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汤搏:核电安全的基本概念

2017-05-10 15:56:19 大讲堂 汤搏

  2017年2月底,媒体报道,日本福岛核电站反应堆压力容器熔穿,核辐射泄漏惊人,几十秒即可致人死亡。这个消息再次引起公众对福岛核事故特别是对核电安全的关心。从核电安全专业工作者的角度来看,我们如果想真正把核电或者核安全问题搞清楚,就有必要了解一些核电与核安全的基本概念,所以今天我想就有关的基本问题和大家一起交流探讨。

  一、基本概念

  在介绍核电和核安全的问题之前,有必要了解几个基本概念。

  (一)核裂变

  现代对核能的利用主要是裂变能。虽然核能包括聚变能,但是因为还不能做到可控核聚变,所以现在聚变能只能用来制造氢弹,民用核电站都是利用裂变能。裂变能最早发现于1936年。德国科学家奥托·哈恩发现铀235的原子核在中子轰击下发生了裂变并释放出能量。1克铀235完全裂变所释放的能量大概等于燃烧2。4吨煤,这就是核能为什么有如此巨大威力的原因。


图1 铀235裂变示意图


               

图2 链式反应示意图


  (二)链式反应

  铀235原子核在中子轰击下裂变并放出能量,不意味着核能就能够加以利用,因为裂变所需的中子从哪里来是一个关键。恰好每个铀235原子核裂变时会放出两三个中子,如果不放出这两三个中子的话,我们从原子核裂变中获取核能还是很困难的。利用铀235原子核自身裂变所放出的中子,触发另外的铀235原子核裂变,使铀235原子核裂变持续下去,这就叫“链式反应”。如果每个铀235原子核裂变后都有超出一个中子触发了其他的铀235原子核裂变,那么链式反应就会越来越强烈;反过来,如果不到一个中子触发了其他的原子核裂变,那么这个链式反应最终就会停止。实际上,我们对于核电站功率的控制,就是利用了这个原理。

  (三)放射性同位素和辐射照射

  物质都是由元素构成的,以原子核中质子数量的不同来区别元素。在某种元素的原子核中,质子数是固定的,但中子数可能是有差异的,我们把质子数相同而中子数不同的元素叫同位素。比如氢就有三种同位素:第一种叫氕,其原子核有一个质子而没有中子;第二种叫氘,其原子核有一个质子和一个中子;第三种叫氚,其原子核中有一个质子和两个中子。现在核聚变就是将两个氚原子核聚合在一起成为一个原子核同时放出能量的过程,和裂变过程正好相反。元素同位素有些是很稳定的,但有些是不稳定的,会自发地衰变并放出射线。这些射线被人体或者生物体吸收后,就形成辐射照射,这也是我们比较关心的。实际上,我们周围环境中存在各种各样的放射性同位素,不过它们的量是微乎其微的。因为物质元素大部分都是在宇宙诞生初期产生的,宇宙寿命估计已经有140亿年了,在这么长的时间里,绝大部分的不稳定同位素都已经衰变了,剩余量也微乎其微了。但是对于核电站、核反应堆来说,铀235裂变后会产生很多不稳定的同位素,叫放射性同位素或放射性物质,它们的存在是产生核安全问题的重要原因。

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