斯坦在其相對論中指出：質量只是物質存在的形式之一，另一種形式就是能量。質量和能量可以相互轉換。他提出了質能轉換公式E＝mC2（E為能量，m為轉換成能量的質量，C為光速）。核能就是通過原子核反應，由質量轉換成的巨大能量。1914年，物理學家盧瑟福通過實驗，確定氫原子核是一個正電荷單元，稱為質子。1932年，英國物理學家查得威克發現了中子。意大利物理學家費米在1934年以中子撞擊鈾元素后，發現會有新的元素產生。1938年，德國科學家奧托·哈恩及其助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾原子核時，發現了核裂變現象。1946年，我國物理學家錢三強、何澤慧在法國居居里實驗室發現了鈾原子核的“三裂變”、“四裂變”現象。
有些元素可以自發地放出射線，這些元素叫做放射性元素，它們放出的射線有α、β、γ三種。α射線是高速氦粒子流（氦原子核），帶正電，質量大（這里的質量大小是相對概念，實際上質量是很小的），射程短；β射線是高速電子流，帶負電，質量小；γ射線是速度很高的光子，它是從原子核內部發射出來的一種波長短的電磁波，不帶電，穿透力強。放射性核素放出這些射線不斷衰變，其原子核的數目因衰變而不斷減少。放射性衰變遵循指數規律，放射性核素的原子核數目因衰變而減少到它原來一半所需要的時間叫半衰期。
一個鈾–235原子核在中子的轟擊下分裂成為幾個較輕的原子核，同時放出2～3個中子，并釋放巨大的能量，這個反應過程稱為核裂變反應。在一定的條件下，新產生的中子會繼續引起更多的鈾–235原子核裂變，這樣一代代傳下去，像鏈條一樣環環相扣，使核裂變反應自持（自動連續）地進行下去，所以科學家將其命名為“自持鏈式裂變反應”。這“一定的”條件有兩個，第一個條件是鈾要達到一定的質量，這個質量叫做“臨界質量”；第二個條件是中子的能量，鈾–235原子核在慢速的“熱中子”作用下比較容易發生裂變反應。
鏈式裂變反應釋放出巨大的核能，1千克鈾–235裂變釋放的能量，相當于2700噸標準煤燃燒產生的能量。只有鈾–233、鈾–235和钚–239這三種核素在熱中子條件下容易發生核裂變，它們都是核燃料，其中只有鈾–235是天然存在的，而鈾–233、钚–239是在反應堆中人工生產出來的。鈾–235在天然鈾中的含量（叫做“豐度”）僅為0.7%。
反應堆是通過受控的自持鏈式裂變反應將核能緩慢地釋放出來的裝置，是和平利用核能的最主要的設施。反應堆的種類繁多，一般是根據用途分為動力堆、生產堆和研究堆。動力堆是利用核裂變釋放的能量來產生動力，進行發電、供熱、推動船艦等。生產堆是利用中子生產新的核燃料（核裂變材料钚–239、鈾–233，核聚變材料氚）。研究堆是利用中子進行基礎科學和應用科學研究。反應堆還可以生產放射性同位素。除了根據用途進行分類外，反應堆還可以按堆內主要中子能量分為熱中子堆（簡稱熱堆）、中能中子堆和快中子堆（簡稱快堆）；按冷卻劑分為輕水堆、重水堆（合稱水冷堆或水堆，輕水堆又分為壓水堆和沸水堆）、氣冷堆和鈉冷堆等。
不管反應堆的堆型怎樣變化，但其基本結構是一致的。反應堆由核燃料元件、慢化劑、反射層、控制棒、冷卻劑、屏蔽層等六個基本部分構成，此外還包括控制保護系統、輻射監測系統等。
反應堆的核燃料制成燃料元件，不同的反應堆燃料元件結構、形式不同。反應堆的燃料元件部分叫做堆芯。
核裂變產生的中子是快中子。熱中子堆由速度很慢的熱中子引起核裂變，必須使用慢化劑使快中子減速。慢化劑主要有水、重水、石墨、鈹、氧化鈹等。快中子堆不需要慢化劑。
控制棒是保證反應堆安全，開、停反應堆和調節反應堆功率的裝置。控制棒內有硼、鎘、鉿、釓、釤等“中子毒物”。
冷卻劑的作用是把反應堆中核裂變產生的熱量帶出加以利用并保證反應堆的安全。冷卻劑有氣體（二氧化碳、氦氣等）、液體（輕水、重水等）、熔融金屬（液態鈉等）。
屏蔽層的作用是屏蔽反應堆產生的γ射線和中子，一般使用重混凝土做屏蔽層。
反應堆的重要應用之一是進行發電。用于核電站的反應堆主要包括壓水堆、沸水堆和重水堆。1951年，美國進行了世界首次核能發電試驗。1954年，前蘇聯建成世界上第一座試驗核電站奧勃寧斯克核電站（反應堆為石墨水冷堆，電功率5兆瓦即5000千瓦）。1956年，英國建成世界上第一座天然鈾石墨氣冷堆核電站考爾德霍爾核電站（電功率9.2萬千瓦）；1957年，美國建成世界第一座壓水堆核電站希平港核電站（電功率6萬千瓦）；1959年，美國建成世界第一座沸水堆核電站德累斯頓核電站（電功率20萬千瓦）；1962年，加拿大建成世界第一座重水堆核電站道格拉斯角核電站（電功率20萬千瓦）。
為了實現核能的進一步發展，當前世界許多國家的核科學家正在研究與發展先進的反應堆，進一步提高反應堆的安全性和經濟性。我國正在研發兩種先進反應堆，一種是高溫氣冷堆，另一種是快中子反應堆。由清華大學核能與新能源技術研究院承擔的10兆瓦高溫氣冷實驗堆，由中國原子能科學研究院承擔的中國實驗快堆，已分別于2000年和2010年建成運行成功。最近，20萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆示范電站已在山東榮成動工興建，準備建設的中國示范快堆電站也已在福建三明完成了廠址選址工作。在核電主戰場，我國正在建設一大批國產改進的第二代壓水堆，并從美國、法國引進更先進的第三代壓水堆，進行消化吸收。
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