核能原理及可持续发展

核能原理与可持续发展王侃清华大学工程物理系核能所2008年7月[e-mail]2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn2主要内容•中子、核裂变的发现•核裂变、链式反应•核反应堆分类•核电站组成•核燃料循环体系•核安全•放射性废物管理•核能发展史——一、二核纪元•核能的可持续发展中子的发现及分类1911卢瑟福提出了原子的行星模型：原子犹如一个小小的太阳系，中间是原子核(相当于太阳)，集中了原子质量的极大部分；周围是电子(相当于行星)，围绕着原子核旋转。1920Rutherford中子假说，提出原子核里的中性子的概念1930BotheW.及BeckerH.（前者的学生）用α轰击Be，发现铍辐射：?)(强穿透辐射Be＋)Ra由(γα→MeV5能量γ1930王淦昌，当时在柏林大学威廉皇家化学所留学，他认为铍辐射不大可能是γ，向其导师MeitnerL.提出用云室观察铍辐射,两次均被拒绝。1931J.Curie夫妇研究铍辐射如果铍辐射是γ，由质子能量可推出其能量～55MeV，原子核中不可能有如此高能量的γ射线。但他们不能抛弃其为γ射线的想法。Poαp静电计Be含氢石蜡2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn5这一突破性的发现不仅导致了现代原子核理论的建立（原子核由质子和中子组成），而且为人们提供了一种轰击原子核的强有力的新型“炮弹”，从而导致一连串的新发现（人工放射性、慢中子和核裂变）。1932Cavendish的Chadwick（卢瑟福的早年学生和得力助手）在Rutherford的推测上发现中子。nCBeHe1294+→+常用的中子分类名称能量（eV）温度（K）波长（Å）速度（km/s）波矢（）11.29.04.433.55.27.611.2291.422.3202.055.8133.12236.46.23355.27.65584.09.82.593001.782.2671.23.489.31.03.911.20.94.422.30.22078.11.13.755.81.33.155.84.09.811.22.91.4710−×710−×410−×410−×410−×310−×210−×210−×310−×110−×210×410×710×810×310−×310−×210×210×310×410×610×810×1110×1210×210×210×210−×210−×310−×310−×510−×510−×310−×310−×110−×110−×110−×110−×110−×110−×210×310×410×510×超冷甚冷冷热超热快高能慢热中子波长为1～10ÅI~100meV4102.2−×4108.3−×3109.6−×3108.9−×2106.1−×2101.3−×2108.3−×2109.4−×11.017.020.022.098.0182106.1×3109.4×3109.6×(Å-1)2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn7裂变的发现2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn8•1934年，费米用中子轰击当时最重的元素92号元素铀，他假定所发现的β放射性，是铀俘获一个中子后经β衰变所形成的93号元索(或原子序数更高的元素)放射出来的。也就是说，他认为自己发现了所谓“超铀元素”。•1939年1月6日，哈恩（59岁）和斯特拉斯曼发表于德国“自然科学”的一篇论文为宣告铀核裂变发现的第一篇历史性文献。1944年诺贝尔化学奖。•迈特纳和她的外甥弗里施从物理上确认了铀核在中子作用下分解为两部分的反应形式,并在不久发表在《自然》(Nature)杂志上的文章中首次使用了“裂变”(fission)这个名词.（L.Meitner,O.R.Frisch,Nature,143(1939),239）。2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn9•费米很快地提出这样一个假设：当铀分裂为二时，它可以放射出新的中子来，即提出了链式反应的基本观念，并为实验所证实。铀核的链式反应，将在极短时间内释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。•由于当时是战争的非常时期，从1940年夏到1945年夏整整五年中，美、英、丹麦等国的科学家的研究成果不再公开发表，直到1945年夏在日本广岛投下原子弹之后，秘密才部分地揭开来。2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn10•反应堆（reactor,nuclearreactor）能维持可控自持（续）核裂变链式反应的装置。•链式核反应（nuclearchainreaction）:核反应产物之一能引起同类的反应，从而使该反应能链式地进行的核反应。根据一次反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式反应可分为次临界的、临界的或超临界的三种。2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn11••核反应核反应(nuclearreaction)(nuclearreaction)粒子粒子((包括原子核包括原子核))与原子核碰撞导致原子核的质量、与原子核碰撞导致原子核的质量、电荷或能量状态改变的现象的统称。核子数、电荷、电荷或能量状态改变的现象的统称。核子数、电荷、动量与角动量、能量均守恒。动量与角动量、能量均守恒。••中子与核的相互作用中子与核的相互作用(1)(1)分类：散射和吸收两种。分类：散射和吸收两种。(2)(2)散射散射(scattering)(scattering)：：入射粒子入射粒子((包括电磁辐射包括电磁辐射))与粒子或粒子系统与粒子或粒子系统碰撞而改变运动方向和能量的过程。是中子慢化的主要核反应过程。碰撞而改变运动方向和能量的过程。是中子慢化的主要核反应过程。分弹性散射和非弹性散射两种。分弹性散射和非弹性散射两种。(3)(3)吸收吸收(absorption)(absorption)入射粒子与物质相互作用后不再作为自由入射粒子与物质相互作用后不再作为自由粒子存在的现象。有辐射俘获、裂变、粒子存在的现象。有辐射俘获、裂变、((n,n,αα))、、(n,p)(n,p)等带电粒等带电粒子反应。子反应。2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn12Productionofneutrons9124621941142(,)(1932110,(,),CANDU(,)2BenCMevDnHBenHeαγγ−中子的发现，）产多能中子（高浓铀堆启动）（中）产单能中子Spontaneousfission(even-Z&A),U-238(15n/kg.sec),水慢化动力堆启动(含105kg的U-238）。NeutroninducedfissionSpallationneutronsource（强流质子加速器，BSNS(2005.6.1),CSNS(2007.2.23))Neutronsbydecay2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn13西非加蓬奥克陆20亿年前(3%)天然反应堆(0.7202%/0.7171%):现在还运行吗？为什么20亿年前会发生？是什么机制使它们拥有了必不可少的自我调节能力？这些反应堆是稳定运转，还是间歇式发作？参与核反应的有500吨以上的铀，释放出的总能量为1000亿千瓦小时，相当于1个30万千瓦的电站发电40年。某些矿点的中子积分通量超过1.5×1021中子/厘米2，相当于一个游泳池反应堆（指将反应堆体置于一个大水罐中的堆）连续运行1000天。235U丰度最低的只有0.29%2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn14核裂变核裂变一个重原子核分裂成两个（在少数一个重原子核分裂成两个（在少数情况下，可分裂成三个或更多个）情况下，可分裂成三个或更多个）质量为同一量级的碎片的现象，通质量为同一量级的碎片的现象，通常伴随着发射中子及光子，在少数常伴随着发射中子及光子，在少数情况下也发射轻带电粒子。情况下也发射轻带电粒子。2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn15核裂变的机理核裂变的机理液滴模型液滴模型(Liquid(Liquid--dropmodel)dropmodel)：：复合核为了变形到形状复合核为了变形到形状CC而必须具有的过剩能量叫做裂变的临界能而必须具有的过剩能量叫做裂变的临界能量量(Criticalenergyoffission)(Criticalenergyoffission)。（。（激发能激发能==中子的结合能中子的结合能++中中子的动能）子的动能）.Thresholdexternalenergyforfission..Thresholdexternalenergyforfission.2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn16附加中子的结合能附加中子的结合能((MeVMeV))临界能量临界能量((MeVMeV))ThTh--2335.12335.16.5(Th6.5(Th--232*)232*)UU--2392394.94.95.9(U5.9(U--238*)238*)UU--2362366.46.45.3(U5.3(U--235*)235*)UU--2342346.66.64.6(U4.6(U--233)233)PuPu--2402406.46.44.0(Pu4.0(Pu--239)239)CriticalenergyincreaseswithZCriticalenergyincreaseswithZ22decreasingorAdecreasingorAincreasing(thesameZ).increasing(thesameZ).*表示自然界存在的核素2008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn172008年7月29日10时39分王侃王侃//清华大学工物系核能所清华大学工物系核能所[e-mail]@tsinghua.edu.cn18121211*100()AAAAzZZZXnXXXnQν++→→+++QneutronproducingfissionnXfc