【精】第十五讲-核化学的发展与原子弹

军事化学导论6核化学的发展与原子弹2019/8/252前言1945.07.16凌晨5:29’45”，这是一个值得世界上所有爱好和平的人们应该记住的日子：世界上第一枚原子弹爆炸成功。核爆炸尘封核爆（上）尘封核爆（下）年8月6日，美国投到日本广岛的称为“小男孩”（LittleBoy)原子弹铀弹）。相当18000000kg的TNT爆炸当量2019/8/2541945年8月9日，一颗名为“胖子”（FatMan)的原子弹（钚弹）在长崎落下。2019/8/255原子弹爆炸形成的蘑菇云2019/8/256几个问题核武器爆炸的能量是从哪里来的？核爆炸基于什么样的原理？核武器的基本结构是怎样的？核武器的结构为什么是现在这种样子？在核武器问世至今的半个多世纪里，关于核武器发生了什么故事？目前世界上服役核武器的状况如何？全面禁止核试验后核武器又将如何发展？2019/8/257万物生长靠太阳太阳中心P(0.1MPa)1011T(K)107由里向外分别为太阳核反应区、太阳对流层、太阳大气层。其中心区不停地进行热核反应，所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。其中二十二亿分之一的能量辐射到地球，成为地球上光和热的主要来源。2019/8/2581.原子及原子核世界上的一切物质都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。原子核包括质子和中子，质子数决定了该原子属于何种元素，原子的质量数等于质子数和中子数之和。如一个铀-235原子是由原子核（由92个质子和143个中子组成）和92个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球，那么原子核就相当于一个乒乓球的大小。虽然原子核的体积很小，但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。2019/8/259原子核的更精细结构2019/8/25102.同位素质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子被称为同位素，它们在化学元素周期表上占据同一个位置。简单的说同位素就是指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。按质量不同通常可以分为重同位素和轻同位素。2019/8/25113.铀的同位素铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235，它们所占的比例分别为99.3%和0.７％。除此之外，自然界中还有微量的铀-234。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。2019/8/25124.重核裂变裂变反应多指核裂变，是一个重原子的原子核分裂为两个或更多较轻原子核、并在分裂时两到三个自由中子并释放巨大能量的过程。裂变时释放的能量是相当巨大的，1千克铀全部裂变释放的能量超过2000吨煤完全燃烧时释放的热量。2019/8/25134.重核裂变裂变反应2019/8/25142019/8/25155.轻核聚变聚变反应热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的轻原子核，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（参见核聚变）。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。2019/8/2516核能应用历史核能是人类历史上的一项伟大发明，这离不开早期西方科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。19世纪末英国物理学家汤姆逊发现了电子。1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。1898年居里夫人发现新的放射性元素钋。1902年居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。1905年爱因斯坦提出质能转换公式。1914年英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。1932年英国物理学家查得威克发现了中子。1938年德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。1954年苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站。2019/8/2517一九三八年十二月，德国科学家哈恩发现了铀被中子轰击后发生核裂变反应。核武器2019/8/25181939年1月，德国女科学家梅特涅对原子核裂变作出了解释，估算出一个铀核裂变会释放出2亿电子伏特的巨大能量。2019/8/2519原子弹原子弹是利用铀-235或钚-239等重原子核裂变反应，瞬间释放巨大能量达到破坏效果的核武器，也称裂变弹。根据核装料的不同，可分为铀弹和钚弹。以铀-235作为核装料的称铀弹，以钚-239作为核装料的称为钚弹。1千克的铀-235或钚-239如果完全裂变，裂变和衰变过程中总共可释放约两万吨TNT当量的能量。2019/8/2520原子弹的结构2019/8/2521原子弹的结构2019/8/2522原子弹的结构2019/8/2523氢弹是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量而实现爆炸的核武器，亦称聚变弹或热核弹。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨梯恩梯当量，氢弹的威力则可大至几千万吨。还可通过设计增强或减弱其些破坏因素，其战术技术性能比原子弹更好。氢弹2019/8/2524氢弹的结构2019/8/2525氢弹的结构2019/8/2526氢弹空中爆炸的火球2019/8/2527核爆炸方式空中核爆炸高空核爆炸地面核爆炸地下核爆炸水下核爆炸核爆炸的杀伤破坏因素冲击波光辐射早期核辐射放射性沾染核爆电磁脉冲2019/8/2529核武器的特点能在最短时间内以最少的兵力兵器造成敌方人力物力的巨大损失。具有多种杀伤效果，其作用几乎是同时发生的。使用手段和使用方式多种多样，可根据不同的作战目的来选择。2019/8/2530对核武器的防护集体防护永备工事个人防护主要是利用地形地物，采取正确的动作。2019/8/2531世界上首批核武器的研制历史美国的曼哈顿计划苏联的原子弹研制美苏核军备竞赛英国的原子弹研制法国的原子弹研制德国的早期核科学研究印度奉行的核武器政策核爆下的军演我国第一颗氢弹2019/8/2533朝鲜核问题朝鲜核问题，是指朝鲜开发核应用能力而引起的地区安全和外交等一系列问题，相关方为美国、中国、韩国、俄罗斯和日本。朝核问题始于20世纪90年代初。当时，美国根据卫星资料怀疑朝鲜开发核武器，扬言要对朝鲜的核设施实行检查。朝鲜则宣布无意也无力开发核武器，同时指责美国在韩国部署核武器威胁它的安全。第一次朝鲜半岛核危机由此爆发。2019/8/2534朝鲜核问题1994年5月30日，联合国安理会提出对朝鲜进行核项目调查并对其进行制裁。1994年6月，美国前总统卡特前往平壤斡旋，与朝鲜政府达成了《朝核问题框架协定》，此一协议是朝鲜核危机的直接渊源。按照《朝核问题框架协定》的要求，朝鲜必须冻结其各种核项目，并在所有核设施上加装监控系统，禁止一切关闭项目的重启。因担心朝鲜发展核武器，1994年10月21日，美国与朝鲜在日内瓦签署了一项关于朝核问题的《朝美核框架协议》，朝鲜冻结其核设施，美国牵头成立朝鲜半岛能源开发组织，负责为朝鲜建造轻水反应堆并提供重油，以弥补朝鲜停止核能计划造成的电力损失。此后，宁边5兆瓦反应堆中8000根乏燃料棒被取出封存。2019/8/2535朝鲜核问题2001年，美国总统乔治·沃克·布什（GeorgeWalkerBush）上台后，美国对朝政策变为强硬，并于2002年初将朝鲜与伊朗、伊拉克一起称为“邪恶轴心”，媒体披露的美国《核态势审议报告》也将朝鲜列为使用核武器的对象之一。2002年10月美国总统特使、助理国务卿凯利访问平壤后，美国宣布朝鲜“已承认”铀浓缩计划，并指控朝鲜正在开发核武器。朝鲜则表示，朝鲜“有权开发核武器和比核武器更厉害的武器”。同年12月，美国以朝鲜违反《朝美核框架协议》为由停止向朝提供重油。随后，朝鲜宣布解除核冻结，拆除国际原子能机构（IAEA）在其核设施上安装的监控设备，重新启动用于电力生产的核设施。2003年1月10日，朝鲜政府发表声明，宣布再次退出《不扩散核武器条约》，但同时朝鲜表示无意开发核武器。朝鲜核危机正式爆发。2019/8/2536朝鲜核问题为使朝核问题和平解决，中国政府积极斡旋，于2003年4月促成有朝鲜、中国、美国参加的朝核问题三方会谈。2003年8月，中国在北京举行有中国、朝鲜、韩国、美国、日本、俄罗斯参加的朝核问题六方会谈，并确立了通过谈判和平解决朝核问题的原则。截至2008年6月，六方会谈已进行到第6轮。2019/8/2537核武器技术的和平利用核爆聚变电站人工造湖改变气候2019/8/2538核能发电核能发电的过程核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。优点：1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。2019/8/2539核能发电核能发电的过程核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。缺点：1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。3.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。2019/8/2540核能是可持续发展的能源据估计，在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275万吨。这些裂变燃料足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂，1升海水能提取30毫克氘，在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量，即1升海水约等于300升汽油，地球上海水中有40多万亿吨氘，足够人类使用百亿年。地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。况且以目前世界能源消费的水平来计算，地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量，可供人类使用上千亿年。因此，有关能源专家认为，如果解决了核聚变技术，那么人类将能从根本上解决能源问题。