第２６卷第５期 ２０１６年ｌ０月 北华航天工业学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０１６ 浅谈能源危机之核能利用 孙光兰 段龙方 董春颖 （１．北华航天工业学院基础科学部，河北廊坊０６５０００；２．北华航天工业学院计算机与遥感信息技术学院，河北廊坊０６５０００） 摘要：最近几年雾霾一直相伴我们左右，这也是经济快速发展的必然产物。当前经济快速发展和人们日常生活 日益智能化的主要能源是煤和石油等其他化学矿物能源，但是像煤和石油这样的矿物燃料燃烧必然产生各种污染 物，而且是不可再生的，全球的存量也是越来越少的。伴随着世界经济全球化，环境问题和能源危机也必然是全球 性的问题。为了解决迫在眉睫的环境和能源问题人们提出了很多办法包括利用太阳能、风能、核能等。本文就核 能的应用，从其历史与现状和优点与弊端等方面给予简单分析并作了展望。 关键词：核裂变能，核聚变能，ＩＴＥＲ计划 中图分类号：０５３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—７９３８（２０１６）０５—０００３—０４ ０引 言 是很大的难题。相比之下，最有可能成为人类新能 源是聚变反应产能方式。聚变的主要原料为氘 （Ｄ），海水中氘的含量约为０．０３ｇ／Ｌ，由Ｄ．Ｄ聚变可 从公元１年到公元１８５０年，全世界的年平均能 量消耗为０．００４Ｑ（ｆｌ￣，量单位：１Ｑ＝１．０５×１０ Ｊ），也 就是说此期间，能源消耗为７．４Ｑ。而在１８世纪到 １９世纪期间，欧洲工业，机器代替人力劳动，蒸 汽机时代的到来人类的主要动力来源变为了煤炭石 油等化石燃料，导致此后的１５０年间能量消耗就达 到约１１Ｑ，而且预计在２０００年到２０５０年的５Ｏ年间 能量消耗将达到６１ Ｑ。然而，地球上煤和石油储量 以产生能量１．１×１０ Ｊ（与３００Ｌ汽油，５００Ｋｇ煤，或 ４００ｍ 天然气燃烧所释放的能量相当），地球的海水 储量为４．６×１０∞Ｌ，总共可提供的能量约为５×１０ｍ Ｑ，可供人类使用１Ｏ加年，而且又是一种清洁安全的 能源。因此，聚变能发展前景十分光明。 １裂变能的应用 １．１裂变能应用的历史及现状 总共只有ｌＯＯＱ，而２１世纪的能源需求预计将达到 １５０—１７ＯＱ。据美国石油业协会估计，在２０５０年之 从１９世纪末汤姆逊发现了电子到１８９６年贝克 前，世界经济的发展对煤炭依赖程度将越来越高，然 而，在２２５０到２５００年之间煤炭将消耗殆尽，矿物燃 料供应枯竭，在２０６０年左右天然气短缺现象的也将 会发生。因此，新能源的开发迫在眉睫…，否则人类 将在２１世纪中叶面临严峻的能源危机。 目前解决能源危机最行之有效的方法就是利用 勒尔发现放射性，１９０５年爱因斯坦提出质能换算公 式，１９３８年奥托哈恩发现了核裂变现象，１９４２年１２ 月２日世界上第一座核反应堆在芝加哥大学启动， １９４５年８月６日和９日美国在广岛和长崎投放了 原子弹，再到１９５４年世界上第一座核电站——奥布 灵斯克核电站在苏联建成，他们奠定了核裂变能的 应用基础。 核能。核反应作为一种高效的产能方式，分为核聚 变和核裂变两种大的种类ｏ２３５ Ｕ是核裂变的主要原 料，其地球储量所提供的能量约到仅３Ｑ，即便是利 用增殖反应堆最多也就提供２００Ｑ。显然，核裂变不 在世界能源结构从石油为主向非油能源过渡的 时期，核能是重要发展方向，被认为解决能源危机的 主要希望。为此，各国都在大力发展核电。到２００５ 年１月，全世界３０个国家的共４３９座核电机组在运 行，总装机容量３６０００万千瓦，总发电量２５０００亿 能作为长久的产能方式，而且其反应产物的处理也 基金项目：北华航天工业学院科研课题（ＫＹ．２０１４．２９，ＫＹ．２０１５． ２４），北华航天工业学院博士科研启动基金（ＢＫＹ．２０１４．１０），廊 坊市科技局科研课题（２０１５０１ １０４９） 收稿日期：２０１６—０５—０９ 度。其中，中国９台机组，装机容量６６０万千 瓦，发电量４２０亿度，并计划每年新增核电机组２— ３套，到２０２０年时核电装机容量达到３６００万千瓦。 作者简介：孙光兰（１９８６一），女，讲师，研究方向为撕裂模不稳 定性研究。 一但是，１９７９年３月２８日美国三里岛核电站和１９８６ 年切尔诺贝尔核电站的核泄漏事以及２０１１年３月 ３一 ２０１６年ｌ０月 北华航天工业学院学报 第２６卷 日本福岛核电站事故让人们看到了核裂变给全世界 带来的灾难，给各国的裂变能的利用敲响了警钟，让 人们放慢脚步去重新审视裂变能的利用。 １．２利用裂变能的利与弊 氏度，致使泥土熔化。这样，核废料就会均匀的分布 到浆状的泥土溶液里，当泥土浆冷却后，与核废料形 成一种类似天然岩石的，硬度比大理石还要高的物 质，其渗透性更低，体积更小。最后，把坑封闭好，使 任何事物都有两面性，对裂变能的应用也不例 外。相对于化石能源裂变能有其放出能量多等优 点，但其最大的缺点是会产生放射性核废料。下面 放射性物质不会外泄。“水葬”就是将高低阶放射性 核废料装进密闭的合金棺中，然后用砂石混凝土将 其密封到海底下面，将深海作为核废料的墓场。 ２聚变能的应用 ２．１应用聚变能的历史与现状 我们将具体讨论： １．２．１ 应用裂变能的优点 世界上有相对丰富的核资源（铀、钍氘、锂、硼等 等），数据 显示世界上天然铀的储量约为３４０万 吨，但可供人类开发的核燃料资源所提供的能量是 化石燃料的十多万倍。核裂变能作为缓和世界能源 危机的一种有效的方式，其优点如下ｌ３ Ｊ：（１）核燃料 自身有很多优点，如体积小而能量大，核能比化学能 大几百万倍；（２）污染少，火电站发电会排放ＣＯ：、 人类１９３３年发现核聚变，１９３８年发现核裂变， 虽然核裂变比核聚变发现得晚，但是很快就实现了 核裂变爆炸。受控核裂变发电获得成功后，核电站 建设迅速在世界范围内大规模展开，并投入商业运 行。对于核聚变人们也试图能和平利用，但是轻元 素原子核的聚合远比重元素原子核的困难的 多，导致受控核聚变研究进退维谷。因为原子核之 ＳＯ：、ＮＯ等有害物质，而且少量铀、钛和镭等放射性 物质，也会随着烟尘跑出污染环境，而核电站设置了 间有吸引力，但又因均带正电而相排斥，所以要实现 两个原子核发生聚变反应就必须使聚变物质处于等 离子状态，完全裸露出原子核，使得两个原子核的距 防护措施，放射性污染比烧煤电站少得多，也基本不 会排放环境其他污染性物质；（３）燃料费用所占发电 成本的比例较低，受世界经济形势影响较小，发电成 本较稳定。 离足够小到使它们的吸引力大于静电斥力。然而， 两个带正电的原子核间的斥力会随着它们之间距离 的减小而增大，因此让它们之间的距离足够小进而 有机会碰撞而发生聚变需要两原子核有足够高的动 能，这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温，以至于受 １．２．２应用裂变能的弊端 应用裂变能的弊端可概括如下： １）核裂变能电厂所产生的放射性废料的处理必 须慎重，且要面对的政治困扰相当大； ２）核裂变能电厂的热效率低，废热排放量高，热 污染严重； 控核聚变不容易实现。１９３３年，通过加速器使原子 核被加速而得到足够高的动能，进而核聚变在实验 室被实现，可是能量的投入产出比非常低，根本无法 获得增益的能量。１９５２年，美国首次实现氢弹爆 炸，在非常短的时间内氘、氚材料核聚变反应放出大 量的能量。然而，我们要和平利用核聚变能，就必须 控制聚变过程。通过控制每次加入核聚变燃料的速 度和量来实现聚变反应按一定的规模连续或有节奏 地进行是控制核聚变反应最切实可行的办法。二战 ３）核裂变能电厂不宜做尖峰、离峰之随载运转； ４）建核裂变电厂牵涉到政治，经济等方面，比较 容易产生分歧； ５）反应器内有大量的放射性物质，一旦发生核 泄漏事故，会对生态和民众造成不可想象的伤害。 现在人们面对核泄漏事故及放射性废料的处理没有 有效的处理方法，尤其是严重的核泄漏事故。 末期，前苏联、美和英都曾出于军事目的在秘密研核 聚变。为了解决用什么容器来容纳几千万甚至几亿 摄氏度高温聚变物的难题，大家同时想到了利用磁 目前，核废料处理有“”、“水葬”和“火葬”三 种方法。“”是指把核废料线固化成玻璃块，装 场约束高温等离子体方法，继而尝试各种磁场约束 形式。二战结束后，核研究在国际上爆发，越来越多 到特制的合金棺中，做好隔热防护，然后用航天飞机 和助推火箭把它推送到３０００千米的轨道上，让核废 料远离我们生活的地球。“火葬”是一种较先进的处 理核废料的方法，火葬前把放射性物质掩埋到事先 挖好的深坑中，用特质的盖子密封好，然后用４个碳 电极通电产生强大的电流加热坑内的泥土到几百摄 —— 的国家加大在核研究中的投入，鼓励科学家们投身 到核研究当中。１９４６年，伦敦大学的Ｔｈｏｍｓｏｎ和 Ｂｌａｃｋｍａｎ申请了一个聚变反应堆的专利，提出用环 型真空室，以及由射频波产生电流，为现代的托卡马 克装置的研制奠定了重要基础。１９５８年，“和平利 —— 第５期 孙光兰等：浅谈能源危机之核能利用 ２０１６年１０月 用原子能”会议在日内瓦召开，揭开了秘密研究的面 纱，各个国家报告了他们所研究的磁场位形：环型脉 ｍａｋ”，“先进实验超导托卡马克”），又称“东方神 环”。２０１３年１月５日，“东方神环”实验装置成功 冲，仿星器，磁镜，ｚ和ｅ箍束，这是受控核聚变历史 上的一个重要转折点。１９５４年，第一个托卡马克装 置在前苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。他们在 变压器原理的基础上经过不断的研究探索，最后成 功地建成了托卡马克 （ＴＯＫＡＭＡＫ，是环形（ｔｏｒｏｉ． 实现１００秒长脉冲氢中性束引出。 ２．２应用聚变能的优点与弊端 ２．２．１ 应用聚变能的优点 较之核裂变发电，受控核聚变发电有很多优势： 一是核聚变的能量的投入产出比较其他能量产出方 ｄａ１）、真空室（ｋａｍｅｒａ）、磁（ｍａｇｎｉｔ）、线圈（ｋｏｔｕｓｈｋａ） 的简写）装置。１９６８年，Ｋｕｒｅｈａｔｏｖ（库尔恰托夫）研 究所发布了Ｔｏｋａｍａｋ（Ｔ１）的实验结果，其结果远超 式要大得多，这已经被理论和实践证明；二是原材料 储存量大，铀作为核裂变主要原料，全球的储量仅够 使用约一百年 Ｊ，而氘作为轻核聚变的燃料在海水 中储藏相当充足；三是成本低，１公斤浓缩铀的成本 约为１公斤氘成本的４０倍；四是安全可靠，一旦发 生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会有放射 性污染物产生，不会发生爆炸事故。五是比较环保， 氘氚反应的主要产物是水，产生的放射性同位素的 半衰期较短，对环境的影响较小。 ２．２．２应用聚变能的弊端 其它装置的参数指标。从２０世纪７Ｏ年代末开始， 美、欧、１３和苏联相继建造四个大型Ｔｏｋａｍａｋ Ｊ，分 别为ＴＦＴＲ（Ｔｈｅ Ｔｏｋａｍａｋ Ｆｕｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ Ｒｅａｃｔｏｒ，美 国）、ＪＥＴ（Ｊｏｉｎｔ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｏｒｕｓ，欧洲）、ＪＴ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｔｏｒｕｓ，日本）一６０和Ｔ一１５（采用超导磁体，但没有 正常运行，原苏联）。 １９８５年，戈尔巴乔夫和里根总统在日内瓦峰会 上倡议对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工 程问题展开深入国际合作，后来美、苏、欧、日共同启 动了“国际热核聚变实验堆（ＩＴＥＲ）”计划，其目标是 建造一个可自持燃烧的Ｔｏｋａｍａｋ。最初，ＩＴＥＲ计 划仅由美、俄、欧、日四方参加，受限于当时的科学和 目前核聚变能尚未能被人们和平利用，攻克核 聚变能的和平利用所需的高技术是一大挑战，而且 所需的费用非常之高。就ＩＴＥＲ实验装置来说实现 聚变过程中会存在的环境与安全问题＿６ 有放射性问 题、有毒气体排放问题等。而且，随着进一步的研究 也应该会暴露一些人们还未发现的弊端。 ３总结展望 技术条件，他们于１９９６年提出了要求投资上百亿美 元的，很不合理的ＩＴＥＲ初步设计。１９９８年，美国 出于政治原因及国内纷争，退出了ＩＴＥＲ计划 Ｊ。 ２００１年，随着科技的进步和研究的不断深入，欧、 综上所述，从环境和能源可持续发展的角度出 发人类要最终解决这两个问题的希望是实现和平利 日、俄联合工作组完成了ＩＴＥＲ装置新的工程设计 （ＥＤＡ）及主要部件的研制，并分别通过了三方的审 查。２００２年，欧、日、俄三国以ＥＤＡ为基础开始协 商ＩＴＥＲ计划的国际协议及组织建立，并表示欢迎 中国与美国加入。２００３年１月，中国和美国相继加 用核聚变能。当然，我们要真正用上廉价的聚变能， 还需要艰苦卓绝的奋斗，需要时间来验证我们的研 究成果是否科学。据估计：核聚变能可能具商业应 用的价值的时间大概为到２１世纪后半叶，所以我们 目前乃至以后面临的课题是如何有效地发展更环保 的裂变核能。２１世纪的主要世界能源之一依然是 核裂变能，第三次世界能源的总趋势是到２０５０ 年核裂变能发电量将约占世界总发电量的５０％。 入ＩＴＥＲ计划协商。２００５年，韩国参加ＩＴＥＲ计划 协商。２００５年６月，六方签订协议，一致同意把 ＩＴＥＲ建在法国Ｃａｄａｒａｃｈｒ核技术研究中心。 ２００６年，印度加入ＩＴＥＲ协商。２００６年５月２５日， 七国草签了建设ＩＴＥＲ的国际协定。目前，在 总结和采纳多年来全世界核聚变研究的成果的基础 不过我们已看到的核聚变能开发和利用的曙光，一 旦核聚变能可以商业化应用，那么人类又开启一个 核能利用的的新篇章。 参考文献： ［１］刘则渊．现在科学技术与发展导论［Ｍ］．大连：大连理工 出版社，２００３． ［２］赵仁恺，阮可强，石定寰．８６３计划能源技术研究进展 上，一座博采众长的国际核聚变反应堆正在共同建 设当中。各国科学家对这座核聚变堆寄予了很高的 希望，希望其在受控核聚变研究中有质的突破。 ２００３年１０月，中国改造完成了世界上首台超导Ｔｏ． ｋａｍａｋ装置ＥＡＳＴ（实验“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ”、先进“Ａｄ． ｖａｎｃｅｄ”、超导“Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ”、托卡马克“Ｔｏｋａ． （１９８６—２０００）［Ｍ］．北京：原子能出版社，２００１． ［３］丁昌坤，豆林涛，张海峰．核能原理的应用［Ｊ］．科海故事 ２０１６年１Ｏ月 博览・科教论坛，２０１０，（８）． 北华航天工业学院学报 ２００５，（３）． 第２６卷 ［４］刘大明．基于嵌入式系统的离子回旋共振加热监测系统 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ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｆｉｓｓｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｆｕｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｌａｎ ｏｆ ＩＴＥＲ （上接第２页） 参考文献： ［１］董学勤．汽车车架受碰撞载荷下ＣＡＥ分析与安全性研 究［Ｄ］．南昌：南昌大学，２００８． ［２］雷鸣准．轿车车身刚度分析与结构优化研究［Ｄ］．合肥： 合肥工业大学，２００９． ［３］辛勇，董学勤．汽车车架碰撞下的安全性设计与仿真 ［５］陈国定，武力．轿车白车身结构的相对灵敏度分析［Ｊ］． 机械设计，２００７，（４）：２２—２３． ［６］刘焕广．轿车白车身结构有限元及其试验分析［Ｄ］．合 肥：合肥工业大学，２００７：４—２０． ［７］段巧玉．基于Ｈｙｐｅｒ＋Ｍｅｓｈ的副车架有限元分析［Ｄ］．镇 江：江苏科技大学，２００３． ［Ｊ］．机械科学与技术，２０１１，３０（３）：３５９—３６２． ］高云凯，杨欣，金哲峰．轿车车身刚度优化方法研究［Ｊ］． 同济大学学报，２００５，（８）：１０９５—１０９７． ［８］陈鑫．轿车车身静态刚度分析及结构优化研究［Ｄ］．长 春：吉林大学，２００３． Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ Ｖａｎ Ｆｒａｍｅ Ｗｅｉ Ｚｈｉｈｕｉ Ｌｉｕ Ｗｅｉ Ｌｕ Ｓｉｔｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｇｆａｎｇ０６５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｉｓ ｆｉｒｓｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｎ ｗｈｉｔｅ ｂｏｄｙ，ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｓ ｔｈｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ Ｎａｓｔｒａｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｃａｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｉｇｕｒｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ’ｓ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｖａｌｕｅｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｓ ｓｕｆｉｃｉｆｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ＷＯｌｄＳ：ｗｈｉｔｅ ｂｏｄｙ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，Ｎａｓｔｒａｎ，ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ 一６一
