核能部分：核电站―原理

核能部分：核电站—原理大连理工大学—马伟论文报告内容与格式关于生命周期评价（LCA)的概念，基本程序与应用的论文报告要求：3000字左右题目：关键词：摘要：100字左右正文：序言，LCA的基本程序，LCA的应用实例，结论参考文献6.3核能6.3.1原子核的一些基本概念6.3.2核裂变反应和核裂变能的利用6.3.3核聚变反应和核聚变能的利用裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用可裂变元素分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，核能使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。要用反应堆产生核能,需要解决以下4个问题：①为核裂变链式反应提供必要的条件，使之得以进行。②链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害。③裂变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出。④裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大，必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害原子核是一定数目的质子p和中子n的紧密结合体。核内质子和中子的总数等于其质量数A。质子数等于它的原子序数Z，则核内中子数等于A-Z。组成核的质子和中子统称为核子。6.3.1原子核的一些基本概念具有确定质子数和中子数的原子核所对应的原子成为核素。常用的化学符号为XAzXAz元素符号核的质量数核内质子数(原子序数)例如：、N147O188也可简写成：N14O18或：氮-14、氧-18同位素：具有相同原子序数但质量数(中子数)不同的核素统称为同位素。例如：氢有三种同位素、H1、H2H3(氕、氘、氚)按核素的稳定性，可以分为稳定核素和不稳定核素两类：(1)稳定核素：指质子数和中子数保持不变的核素。如：、H1、H2、O18、O16Pb206(2)不稳定核素：指能够放射出射线的核素。如：U238U235Ra226Co60Cs137稳定的核内，中子数和质子数之间有一定的比例。对于原子序数较小的(元素原子序数小于20)，当中子数n与质子数p相等时，即n/p=1时，核最稳定。当原子序数增加时，稳定的核内中子数就逐渐比质子数多，n/p值逐渐增大，最重的稳定核内，n/p值约为1.6。6.3.2核裂变反应和核裂变能的利用核裂变反应(nuclearfissionreaction)：是用中子轰击较重(铀、钚)原子核，使之分裂成较轻的原子核的反应。例如：142Ba+91Kr+30n235U+0n143Xe+90Sr+30n137Fe+97Zr+20n192563611138544052链式反应!中子诱发裂变形成链式反应U23592核裂变时，释放出能量的原因是由于核裂变后有质量亏损，质量亏损与能量间关系用爱因斯坦的质能方程式表示：∆E=∆m·c2∆E——系统能量的改变量∆m——系统质量的改变量c——光速（2.9979108m·s-1）例题：若235U按下式发生裂变反应，求1.000g235U裂变所放出的能量。235U+0n142Ba+91Kr+30n已知235U、0n、142Ba、91Kr的摩尔质量分别为235.0439g·mol-1、1.00867g·mol-1、141.9092g·mol-1、90.9056g·mol-1。365692119292解：Δm=(141.9092+90.9056+3×1.00867-235.0439-1.00867)g·mol-1=-0.2118g·mol-1ΔE=Δm•c2=-0.2118g·mol-1×(2.9979×108m·s-1)2=-1.9035×1013kg·m2·s-2·mol-1=-1.9035×1010kJ·mol-11.000g235U裂变所放出的能量为：92ΔE=-1.9035×1010kJ·mol-1×1.000g/235.0439g·mol-1=-8.1×107kJ相当于燃烧3吨标准煤所放出的能量!此为慢中子反应堆(或热中子反应堆，简称热堆)。核电站工作原理示意图增殖反应：把非裂变燃料转化成核裂变燃料的反应叫做增殖反应。例如：238U+0n239U239Np239Pu929392941β_β_t1/2=23mint1/2=2.3aPu-239可直接作核燃料,其核裂变过程与极其类似。U23592此为快中子增殖反应堆(简称快堆)。核发电与火力发电比较所具有的优势：•能量巨大，且燃料能量密度高•发电成本低•它是一种清洁能源。无煤渣、无烟尘和无CO、CO2、NOx、SO2等有害气体排放•可建在交通不便的高山、海岛和沙漠特殊地域核电有两个问题必须引起高度重视：•电站的运行安全•核废料的处理由于U-235裂变产生的碎核大都具有放射性，当然核电站在运行过程中不可避免地会产生一些废气、废液和固体放射性废物。☆放射性废气经过活性炭吸附和过滤后通过烟高空排放，排放口设置有专门的放射性监测仪表，进行连续监测和取样，当排放水平超过规定值时有警报信号。☆放射性废液经蒸发浓缩、离子交换处理后，一部分可循环使用，一部分经监测合格后向江、河、海排放，浓缩液则需进一步处理，固化为固体废物。☆最难处理的是固体废物，早期曾将废物直接深埋于地下，后来又将废料装在金属桶内，外加一层混凝土或沥青，弃于海底。目前，一种引人注目的方法是将核废料中的放射性物质分离后，通过核反应将其转化为危害很小的短寿命放射性核素或稳定核素，通过这些“后处理”就降低了废料安全储存的技术难度。此外，用人造岩石对放射性废液进行固化处理的方法也引起人们的重视。至今，人们尚未找到一种绝对安全永久的处理放射性核废料的办法，核能利用的风险并未完全消除。放射性辐射对人体危害极大。人体组织易受放射性辐射损害，因为高能粒子流会破坏维持生命所必需的酶和激素以及细胞生存必不可少的染色体。辐射还可能产生自由基而使组织细胞破坏。根据不同的受辐射剂量，可造成造血系统、消化系统及中枢神经系统的损害。临床表现为乏力、头晕、失眠、呕吐、腹泻、发热、出血等。大剂量辐射可引起恶性淋巴瘤、多发性骨髓瘤、白血病、再生障碍性贫血及其它癌症。核能虽然属于清洁能源，但消耗铀燃料，不是可再生能源，投资较高，而且几乎所有的国家，包括技术和管理最先进的国家，都不能保证核电站的绝对安全，前苏联的切尔诺贝利事故和美国的三里岛事故影响都非常大，日本也出现过核泄漏事故。核电站尤其是战争或恐怖主义袭击的主要目标，遭到袭击后可能会产生严重的后果，所以目前发达国家都在缓建核电站，德国准备逐渐关闭目前所有的核电站，以可再生能源代替，但可再生能源的成本比其他能源要高。核聚变反应(nuclearfusionreaction)：很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重原子核的反应。例如：1H+1H4He+0n22316.3.3核聚变反应和核聚变能的利用例题：若1H、1H按下式进行聚变反应，求1.000g核燃料所放出的能量。1H+1H4He+0n已知1H、1H、4He、0n的摩尔质量分别为2.01355g·mol-1、3.01550g·mol-1、4.00150g·mol-1、1.00867g·mol-1。2321233221解：Δm=(4.00150+1.00867-2.01355-3.01550)g·mol-1=-0.01888g·mol-1ΔE=Δm•c2=-0.01888g·mol-1×(2.9979×108m·s-1)2=-1.697×1012kg·m2·s-2·mol-1=-1.697×109kJ·mol-11.000g核燃料聚变所放出的能量为：ΔE=-1.697×109kJ·mol-1×1.000g/(2.014+3.016)g·mol-1=-3.37×108kJ是核裂变相应能量的4倍!核聚变，即氢原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时放出巨大的能量。热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。核聚变的类型--氘氚聚变只能算”第一代”聚变，优点是燃料无比便宜，缺点是有中子。D（氘）和T（氚）聚变会产生大量的中子，而且携带有大量的能量，中子对于人体和生物都非常危险。聚变反应中子的真正麻烦之处在于中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应。用一段时间之后就必须更换，很费钱。而且换下来的墙壁可能有放射性（取决于墙壁材料的选择），成了核废料。还有一个不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墙壁反应。“第二代”聚变是氘和氦3反应。这个反应本身不产生中子，但其中既然有氘，氘氘反应也会产生中子，可是总量非常非常少。如果第一代电站必须远离闹市区，第二代估计可以直接放在市中心。“第三代”聚变是让氦3跟氦3反应。这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称终极聚变。反应条件在一定条件下（如超高温和高压），原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如太阳发光发热的能量来源。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变，但是现在看来还有很长的路要走。可控核聚变方式声波核聚变激光约束（惯性约束）核聚变磁约束核聚变（托卡马克）典型的聚变反应是应用的限制1.可控核聚变的发生条件产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度，核反应点火也成为问题。不过在2010年2月6日，美国利用高能激光实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火1://EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。EAST全超导非圆截面核聚变实验装置2.核聚变的反应装置目前，可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。我国也有两座核聚变实验装置。核聚变的优劣势优势：（1）.核聚变释放的能量比核裂变更大（2）.无高端核废料（3）.可不对环境构成大的污染，而且反应过程容易控制，核事故风险极低！（4）.燃料供应充足，地球上重氢有10万亿吨（每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油）（5）.无法用作核武器材料也就没有了政治干涉！核聚变反应比核裂变反应作为能源更有发展前途相