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当核能进入我们的生活
陈钊 2014-02-19
目前，中国是世界上在建核电机组数目最多的国家，全球72座在建核电机组中有28座建在中国。按照世界核协会的预测，到2030年中国的核电机组将超过美国，成为世界上核电机组数目最多的国家。核能在中国的快速发展几乎是一个不可逆转的大趋势。
随着越来越多核电站的开建，核能一词将更加频繁地进入公众的视野。一座核电站的建造会涉及一座甚至多座城市的民众，一百座核电就会涉及一百座甚至几百座城市的民众。不管你愿不愿意，核能已在悄悄地进入中国民众的生活。作为一名普通民众，我们并没有义务去理解太多晦涩的专业词汇，但当核能进入我们的生活时，我们应当对它有多一点的认识。
1 什么是核能
核能，是指核裂变反应或者核聚变反应释放出来的能量。对于什么是核裂变，什么是核聚变，我们这样简单地理解一下。根据爱因斯坦的相对论，物体的质量可以转换成能量，它们之间的关系是产生的能量等于消失的质量剩于光速的平方（E=mC2）。我们知道光速是一个非常大的数值，而光速的平方更是一个天文数字。所以，只要有一点点质量的消失（这样表达并不太准确，但方便理解，具体内容可以查阅专业词汇质量亏损），就会有巨大能量的产生。原子核在发生核裂变反应（一个原子核分裂成多个原子核）或核聚变反应（两个原子核聚合成一个原子核）时，就会有质量的消失，从而产生巨大的能力。
核电站，就是指利用核能来发电的电站。它的发电原理和火电站非常相似，只是以核反应堆替代火电站的燃煤锅炉而已。基本流程是，核燃料在核反应堆里发生裂变反应，所产生的热量将蒸汽发生器中的水加热成水蒸气，水蒸气驱动汽轮机转动，汽轮机带动发电机进行发电。采用不同的方法来控制核反应，以及采用不同的方法对核反应堆内的燃料进行冷却，就发展出了不同的反应堆堆型，如压水堆，沸水堆等。
图1 核裂变反应原理图
图2 核电站发电原理
2 核能的发展历史
世界上第一座反应堆是1942年美国物理学家费米在哥伦比亚大学的操场上建成的，这是著名的曼哈顿计划中的一部分。第一座核电站于1954年在前苏联建成，但当时建造核电站属于最高军事机密，并没有进行商业应用。世界上第一座商用核电站是英国人于1956年建成。虽然英国人建的这座核电站功率非常小，但已成功实现了商业化，开启了核能商业应用的时代。
在人类成功掌握了核能发电技术之后，核电进入了一个黄金发展时期。从上世纪60年代初到70年代末，世界核电装机容量从1GW发展到了100GW（约100座现代核电机组）。从70年代末到80年代末的十年间，世界装机容量从100GW发展到了300GW，也就是说在这10年里全世界建造了大约200座核电机组。然而，核能的好景并不长。1979年，美国发生了三里岛核事故，1986年，前苏联发生了切尔诺贝利事故，世界核能瞬态掉入了深渊，停滞发展长达20年。
到了2005年左右，由于气候变暖问题的日益严峻和化石能源危机的逐渐突显，各国政府开始重新指定核能发展计划，其中最为雄伟的发展计划就来自中国。正当全世界开始准备迎接核能复兴的到来时，日本发生了福岛事故，核能又重新成为了一个敏感话题。
图3 世界核能发展历史
3 谁在用核能
目前，世界上有435座核电，排在前三位的是美国100座，法国58座，日本48座，中国有15座，排在第八位。全世界核能发电占总发电量的11%，其中法国74.5%，美国19%，而中国只有2%。
从这些数据中我们可以看到，利用核能最多的是世界上最发达的国家。核电技术是一个国家工业水平的重要体现，能够大规模应用核能的也是世界上工业水平最高的国家，如美国、法国、日本等。我们知道，核电站具有很大的危险性，还存在诸如核扩散，核废料处理等诸多问题。但为什么核能能够在这些发达国家中得到快速发展，这些发达国家里的民众是如何看到核能的，这些都是值得我们深思的问题。
图4 世界各国核电站数目
4 为什么没有放弃核能
核能是一种清洁的能源，核能发电过程中不产生二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和灰尘等环境污染物。核电也是一种经济的能源，经过了几十年的发展，核电的发电成本基本与火电相当，甚至还要优于火电。
核能的安全问题是我们现在最关注的一个问题。发达国家通过几十年的使用经验足以告诉我们，核能的安全性完全可以得到保障。美国学者研究表明，美国人每年来自核电站的辐射剂量只占其年平均辐射剂量的0.005%，这个剂量只相当于吃一只香蕉带来的辐射剂量（每吃一根香蕉，人体内会增加0.005毫克的放射性元素钾-40）[1]，而来自燃煤电站的辐射剂量占其年平均辐射剂量的1%[2]。从能源事故来带的人员伤亡情况来看，核能也是优于其他能源形式的。比如日本福岛核事故，虽然造成了大面积土地暂时隔离，几十人民众需要临时撤离，经济损失严重。但不可否认的事实是，如此严重的核事故并没有造成人员伤亡。而一个小煤矿事故，一个小输油管事故，就能造成几十人的死亡。如果我们再把化石燃料燃烧造成的环境污染问题算是的话，核能对人类安全的威胁是远远小于化石能源的。
事实上，美国大部分民众是支持核能的。调查发现，有70%的美国人支持核电，84%的美国人认为核能可作为未来电力的重要来源，70%的人会接受在最近的核电厂建一个新的反应堆[3]。
对于消费者来说，核电可以提供更加廉价的电力；对于环保主义者来说，核电是清洁的、低碳的能源；对于政府部门来说，核电是目前唯一一种可以大规模替代化石能源的能源形式。在化石能源逐渐枯竭，气候变暖问题和环境污染问题日益严峻的情况下，人类是不可能放弃核能的。
5 核能对于中国的意义
中国现在是世界上能源消耗最大的国家，但中国的总体发展水平还远低于西方发达国家。中国还需要继续发展，这也意味着中国还需要更多的能源。这么大的能源需求，我们靠什么来提供呢？据BP公司发布的世界能源观察报告，我国2012年一次能源消费总量为2735.2百万吨油当量/Mtoe，化石能源占90.9%，非化石能源只占9.1%，而化石能源中，煤炭占了68.5%。有一个事实我们必须强调一下，化石能源终究会有用完的一天。这个问题离我们并不遥远，可能是100年，也可能是200年，大概就会在我们的孙子那一代出现。如何应对化石能源枯竭的问题，是摆在政府面前的一个实实在在的问题。
表1 2012年世界各国一次能源消费结构
以煤炭为主的能源结构还带来了严重的环境污染问题和气候变暖问题。去年席卷大半个中国的雾霾天气已经让我们切身体会到了空气污染的严重程度。雾霾天气的最主要原因正是由于大规模使用化石能源而向大气中排放出来大量的污染物。而气候变暖问题可能离我们的生活比较遥远，但却是政治家关注的一个焦点。每年的联合国气候会议，各国政要都会如期出席。2009年的联合国气候变化峰会上，中国已经向世界承诺到2020年，非化石能源要占比达到15%，这并不是一个容易实现的目标。
核能，作为一种可大规模应用的清洁能源，对于解决中国的空气污染问题，调整国家能源结构以及实现清洁能源发展目标，都是具有极为重要的作用。（文/陈钊）
参考资料
[1] CDR Handbook on Radiation Measurement and Protection
[2] National Council on Radiation Protection and Measurements No. 92 and 95
[3] Perspectives on Public Opinion, NEI publication, June 2008
作者简介：
陈钊（1987-），男，广东潮州人，中国科学技术大学核科学技术学院博士生，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）核能技术研究所国家公派联合培养博士生，从事先进核能系统的设计与安全分析研究。
E-mail: zchen214@mail.ustc.edu.cn
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