核能

第六章新型核能石油40年天然气50年煤炭240年能源危机环境污染生物质能太阳能氢能风能海洋能地热能核能核能:核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时放出的能量，都叫原子核的结合能(核能)。简单来说，核反应中放出的能量称为核能。优点:环境污染小，燃料运输量小，单位质量释放的能量大。核能的利用：1.核能供热2.利用核能冶炼钢铁3.核电：利用核能转化为电能4.利用核能作动力返回核能——化石燃料的替代品大亚湾核电站返回核潜艇返回核子反应与核能利用原子时代的奇迹一、核能物理基础放射性的发现一个大飞跃三种射线、和产生放射性的原因元素的放射性放射性的发现1896年，放射性由贝克勒尔（A.H.Becguerel）发现，这一发现与一年前伦琴（W.K.Rontgen）发现X射线密切相关。贝克勒尔在研究X射线的来源过程中发现了放射性。放射性发现的过程贝克勒尔发现铀化合物不管是否被阳光照射过，总是能发射出与荧光无关的、也具有穿透黑纸能力的射线。这种射线（又叫辐射）不仅能使底片感光，还能使气体电离成导体，并且所有铀盐都能自发发出这种辐射。这种神秘的射线当时被称为“贝克勒尔射线”（后来，根据居里夫人的建议凡是具有这种性质的物质都称为“放射性”的物质）。一个大飞跃法国科学家皮埃尔·居里（1859~1906）和他的夫人玛丽·居里（1867~1934）先后发现了钋、镭等新的放射性元素。1898年7月，发现“钋（Polorium）”1898年9月，发现“镭”。1902年居里夫妇从8吨铀沥青废矿渣里分离出0.12克纯氯化镭，并测定其原子量为225（国际公认值226.0254），镭的放射性比铀强二百多万倍。三年后，金属纯镭的提炼获得成功。1903年他们与贝克勒尔共同获得了诺贝物理学奖，居里夫人成为有史以来第一个获得诺贝尔奖的妇女。三种射线、和1.1899年卢瑟福（E.Rutherford）发现了、射线2.1900年法国维拉尔发现了射线卢瑟福是这三类辐射术语的命名者。射线是带两个正电荷的氦核流；射线是带负电的电子流；射线是电中性的电磁辐射（高能光子流）。三种辐射（射线）的区别三种射线在电场（或磁场）中的偏转轨迹不同三种射线具有完全不同的穿透性三种射线在电场中的偏转对这三种射线，用它们在垂直于运动方向的电场（或磁场）中的轨迹即可区分。完全不同的穿透性对于射线，一张纸就可把它挡住。对于射线，非但纸挡不住，甚至可穿过几毫米厚的铝板，但强度有明显减弱。对于射线，它的穿透力最强，在穿过几毫米的铝板后，减弱很少，要挡住它，则要用又厚又重的铅砖。穿透性比较产生放射性的原因•1902年，卢瑟福与美国化学家索迪发表了他们合作研究的结果，认为放射性的产生是一种元素的原子脱变为另一种元素的原子时所发生的现象。这些原子在放出粒子或粒子后，便自发地转变成为另一种元素的原子。•卢瑟福于1909~1911年发现原子核。原子核电子刀治疗前(A图)，治疗后2年(B图)，DSA显示动静脉畸形完全消失。(万杰集团)伽玛刀是一种放射治疗设备，全称是：伽玛射线立体定向治疗系统。它将许多束很细的伽玛射线从不同的角度和方向照射过人体，并使它们都在一点上汇聚起来形成焦点。由于每一束射线的剂量都很小，基本不会对它穿越的人体组织造成损害，只要将焦点对准病变部位，就可以像手术刀一样准确地一次性摧毁病灶，达到无创伤、无出血、无感染、无痛苦、迅速、安全、可靠的疗效。射线在医学上的应用刀玛西普伽玛刀阳光下的放大镜，只有在焦点才能产生高温，使火柴头燃烧，伽玛刀正是运用了这个原理。伽玛射线采用多角度多方位聚焦，穿过正常组织，杀死焦点处的病变组织，其他正常组织安然无恙。二、质子、中子的发现首次人工核反应与质子的发现(1)人工核反应(ArtificialTransmutation)利用放射性元素释放出来的高能粒子轰击已有原子核引发的核反应，从而产生不同元素或同位素。1919年，卢瑟福利用212Po放出的7.68MeV的粒子轰击氮气发生如下反应：即粒子与14N发生反应产生氢核和17O。HONHe11178147421919年卢瑟福确认用粒子轰击氮所产生的粒子就是氢的原子核(protons)，其所带电荷与电子电荷数值相等而符号相反，质量约为电子的1836倍。这是人类首次有意识地完成的核反应，标志着核物理时代的开始。铍辐射之谜与中子的发现1920年卢瑟福提出原子中可能存在不带电的中性粒子的假设。1910年，Ｊ·Ｊ·汤姆孙制成第一台用以测量带电粒子质量的仪器——质谱仪，这一发明使人们可以精确测量各种原子的原子量。导致发现中子的核反应1930年，德国物理学家博特和贝克尔用射线轰击铍时，发现了一种穿透力极强的未知射线，他们误认为这是一种辐射。这种核反应如下:1932年查德威克确认这种不带电的，质量跟质子差不多的新粒子（射线）就是卢瑟福所预言的中性粒子，称之为“中子”(neutrons)，用n表示。查德威克由于发现中子获得1935年诺贝尔物理学奖。CnBe129查德威克发现中子的意义中子不带电，因此不会受原子核静电力的排斥，很容易钻进原子核中，所以它是打开原子核大门的一把钥匙。人们了解到原子核的组成的基本单元应是质子和中子，这两者现在统称为核子。三、原子核(Nucleus)的结构原子核包含两种粒子：中子(Neutron)与质子(Proton)中子与质子的质量相近，约为电子质量的1840倍。中子、质子、电子的质量•它们质量很小，通常以“原子质量单位”u表示–1u=1.6610-27kg–1me=9.10910-31kg=0.00055u–1mp=1.6726210-27kg=1.00730u–1mn=1.6749310-27kg=1.00869u四、核能定义：核能又称原子能。它是指原子核结构发生变化（核裂变、核聚变）时释放出的能量。什么是核能重核裂变与轻核聚变核裂变：被中子击中时，大原子核分裂成数个小原子核，这个过程会释放能量。核聚变：数个小原子核结合并释放能量。nHHH10423121nXeSrnU10136549038102359210重核裂变重核裂变的发现1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子核，并发现通过石蜡减速之后的慢中子，更加容易引起核裂变。费米因此获1938年诺贝尔物理奖。1938年，德国哈恩发现铀嬗变后出现的新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出核裂变猜想，以解释铀实验。并称裂变过程要放出大量能量。..\原子裂变的发现1.mp4费米哈恩迈特纳核裂变反应它是指一个重原子核分裂成2个较轻的新原子核的过程；用来进行核裂变反应并连续释放能量的物质，称核裂变燃料。铀=铀238（99.28%）+铀235（0.714%）+铀234（0.006%）如果核裂变反应中产生的中子再引起其它的铀核裂变，就可使核裂变反应不断地进行下去，称为“链式反应”。链式反应的速度极快，两次反应间隔时间只有2x10-14秒。在链式反应中，后一代中子数与前一代中子数之比称为倍增系数（k）。裂变的机制裂变过程中的核形变链式反应费米提出链式反应概念他发现，铀核被分裂为二时，可以放出两个中子，这两个中子再去击中两个铀原子核，它被分裂为四，同时放出四个中子……，由此类推，原子的裂变就会这样自发地持续下去，产生一连串的原子分裂，同时不断放出能量。原子裂变自持链式反应的概念就是这样提出来的，它是利用原子裂变产生能量的重要理论基础。核裂变能目前主要是利用235U的裂变。设计了可以控制核反应的装置——原子核反应堆。•热中子转换堆•增殖反应堆热中子转换堆以浓缩铀235U为燃料,通过原子核与快中子弹性碰撞，将快中子慢化为热中子。热中子堆又可分为轻水堆（包括压水堆，沸水堆）、重水堆和气冷堆，但热中子转换堆的铀利用率低，只有1%-2%的能量被利用了。目前大多数运行的反应堆都属此堆型。增殖反应堆235U在自然界的含量只占天然铀的0.72%，所以又设计了新的核反应堆——增殖反应堆，使迄今尚未大量利用的核燃料238U和232Th发生核裂变。为了引起裂变反应，必须首先具备引发裂变反应的中子，引发裂变反应的中子的能量不同，增殖反应堆的结构也不同，一般分为“热中子增殖反应堆”和“快中子增殖反应堆”。快中子增殖反应堆热中子反应堆对天然铀的利用率很低（只有0.7%）；快中子增殖反应堆以钚239为裂变燃料，组成堆芯，以铀238包围在堆芯周围，作为增殖层。可使天然铀的利用率达到60%~70%。聚变反应氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。每一次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。氘氚聚变时只有5个核子参加反应，而铀235裂变时有236个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放的能量是铀－235裂变释放的能量的4.14倍。nHeHH10423121太阳上的核聚变反应核聚变能是利用轻原子核（氘或氚）在极高温度（几千万开或上亿开）下聚合成较重原子核（如氦）的过程中释放的能量。在高温下物质进入等离子状态，即成为炽热的电离气体。这时轻原子核运动的速度快到足以聚合起来。聚变反应充分进行后，聚变反应产生的高温足以维持反应。聚变反应的优点：①燃烧产生的能量大，1kg氘和氚相当于1万吨的优质煤。②地球上储量丰富，1L水中含0.03g氘，这些氘通过热核反应产生的热量相当300L汽油的。③污染小。五、核能的利用•原子弹与氢弹•核电站•可控核聚变的研究现状与前景、原子弹它是最早研制出的核武器，它是利用原子核裂变反应所放出的巨大能量，通过光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲起到杀伤破坏作用。原子弹爆炸情景又称热核聚变武器，它是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的聚变反应，产生强烈爆炸的核武器。其杀伤机理与原子弹基本相同，但威力比原子弹大几十甚至上千倍。、氢弹2.1原子弹与氢弹图片中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云→受控核聚变是指两个或两个以上较轻的原子核受控聚合成一个较重的原子核的反应；核聚变燃料主要是氢及其同位素氘和氚。受控核聚变具有以下优点：(1)质能比高，是同质量核裂变释放能量的4倍；(2)原料足，从海水中可大量提取氘和氚；(3)无放射性，安全、清洁、不污染。核聚变能的和平利用目前尚处于研究阶段。氢弹是利用核聚变制成，但它的能量是一下子释放。要和平利用核聚变能，就要使热核反应的能量有控制地释放。在1亿度高温下，氘、氚燃料是“高温等离子体”，任何容器都无法承受此高温，因此要有办法盛装和约束等离子体。有两种途径：磁约束和惯性约束受控核聚变一是磁约束：用强磁场将低密度的氘、氚核长时间约束在预先充满等离子体的空间中，将等离子体与容器隔离，热能也就很好地保存在等离子体中。托卡马克装置托卡马克(Tokamak)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。托卡马克装置TokamakFusionTestReactor,1989,USA托卡马克装置GlowingPlasmainsidetheTokamakFusionTestReactor二是惯性约束：用燃料自身的惯性，在极短的时间内（如10-10s）使某一氘氚混合的小球迅速升温升压，使其发生微型爆炸式的聚合反应。人们正在探索激光引发核聚变反应。激光能量高度集中，将激光束聚集在聚变物质的表面，使物质变成等离子体，并使其温度上升到产生热核反应的温度