(12)第七章核能新能源

新能源利用技术王一平教授天津大学化工学院2013.6.3第七章核能主要内容概述核能的和平利用核能存在的问题一、概述1.原子核的结合能原子核是由质子和中子组成的，它的质量等于所有质子和中子的质量之和：根据爱因斯坦质能关系，原子核的结合能为：E=(m)c2mx=Zmp+(A-Z)mn但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量之和，这一差值称为原子核的质量亏损：m=Zmp+(A-Z)mn-mX质子和中子组成核的过程中，有能量E释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收E的能量。氘核吸收E能量后分解为质子和中子E氘质子中子原子结合能的计算一原子质量单位kgu2710660552.11具有能量JcuE102104944968.11MeV10340605.92质子质量ump007277.1中子质量umn008665.1核子平均结合能AcmmZAZmEnp/])([2原子核的结合能核子的比结合能(MeV)原子核的结合能E(MeV)核H21H31He32He4223.211.147.883.23.2807.772.757.2核子的比结合能(MeV)原子核的结能E(MeV)核C126O168Cu6329U238922.9268.75.12797.755275.8180358.7核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。Amc2AE原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。每个核子的平均结合能称为比结合能：a.最轻和最重的核的比结合能较小。b.大多数中等质量的核，比结合能较大且近似相等(都在8MeV左右)。这说明中等质量的核最稳定。比结合能曲线0123456789020406080100120140160180200220240质量数A比结合能（MeV/核子）U23392Pt19573Kr8223He42Li63H21获得核能途径有：裂变和聚变。裂变炸弹——铀弹聚变炸弹——氢弹用能量为1eV以下的慢中子轰击铀核时，铀核会分裂为两个质量相近的中等质量的核，同时放出一至三个快速中子。这种重核分裂为中等质量核的过程称为重核的裂变。裂变后形成的中等质量的核具有过多的中子，由于中子具有放射性，所以这些中等质量的核是不稳定的。它们通过一系列的衰变，放射性的中等质量的核才转化为稳定核。nn1094381405410235922SrXeU2、裂变eCsXe01-1405514054:Xe14054eBaCs01-1405614055eLaBa01-1405714056e)Ce(La01-14058稳定14057:Sr9438eYSr01-94399438e)Zr(Y01-9440稳定9439原子弹：铀核裂变时放出巨大的能量，同时放出多于二个中子，若分裂时放出的中子全部被别的铀核吸收，又引起新的裂变，这样，裂变的数目将按指数规律增大，结果形成一发散的链式反应，这就是原子弹中发生的情况。受控核反应：如果在受控条件下，每次裂变平均只有一个中子引起新的裂变，维持稳定的链式反应，这就是核反应堆中的情况。根据原子核链式裂变反应的原理，在意大利物理学家费米的领导下，世界上第一座原子核反应堆于1942年12月6日芝加哥大学试验成功，把人类带进了原子能时代。根据原子核链式裂变反应的原理，美国于1945年7月16日爆炸了世界上第一颗原子弹。我国于1964年10月16日爆炸了第一颗原子弹。3、氢核聚变氢弹爆炸氢弹：利用氘、氚（氢的同位素）等轻原子核的聚变反应原理制成的核武器通常称为氢弹。氢弹反应式4.8MeVHeHnLi4231106317.6MeVnHeHH10423121氢弹结构示意图不受控制的聚变已于1952年11月1日实现，这就是氢弹爆炸。1954年3月1日实现，美国在太平洋上的比基尼岛进行了一次威力巨大的氢弹爆炸实验，这颗氢弹产生的破坏力是投向广岛的原子弹的750倍。我国于1967年6月17日爆炸了第一颗氢弹。太阳的能量来自太阳内部的核聚变，地球的能量主要来自太阳能。二、核能的和平利用1、核电站如果使原子核的裂变和聚变在可以控制的条件下缓慢地进行，则释放出的核能就可以被有效地利用。1954年6月17日世界上第一座核电站前苏联的奥布灵斯克核电站建成并投入使用。核电站原理核电站就是利用原子核裂变时产生的巨大热量，使水变成蒸汽，推动汽轮机运转，再带动发电机发电。核电站原理核电站发电过程中的能量转化核能内能机械能电能核能发电优点1.干净环保，基本上不排放有害气体，尤其是不排放温室气体；2.消耗燃料少，燃料运输成本低。（大亚湾核电站每年仅需消耗核燃料60吨左右，而同等规模的火力发电站则每年需要消耗燃煤600万吨左右。）核电站的废物处理系统核能利用前景目前，全世界核电站的发电量约占总发电量的20%。2030年将达到25%。我国十分重视核能的利用，目前，秦山核电站和大亚湾核电站已经运行发电，几座新的核电站正在建设之中。受控制的核聚变仍然在研究中，如果成功将彻底解决人类的能源问题。2、产生动力作为动力推动船舰，原子破冰船，核动力商船等。优点：续航力强，马力大，航速高。美国的尼米兹级航母应用的核动力在不加任何燃料的情况下可续航20年。3、生产新的核燃料U238产生Pu239Th232产生U233中子轰击Li产生核聚变材料氚有的反应堆生产出来的核燃料甚至比消耗掉的核燃料还多。危险的钚4、生产放射性同位素生产放射性同位素两种方法:从乏燃料的裂变产物和次要锕系元素中提取出有用的放射性同位素，比如铯Cs137。将纯的非放射性同位素放在反应堆的中子通道中以中子照射生产放射性同位素，比如用钴Co59生产Co60。5、进行中子活化分析活化分析是一种核分析方法，它的基础是核反应。该法是用一定能量和流强的中子，带电粒子或者高能γ光子轰击待测试样，然后测定核反应中生成的放射性核衰变时放出的缓发辐射或者直接测定核反应中放出的瞬发辐射，从而实现元素的定性定量分析。可以用来分析极少量（10-6～10-15g）的样品。花费时间很短2min。用于环境监测或者分析罪证材料。6、中子照相进行无损检测，X射线照相是穿透轻物质，被重物质挡住，中子照相是能穿透重物质，但被轻物质挡住，二者互补，可以用于考证古代文物等。普通照相中子照相X射线照相7、中子嬗变掺杂生产高质量单晶硅中子嬗变掺杂硅,将Si30放入原子反应堆中辐照，中子轰击天然硅，将其中Si30变成Si31，Si31经过β衰变（2.62h）变成磷31。8、放射线小剂量放射线照射，并谨慎地加以控制，射线也可以为人类做许多事。放射性同位素发出的射线可用于医学诊断和治疗。放射性同位素发出的射线已用于改良农作物品种。放射性同位素发出的射线已用于食品保鲜。三、核能存在的问题技术不太成熟放射性污染核能的安全问题核能的防泄漏核武器的威胁放射性污染放射性物质的标志人体受放射性危害，轻者头晕、疲乏、脱发、红斑、白血球减少或增多、血小板减少；大剂量照射，还会引起白血病及骨、肺、甲状腺癌变甚至死亡；放射性还能引起基因突变和染色体畸变。所以核电站需要建很厚的混凝土防护层，防止放射线照射对人体造成伤害，并且要防止放射性物质泄漏造成放射性污染。αβγ射线很多元素的原子核都会向外辐射出肉眼看不见的、能量很高的射线，如α射线、β射线和γ射线。α射线：氦核（带2个单位正电荷）β射线：高速运动的电子（带1个单位负电荷）γ射线：能量很高波长很短的电磁波（不带电）核能的安全性保障高安全性的地理位置；采取多道屏障的安全保法；抗地质灾害；核废料处理（中国规划建设核废料处置库一座，寿命为10000年）；定期检测辐射；防袭击（军事保护力量强大）；禁止核武器假如核战争爆发，人类将遭受浩劫，因此需要竭力避免发生这种战争。各强国签订了不扩散核武器条约。法国的核能核能发电是法国最主要的电力来源，占总发电量比近80%。法国是少数几个将整个核燃料循环设施集中在本国领土上的国家之一，包括核转换、铀浓缩、生产、核燃料的后处理和再循环。法国在核燃料循环的安全监督方面堪称世界典范。法国核安全与辐射防护研究院（ISRN）是核风险与核辐射方面进行科研和鉴定公认的专家。法国核安全局根据法国2006年6月13日颁布的关于核透明与核安全第[2006-686]号法令（称作TSN法）成立的核安全局是一个独立的管理机构，负责监督法国民用核生产，保护核从业人员和求助于放射疗法的病人，保护公众与环境，避免遭到核生产风险的威胁。美国的核能美国为全世界最大核能发电国，目前共有104座正在运行的核反应堆，装机总容量达1.03亿千瓦，占全美国发电量的20%。美国的核航母是美国航母战斗群的核心，其以核为动力的潜艇，巡洋舰等也占据战斗核心位置。中国的核能2005年以来，中国批准了13个核电项目，共34个机组，其中在建机组28台，占全世界在建机组总数的40%多。截至2010年年底，中国投入运行的核电机组装机容量为1000多万千瓦。《核电中长期发展规划(2010-2020年)》，2020年核电装机容量将达到8000万千瓦时。2012年5月31日，国务院常务会议原则通过《关于全国民用核实施综合安全检查情况的报告》(简称《核安全报告》)和《核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标》(简称《核安全规划》)。对于在运和在建核电厂，《核安全报告》给出了总体“受控”的结论。Thankyou！