《核能的地位和作用》PPT课件.ppt

核工程导论,第一章 核能在能源结构中的地位和作用,张继革 上海交通大学 2010,核能的用途,核舰艇,核动力航母,核电厂,氢弹,船用核动力,核电,原子弹,核武器,何谓能源？能源的结构如何？能源储量如何？,第一章 核能的地位和作用,1.1 “能源”的来源和结构 1.2 能源的大气污染 1.3 清洁的能源-核能 1.4 生活中的核能及射线 1.5 核能史话,1 “能源”的来源和结构,究竟什么是“能源”呢？ 能源的三个初始来源 能源的分类 能源消费的变革 当前世界的能源结构 能源储量,究竟什么是“能源”呢？,科学技术百科全书：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”,日本大百科全书：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”,大英百科全书：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”,我国的能源百科全书：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”,太阳或其它星球,地球,星球引力,能源,能源的三个初始来源,太阳能,一年,170万亿吨煤的热量,辐射,1/1000,现在全世界一年消耗的能量还不及它的万分之一,返回,999/1000,化学能贮存,地球本身蕴藏的能量地热能,地热,火山,仅开采地下3公里以内的地热资源，就可相当于燃烧29000亿吨煤所产生的能量,返回,铀、钍矿,氘、锂,地球本身蕴藏的能量核能,40万亿吨,2千多亿吨,所释放的能量比全世界现有能源总量放出的能量大千万倍 “无穷的能源”,核裂变能,核聚变能,核裂变反应,核聚变反应,490万吨,275万吨,来自星球引力的能量潮汐能,返回,潮汐能 每年可利用的约为6000万吨煤,相对位置周期性的变化，它们之间产生的引力,能源的分类,常规能源,新能源,一次能源,二次能源,再生能源,化石燃料,人工能源,天然存在且未加工或转换的能源,天然能源,一次能源转换成其他种类的能源,一次能源和二次能源,地热,风能,核能,太阳能,返回,核能,能源消费变革的主线,18世纪的煤炭,20世纪2060年代,煤,再生能源,20世纪末,21世纪,核能,天然气,石油,太阳能,煤,天然气,石油,新能源,当前世界的能源结构,核电在世界能源消费中占8%（2000年）,核电在世界电力能源中占17%（2000年）,总能源,化石能源fossil fuels占总能源的85。,化石能源占总电力能源的30。 石油用于发电非常可惜。,未来能源究竟如何？,储量,环境,我们的子孙还有煤吗？,我们的子孙还有石油吗？,我们的子孙能见到蓝天吗？,能源的可持续,人类未来的生存与文明延续,我们的子孙的子孙还能生存在地球上吗？,能源储量,化石能源,再生能源,原子能,世界人口过60亿，比19世纪末增加2倍多，能源消费增加16倍多。,能源危机,化石能源储量有限！,能源消费不断增加！,返回,再生能源,水力,风能,潮汐能,能利用的不足、不足、不足！,规模受到环境、季节、地理位置等条件的限制,现在的开发技术不足,太阳能,返回,核能无穷的能源,海洋,核裂变能,核聚变能,铀、钍矿石,如全部利用，能供使用24002800年,氘（来自海水）、锂,40亿万吨,2千多亿吨,如实现可控核聚变，能供使用上千亿年,返回,2 能源的大气污染,能源造成的大气污染 大气污染对环境的影响 “污染大国”,能源造成的大气污染 environmental pollution,煤、石油等化石燃料的燃烧,汽车排放的废气,工业生产（如各种化工厂、炼焦厂等）过程中产生的废气,二氧化硫（SO2） 悬浮颗粒物（烟雾、粉尘等） 氮氧化物（NOx） 一氧化碳（CO）,有害气体,大气污染对环境的影响,“污染大国”,我国大气污染属煤烟型污染。 排入大气中90的SO2、70的烟尘、85的CO2来自于燃煤,3 清洁的能源-核能,核能没有污染气体排放 干净的核电厂,二氧化碳CO2,煤 天然气 石油 核能,煤 天然气 石油 核能,氮氧化物NOx,二氧化硫SO2,煤 天然气 石油 核能,核能没有污染气体排放！,核电正是“最安全、最清洁、且经济效益最高的电力资源”,核能：0,核能：0,核能：0,加拿大皮克灵核电厂,日本美滨核电站,中国秦山核电站（浙江海盐）,中国大亚湾核电站（广东深圳）,原子核反应离我们有多远？,核反应的能量,射线的辐照,生活中的核能及射线,4 生活中的核能及射线,太阳与地球的能量来源 太阳的核聚变反应区 地球是个巨型核电站吗 生活中的辐射,太阳是个巨大的热核反应堆！,一个大胆的假设： 地球本身就是一个大的核反应堆！,“反应堆” 用于发生核裂变或聚变反应的装置一般称为核反应堆。,太阳的能量从哪里来？,地球内部的能量从哪里来？,表面温度6000,内部温度2000万,内部压力达2000亿大气压力,太阳的中心是一个巨大的 核聚变反应区,由于高温和高压，使原子进行着激烈的运动和变化，热核反应不断进行，同时释放出巨大的能量,核聚变,地球是个巨型核电站吗？,目前尚未得到最终的科学证明,什么是辐射？,当原子核处于不稳定的激发状态时，它多余的能量将以放出粒子或电磁波的形式被带出该原子。这种带有能量输出的粒子或波称为核辐射或射线。,辐射是能量传递的一种方式,大理石,核战争,什么是辐射,辐射剂量大,陆地射线,核事故,生活中的辐射,电器辐射,建筑材料,天然辐射,医疗辐射,辐射剂量不大,核辐射,宇宙射线,花岗岩,花岗岩,核电站周围辐射剂量为0.01mSv/年 肺部透视一次辐射剂量为0.02mSv 拍一次胸片的照射剂量为0.12mSv 北京与欧洲之间乘飞机往返一次的辐射剂量为0.04毫希 允许标准：公众剂量不超过1mSv/年,核能史话,伟大的发现,改变历史的事件,0.5 核能史话,原子模型,原子,原子的尺寸：10-10m,原子核的尺寸：10-15m,原子的放射性,衰变,衰变,衰变,物质自发放出射线的性质叫放射性,也称为核辐射,图1-27 费米,认识核能微观世界的里程碑,X射线,天然放射性,质子和中子,放射性物质,人工放射性,射线和射线,铀裂变,原子核的组成,核能,与核能相关的伟大发现,贝克勒耳,居里夫人,约里奥.居里夫妇,费米,查德威克,哈恩,无意中的伟大发现- X射线,1895年11月8日伦琴无意中发现阴极射线管中有射线可以穿过许多物体透视到荧光物质上使其发光。 12月22 日，伦琴为夫人拍下了第一张X射线照片。 未知的射线-X,金戒指,获的第一枚诺贝尔物理学奖,1895/12/22,现代物理学的揭幕人 威廉伦琴,返回,1896年，亨利贝克勒耳研究X射线时偶然发现铀盐能自发永久地放出一种神秘的射线。 人们把这种自发放出射线的性质叫放射性。,天然放射性的发现,放射性物质,形形色色的天然铀矿石的形态,镭 铍 。,亨利贝克勒耳,原子科学发展的第一个重大发现,硫酸钾铀,返回,天然放射性极强的物质-镭的发现,1898年，居里夫妇发现含有铀或钍的物质，都会有放射性，并发现了强放射性物质-镭。 1902年，居里夫妇从沥青矿渣中提炼出钋、镭 。,居里夫妇,镭的射线强度是纯铀的九百倍,揭开了原子时代的序幕,返回,射线和射线的发现,1896年，卢瑟福发现铀和钍的两种辐射在强磁铁被分开了三股,“核子科学之父” 卢瑟福,1899年，卢瑟福发现了镭的两种辐射穿透本领不同： 第一种辐射不能贯穿比1/50毫米更厚的铝片，但能产生显著的电效应。 命名为射线 第二种辐射，能贯穿约半毫米厚的铝片，命名为射线。,1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。 并提出了“原子能”的概念。,卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖,卢瑟福、索迪元素衰变,以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链： 索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。 元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。,卢瑟福、索迪元素衰变,返回,原子核模型,1911年，卢瑟福用射线轰击原子，发现中间有个“原子核” 存在。核很小、坚硬、很重并且带正电。因此提出了原子核模型。 在1932年发现中子后，苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中子组成的模型(质子和中子统称为核子),原子核,“量子力学的奠基者之一” VK海森泊,质子,中子,卢瑟福,返回,质子的发现,1914年 发现质子（氢原子核） 1919年 第一次人工核反应 4 He + 14 N 17 O + 1 H,卢瑟福原子,“核子科学之父” 卢瑟福,卢瑟福用镭发射的粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果， 18N 17Op 。 这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为新炼金术。,人工衰变,返回,中子的发现,1920 卢瑟福预言： 原子核 = 质子 +“中性粒子”？ 1930 博特和贝克尔（德）：Be 产生穿透力强的射线（断言） 1932 约里奥居里夫妇 ：Be 产生“中性射线”，以为是射线。 疑惑: 射线能量很高? 1932 查德威克读了居里夫妇文章，马上进行实验。指出： “中子的可能存在” 42He + 94Be 126C + n（中子）,查德威克,原子科学发展的第二个重大发现,1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。 由于中子不带电荷，不受静电作用的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想“炮弹“。,探索原子核奥妙的钥匙中子,中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工控制原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的“钥匙“，在开发原子能的伟大事业中大显身手。,探索原子核奥妙的钥匙中子,返回,1934 年约里奥.居里夫妇用 射线打击镁、硼、铝，发现在停止打击后，这些元素还不断地放出射线。 这些射线的强度逐渐减小，并遵守天然放射元素的衰变规律。,人工放射性核素的发现,约里奥.居里夫妇,人工制造新物质,新、不稳定,返回,裂变的发现,费米,原子核吸收一个中子只会变成下一个元素。原子核结合力太大，不可能分裂,1944年，哈恩因为发现了“重核裂变反应”，荣获诺贝尔化学奖。,返回,“原子的火花”链式核裂变反应,在铀核裂变释放出巨大能量的同时，还放出两、三个中子来,巨大能量,返回,第一颗原子弹曼哈顿计划,1942年美国启动了取名为“曼哈顿计划”的制造原子弹计划，由奥本海默负责。 1945年7月16日，美国在新墨西哥州的一个30米高的铁塔上，进行了人类第一次核试验。 核爆炸腾起的烟尘若垂天之云，极为恐怖。 在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。 这颗原子弹的威力，要比科学家们原估计的大出了近20倍。,“原子弹之父” 奥本海默,1939年，爱因斯坦写信给美国总统罗斯福，详细阐述了研制原子弹的重要性。,“比一千个太阳还亮”,“漫天奇光异彩， 有如圣灵逞威， 只有一千个太阳， 才能与其争辉。 我是死神， 我是世界的毁灭者。”,“原子弹之父” 奥本海默,广岛的“小男孩”和长崎的“胖子”,1945年8月6日美国向日本广岛投下原子弹，装料为10公斤铀235，当量1.25万吨TNT ，因为该弹细长，被称为 “小男孩”。,“小男孩”,8月9日，美国又在长崎扔下名为 “胖子”的第二颗原子弹。,“胖子”,威力更大的核武器氢弹的诞生,第一次使用热核反应装置的核聚变试验， 1952年11月1日,1952年11月1日，美国采用热核反应装置，进行了人类首次热核反应核聚变试验。 1954年3月1日，代号为“城堡行动”的人类第一颗可投式氢弹试验成功。其爆炸力为千万吨级TNT当量，几乎是广岛原子弹的1000倍。 热核武器的能量规模及杀伤力远远超过了原子核裂变武器。,氢弹空中爆炸的冷凝云,埃尼威托克的核爆炸,核武器发展的现状,何谓核武器 原子弹、氢弹和中子弹及其由它们组装起来的各种导弹统称为核武器。 核武器的5种杀伤因素 快如闪电、比太阳光还亮的光辐射 形同飓风的冲击波 早期可使人致命的核辐射 有斩不断、理还乱的长期放射性污染 还有一种电磁脉冲 核武器的发展经历了三代 第一代为原子弹 第二代为氢弹 第三代是以中子弹为代表的、效应可转换的特种弹。,战略导弹的核弹头,我国的第一颗原子弹 1964年10月16日15时,核军备竞赛开始,我国的第一颗氢弹 1967年6月17日,原子弹,最大的核爆炸(氢弹),足球场看台下的第一座核反应堆 The Chicago Pile-1,1942年12月2日下午，美国费米实验室在芝加哥大学的足球场西看台下的网球场，世界上