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一．概述
自从1896年法国物理学家贝可勒尔发现铀的天然放射性以来，由于近百年来世界各国科学家的辛勤探索，人类不但对物质的微观结构有了更深刻的了解，而且还开发出了威力无比的核能。与此同时与核能相关的核技术，如加速器技术、同位素制备技术、核辐射探测技术、核成像技术、辐射防护技术及应用核技术等也得到迅猛发展。近百年来在这个领域已有40多位科学家获得了世界科学技术成就的最高奖赏——诺贝尔物理学奖或化学奖，这是其他任何学科领域都从未有过的。
第二次世界大战末期，美国使用绰号叫“小男孩”和“胖子”的两颗原子弹在日本广岛和长崎造成了人间灾难。从此人们一听到“原子弹”三个字就不寒而粟，甚至“原子能”或“核能”也被曲解为核武器的代名词。直至今天还有不少人对核电站害怕得很，以为核电站出事故时也会像原子弹一样爆炸，公众对核能和核技术充满恐惧感和神秘感。
然而核能的发现和应用也与古代“火药”的发明和应用一样，它既能用来作为杀人武器，又能移山填海，造福人类。事实上，第二次世界大战结束后，热爱和平的各国科学家就在和平利用核能力上面进行了卓有成效的工作。原子弹爆炸9年后，世界上第一座核电站在前苏联建成发电，它标志着人类大规模利用核能时代的开始。然而，直到今天，核能的利用仍然在两个领域中同时展开和同时发展。一方面在建设更多的不同堆型的核电站——轻水堆电站、重水堆电站、快堆电站，另一方面又在制造大规模的杀伤核武器——原子弹、氢弹、中子弹；一方面在建造核动力破冰船，另一方面又在建造核动力航空母舰和核潜艇。以致直至今天人类仍处在核威胁和核恐怖之中。为此热爱和平的人们一直在呼吁禁止核武器，直至彻底销毁全部核武器。
在进入21世纪，和平和发展已成为世界主流，人们既期望核能作为最具潜力的新能源在解决人类面临的能源危机中能发挥主力军的作用；又希望核武器永远在地球上消失，让人类赖以生存的地球成为美丽的乐园。
二．原子与原子核
人类对客观世界的认识是逐步深化的。从宏观上讲，宇宙浩瀚无穷；从微观上讲，又存在一个肉眼看不见的，难以捉摸的无限渺小的世界。
两千多年前人们就提出：世畀是由什么构成的?鉴于当时的科学技术水平，人们只能靠猜测和臆想来解释丰富多采的自然现象。时至今日，对这个问题人们可以毫不犹豫地回答：宇宙间浩瀚的万物都是由元素构成的。
构成元素的最小单位是原于。原子非常小，其直径大约只有l*lO-8cm。1911年卢瑟福通过用α粒子轰击金属薄片的散射实验证实这么小的原子也是有核的。原子核更小，约为10-13cm，只占原子大小的十万分之一。原于核带正电，它周围是数目不等的带负电的电子。原子核又是由质子和中子两种粒子组成，质子带正电，中子不带电。质子所带正电荷的大小和电子所带负电荷的大小正好相等，因此整个原子是中性的。现代科学家测出质子的质量为1.007277原子质量单位，中子的质量为1.008665原子质量单位，而电子质量仅为0.0005486原子质量单位，可见原子的质量主要集中在核上。质子所带正电荷的电量为1.602192*lO-19C。
如果原子核是由Z个质子和N个中子组成，则Z就是该原子核所属元素的原子序数。Z+N=A，A就是原子的质量数。因此如果知道某元素的原子序数和质量数就可以知道原于核里的质子和中子数。通常用如下符号表示元素的核状态：
质子数相同的原子具有相似的化学性质，处在元素周期表的同一位置，但它们的中子数可能不同；我们就把质子数相同而中子数不同的元素称之为同位素。例如氢原子核只有一个质子，没有中子(
 )，而它的同位素氘则有一个质子和一个中子(
 )，氚有两个中子和一个质子(
 )。同位素在化学性质方面虽然相似，但其他性质就相差甚远。如氢和氘都是稳定的同位素，而氚却带放射性。
1896年法国科学家贝可勒尔发现铀元素能自动地放射出一种穿透力很强的射线，它能透过黑纸使底片感光，这就是所谓放射现象。随后1900年居里夫妇在研究镭射线时发现，镭射线通过磁场后被分为两束。1906年卢瑟福在重复居里夫妇的实验时采用更高强度的磁场，结果镭射线被分成了三束(见图4-1)。后来科学家就把这三束射线分别称之为α射线、β射线和γ射线。其中α射线是由带正电的高速度的氦原子核组成；α射线是由速度很大的电子组成；而γ射线则是一种波长极短，不带电荷的穿透力极强的射线。
现在科学家们已经知道，每一种元素的同位素在受到中子轰击后，多半都会变成一种特定的放射性元素，都会放出。、α β γ射线，这些射线都具有一定的穿透力。因此人们可以在一种元素的原子核上人为地添加中子或质子，使他们变成别的原子。这样的原子常常是有放射性的，通常就称之为放射性同位素。通过加速器或核反应可以获得大量的放射性同位素。
放射性同位素的原子核是不稳定的，它能自发地放射出α、β、γ射线而转为另一种元素或转变到另一种状态，这一过程称之为衰变。衰变是放射性原子核的基本特征。但放射性同位素的每个核的衰变并不是同时发生的，而是有先有后。为了描述衰变过程的快慢，科学家定义放射性元素的原子核数因衰变而减少到原有原子核数一半时所需的时间为半衰期。因此衰变越快的元素，半衰期越短。半衰期是放射性同位素的一个特定常数，它基本上不随外界条件的变动和元素所处状态的改变而改变。
三．核能的来源
人类生活中利用的大多是化学能。化石燃料燃烧时燃料中的碳原子和空气中的氧原子结合，同时放出一定的能量。这种原子结合和分离使得电子的位置和运动发生变化，从而释放出的能量称之为化学能。显然它与原子核无关。
如果设法使原子核结合或分离是否也能释放出能量呢?近百年来科学家持之以恒的努力给予的答案是肯定的。这种由于原子核变化而释放出的能量，早先通俗地称为原子能。因为所谓原子能实际上是由于原子核发生变化而引起的，因此应该确切地称之为原子核能。经过科学家们多年的宣传，现在广大公众已了解原子能实际上是“核”的功劳，于是现在简洁的称呼“核能”取代了“原子能”；“核弹”、“核武器”取代了“原子弹”和“原子武器”。
“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在原子核中的一种非常强的作用力——核力。试想，原于核中所有的质子都是带正电的，当它们拥挤在一个直径只有10-13cm的极小空间内时其排斥力该有多么大!然而质子不仅没有飞散，相反地还和不带电的中子紧密地结合在一起。这说明在核子之间还存在一种比电磁力要强得多的吸引力，这种力科学家就称之为“核力”。核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。当核子间的相对距离小于原子核的半径时，核力显得非常强大；但随着核子间距离的增加，核力迅速减小，一旦超出原于核半径，核力很快下降为零。而万有引力和电磁力都是长程力，它们的强度虽会随着距离的增加而减小，但却不会为零。
科学家在研究原于核结合时发现，原子核结合前后核子质量相差甚远。例如氦核是由4个核子(2个质子和2个中子)组成，对氦核的质量测量时发现，其质量为4.002663原子质量单位：而若将4个核子的质量相加则应为4.032980原子质量单位。
这说明氦核结合后的质量发生了“亏损”，即单个核的质量要比结合成核的核子质量数大。这种“质量亏损现象”正是缘于核子间存在的强大核力。核力迫使核子间排列得更紧密，从而引发质量减少的“怪”现象。
根据爱因斯坦的质能关系，任何物质的质量m和能量E之间有如下关系：
E=mc2
式中：C为真空中的光速。根据上式，氮核的质量亏损所形成的能量为E=28.30MeV。当然就单个氦核而言，质量亏损所形成的能量很小，但对1g氦而言，它释放的能量就大得惊人，达6.78×1011J，即相当于19万kW·h的电能。由于核力比原子核与外围电子之间的相互作用力大得多，因此核反应中释放的能量就要比化学能大几百万倍。科学家将这种由核子结合成原子核时所放出的能量称之为原子核的总结合能。由于各种原子核结合的紧密程度不同，原子核中核子数不同，因此总结合能也会随之变化。由于结合能上的差异，于是产生了两种利用核能的不同途径：核裂变和核聚变。
核裂变又称核分裂，它是将平均结合能比较小的重核设法分裂成两个或多个平均结合能大的中等质量的原子核，同时释放出核能。重核裂变 般有自发裂变和感生裂变两种方式。自发裂变是重核本身不稳定造成的，因此其半衰期都很长。如纯铀自发裂变的半衰期约为45亿年，因此要利用自发裂变释放出的能量是不现实的。例如100万kg的铀自发裂变发出的能量一天还不到lkW·h电能。感生裂变是重核受到其他粒子(主要是中子)轰击时裂变成两块质量略有不同的较轻的核，同时释放出能量和中子。一个铀核受中子轰击时发生感生裂变时所释放的能量如表4-1所示。核感生裂变释放出的能量才是人们可以加以利用的核能。
核聚变又称热核反应，它是将平均结合能较小的轻核，例如 氘和氚在一定条件下将它们聚合成一个较重的平均结合能较大的原子核．同时释放出巨大的能量。由于原子核间有很强的静电排斥力，因此一般条件下发生核裂变的几率很小，只有在几千万度的超高温下，轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的核聚变。由于超高温是核聚变发生必须的外部条件，所以又称核聚变为热核反应。
由于原子核的静电斥力同其所带电荷的乘积成正比，所以原子序数越小，质子数越少，聚合所需的动能(即温度)就越低。因此只有一些较轻的原子核，如氢、氘、氚、氦、锂等才容易释放出聚变能。最有希望的聚合反应是氘和氚的反应，它释放的能量是铀裂变反应的5倍。
利用氦（2He4）、锂（3Li6）和氢的同位素氘及氚产生的几种不同的聚变反应，其中以氘－氚反应和氘－氘反应较为理想。氘－氚反应可以在较低的温度下进行：
1D2＋1T3 → 2He4＋n＋17.6MeV
但氚只能由人工制造，如用中子轰击锂－6获得：
3Li6＋n → 2He4＋1T3＋4.8MeV
而锂资源有限，只能供应数百年，因此氘－氚反应不能从根本上解决能源问题。利用丰富的氘同位素作原料，使其聚合发生下列反应：
1D2 ＋1D2 → 2He3＋n＋3.2MeV
1D2＋1D2 → 1T3＋P＋4.0MeV
1D2＋2He3 → 2He4＋P＋18.3MeV
在不使用锂－6的情况下，总反应为：
61D2 → 2 2He4＋2P＋2n＋43.1MeV
氘在海水中含量非常丰富，而且提取也经济。海水中的重水是提取氘的重要原料。如每一立方米海水中的氘具有的潜能相当于大约270吨煤或1360桶石油的燃烧能量，而全球海洋中的氘的总能量供应相当于全世界原始化石燃料总能量供应的5000万倍。若氘－氘反应能够实现，海洋将成为人类用之不竭的能源。另一方面由于聚变反应不产生裂变碎片，所以更为安全，因此核聚变是理想的能源。
在氢弹爆炸中发生的是不可控的核聚变反应，而可控的核聚变反应至今仍处在研究阶段。核聚变反应的主要困难是如何获得热核反应所需的1亿摄氏度的高温及如何约束高温下的热核材料。虽然目前世界上已建成了很多对高温等离子体实行磁约束的实验装置，但至今未获得突破性的进展。
由于核聚变要求很高的温度，目前只有在氢弹爆炸和由加速器产生的高能粒子的碰撞中才能实现。因此使聚变能能够持续地释放，让其成为人类可控制的能源，即实现可控热核反应仍是21世纪科学家奋斗的目标。
四．反应堆
1．链式反应
20世纪最激动人心的科学成果之一就是核裂变的利用。链式反应是实现大规模可控核裂变的关健。图4-2是核裂变链式反应的示意图。从图上可以看出；每个铀核裂变时会产生2-3个中子，这些中子又会轰击其他铀核，使其裂变并产生更多的中子，这样一代一代发展下去就会形成一连串的裂变反应。这种连续不断的核裂变过程就称之为链式反应。虽然控制中子数的多寡就能控制链式反应的强弱。最常用的控制中子数的方法就是用善于吸收中子的材料制成控制棒，并通过控制棒位置的移动来控制维持链式反应的中子数目，从而实现可控核裂变。镉、硼、铪等材料吸收中子能力强，常用来制作控制棒。
2．反应堆的分类
实现大规模可控核裂变链式反应的装置称为核反应堆，简称为反应堆．它是向人类提供核能的关键设备。根据反应堆的用途所采用的燃料、冷却剂与慢化剂的类型以及中于子能量的大小，反应堆有许多分类的方法。
(1)按反应堆的用途分类
1) 生产堆。这种堆专门用来生产易裂变或易聚变物质，其主要目的是生产核武器的装料怀和氚。
2)动力堆。这种堆主要用作发电和舰船的动力。
3)试验堆。这种堆主要用于试验研究，它既可进行核物理、辐射化学、生物、医学等方面的基础研究，也可用于反应堆材料，释热元件、结构材料以及堆本身的静、动态特性的应用研究。
4)供热堆。这种堆主要用作大型供热站的热源。
(2)按反应堆采用的冷却剂分类
1)水冷堆。它采用水作为反应堆的冷却剂。
2)气冷堆。它采用氦气作为反应堆的冷却剂。
3)有机介质堆。它采用有机介质作反应堆的冷却剂。
4)液态金属冷却堆。它采用液态金属钠作反应堆的冷却剂。
(3)按反应堆采用的核燃料分类
1)天然铀堆。以天然铀作核燃料。
2)浓缩铀堆。以浓缩铀作核燃料。
3)钍堆。以钍作核燃料。
(4)按反应堆采用的慢化剂分类
1)石墨堆。以石墨作慢化剂。
2)轻水堆。以普通水作慢化剂。
3)重水堆。以重水作慢化剂。
(5)按核燃料的分布分类
1)均匀堆。核燃料均匀分布。
2)非均匀堆。核燃料以燃料元件的形式不均匀分布。
(6)按中子的能量分类
1)热中子堆。堆内核裂变由热中子引起。
2)快中子堆。堆内核裂变由快中子引起。
3．动力堆
在核能的利用中动力堆最为重要。动力堆主要有轻水堆，重水堆、气冷堆和快中子增殖堆。
(1)轻水堆
轻水堆是动力堆中最主要的堆型。在全世界的核电站中轻水堆约占85.9%。普通水(轻水)在反应堆中既作冷却剂又作慢化剂。轻水堆又有两种堆型：沸水堆和压水堆。前者的最大特点是作为冷却剂的水会在堆中沸腾面产生蒸汽，故叫沸水堆。后者反应堆中的压力较高，冷却剂水的出口温度低于相应压力下的饱和温度，不会沸腾，因此这种堆又叫压水堆。压水堆是核电站应用最多的堆型，在核电站的各类堆型中约占61.3%。
(2)重水堆
重水堆以重水作为冷却剂和慢化剂。由于重水对中子的慢化性能好，吸收中子的几率小，因此重水堆可以采用天然铀作燃料。这对天然铀资源丰富，又缺乏浓缩铀能力的国家是一种非常有吸引力的堆型。在核电站中重水堆约占4.5%。
(3)气冷堆
气冷堆是以气体作冷却剂，石墨作慢化剂。气冷堆经历了三代。第一代气冷堆是以天然铀作燃料，石墨作慢化剂．二氧化碳作冷却剂。这种堆最初是为生产核武器装料，后来才发展为产和发电两用。这种堆型早巳停建。第二代称之为改进型气冷堆，它是采用低浓缩铀作燃料，慢化剂仍为石墨，冷却剂亦为二氧化碳，但冷却剂的出口温度已由第一代的400度提高到600℃。第三代为高温气冷堆。与苗两代的区别是采用高浓缩铀作燃料，并用氦作为冷却剂。由于氦冷却效果好，燃料为弥散型无包壳，堆芯石墨又能承受高温，所以堆芯气体出口温度可高达800℃，故称之为高温气冷堆。核电站的各种堆型中气冷堆约占2%—3%，除发电外高温气冷堆的高温氦气还可直接用于需要高温的场合，如炼钢、煤的气化和化工过程等。
(4)快中子增殖堆
前述的几种堆型中核燃料的裂变主要是依靠能量比较小的热中子，都是所谓热中子堆。在这些堆中为了慢化中子，堆内必须装有大量的慢化剂。快中子反应堆不用慢化剂，裂变主要依靠能量较大的快中子。如果快中子堆中采用239Pu（钚）作燃料，则消耗一个239Pu核所产生的平均中子数达2.6个，除维持链式反应用去一个中子外，因为不存在慢化剂的吸收，故还可能有一个以上的中子用于再生材料的转换。例如可以把堆内天然铀中的238U转换成239Pu，其结果是新生成的239Pu核与消耗的239Pu核之比(所谓增殖比)可达1.2左右，从而实现了裂变燃料的增殖。所以这种堆也称为快中子增殖堆。它所能利用的铀资源中的潜在能量要比热中子堆大几十倍。这正是快堆突出的优点。
由于快堆堆芯中没有慢化剂，故堆芯结构紧凑、体积小，功率密度比一般轻水堆高4-8倍。由于快堆体积小，功率密度大，故传热问题显得特别突出。通常为强化传热都采用液态金属钠作为冷却剂。快中子堆虽然前途广阔，但核术难度非常大，目前在核电站的各种堆型中仅占0.7%。
视频：能源科学资料集成——驾驽核能
视频：能源科学资料集成——快中子动力堆
视频：能源科学资料集成——高温气冷堆
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