近现代物理结课论文.doc

原子能的利用及发展1.原子能的战争利用20世纪前半期是一个战争频繁的年代，两次世界大战毁坏了此前历史上所有战争损失的综合；而在科学技术发展史上，20世纪前半期又是一个创新变革的年代，科学技术发生了一系列广泛而深刻的革命性变化。 军事上的需要，使交战各国投入大量的人力、物力和财力去发展相应的科学技术，制造克敌制胜的武器。例如，坦克和V2火箭导弹的发明。而以下我们要讨论的可以说是这一时期出现的真正改变人类历史的原子能。它改变了战争，迅速结束了战争，值得一提的是，原子能的发现就是战争促成的。一30年代，原子物理学发展迅速。1932年中子的发现开辟了核物理学的新纪元。这一年，Frederic Joliot-curie(19001958) and Irene Joliot-Curie(18971956)用Po的粒子轰击铝，人工制造出放射性同位素。人工放射性的发现赋予原子核构造理论以新的意义。1934年10月，意大利物理学家Enrica Fermi（19011954）发现用中子轰击重元素铀，可造成铀的核裂变，产生新的“超元素铀”。至此欧洲科学家已经找到了人工获得原子能的途径。获得原子能的理论准备虽然是在欧洲完成的，但在技术上获得和利用原子能确实在美国首先实现的。30年代法西斯主义猖獗，战争阴云密布。法西斯实施的种族主义和文化专制政策迫使许多欧洲科学家、特别是欧洲犹太人科学家流亡国外。1933年，爱因斯坦举家赴美；1938年，Enrica Fermi也因为妻子有犹太血统而携全家赴美。据统计，仅德奥两国就约有2000名科学家流亡国外，其中大部分来到美国，当时，英国的科技力量虽属世界一流，但由于财政困难，致使许多科研工作难以进行。美国遂利用这一点，通过1940年的租借法案，与英方进行军事技术合作，利用英国的尖端技术成果和人才。二根据1943年美、英、加在北美建立原子工业的协议，美国吸收了75名英国优秀的科学家为其原子能计划工作。总之，战前欧洲大批优秀科学家移居美国，这是世界科技中心从欧洲转移到美国的一个重要原因。来到美国的科学家出于反法西斯的正义感和科学家的责任心而积极工作。当他们得知纳粹德国正在加紧进行链式反应的研究后，为了赶在德国前面造出原子弹，爱因斯坦在许多科学家的倡议和支持下，于1939年8月2日致函罗斯福总统，说：“我预料到在不久的将来，铀元素会成为一种重要的新能源。这一情况的某一些方面似乎需要加以密切注意，如有必要，政府方面还应迅速行动。”美国政府接受了他的建议，于1941年12月6日，即日本偷袭珍珠港的前一天，通过了一项大量拨款制造原子武器的决议。1942年9月，成立了由3名军政官员和两名科学家组成的军事政策委员会，领导制造原子武器的工程计划，代号为“曼哈顿工程区”。1942年12月2日，在Fermi领导下芝加哥大学建立了世界上第一座核反应堆，并成功地进行了人工控制地核链式反应。1943年，在加利福尼亚大学理论物理学教授J. Robert Oppenheimer（19041967）领导下，在新墨西哥州建立了一个大规模地实验室。三1945年7月16日，在该州的一片荒漠上成功的爆炸了世界上第一颗原子弹。这是一颗铀弹，其威力相当于2万吨TNT炸药，在半径1600米范围内的一切动植物全部死亡。这时，法西斯德国已经崩溃，日本的投降也已成定局，军事上使用原子弹已没有必要，然而，美国政府为了战后争夺世界霸权，不顾当初参加研制原子弹的科学家们的多次上书反对，于1945年8月6日和9日向日本广岛和长崎分别投掷了一枚铀弹和Pu弹，炸死295 956人。在核裂变发现后短短的六年时间里，美国就爆炸了原子弹。如果没有最迫切的军事需要，这是办不到的。随着原子弹的试制成功，才有后来的原子能的和平利用，人类从此进入了核时代。原子能的释放是20世纪最伟大的科学成就之一，从此人类获得了又一个重要的新能源。它本应该给人类带来更多的光明和幸福，然而，不幸的是，它却被超级大国用作争夺世界的武器。2.原子能的发电技术一、核电产生及利用现状1951年美国首次在爱达荷国家反应堆试验中心进行了核反应堆发电的尝试，发出了100千瓦的核能电力，为人类和平利用核能迈出了第一步此后不久，1954年6月，原苏联在莫斯科近郊粤布宁斯克建成了世界上第一座向工业电网送电的核电站，但功率只有5000kW1961年7月，美国建成了第一座商用核电站杨基核电站该核电站功率近300MW，发电成本降至9.2美厘度，显示出核电站强大生命力今天，一些经济发达的国家由于经济的高速发展与能源洪应的矛盾日趋突出，同时，传统的能源工业造成的环境污染及温室效应严重威胁人类生存环境，因此，不仅缺乏常规能源的国家如法国、日本、意大利等发展核电站，而且常规能源煤、石油、水电等非常丰富的国家如美国、加拿大等也在大力发展核电站截止1995年全世界运转的核电站总数达438座其中美国运转的核电站总数达109座，核发电量创下6730亿千瓦小时的最高记录，在美国电力生产中核电比例达225%法国核发电量比前年增长4.9%，达3580亿千瓦小时，运行中的56座核电站发电量占全国总发电量76%，而且去年出口核电达700亿千瓦小时核电已成为法国第六大出口产品日本，由于其常规能源资源短缺，对核电的开发大为重视，目前运转中的51座核电站，供应全国28%的电力总需求，而且日本有关部门计划到2000年将核电量提高33%二、核电的优越性核电迅速发展，是由核电自身的优越性决定的核电是浓集、清洁、安全和经济的能源首先，核能是高度浓集的能源，核电站可建立在最需要用电的地方，不受燃料运输的限制l公斤铀裂变产生的热量相当于1公斤标准煤燃烧后产生热量的270万倍因此，核电站特别适合于缺乏常规能源而又急需用电的地区，如我国的东南、华南地区核能是后备储量最丰富的能源，铀在地球上的储量相当丰富，等于有机燃料储量的20倍核能是清洁的能源，有利于保护环境目前，世界上80%的电力来自烧煤或烧油的火力发电站，燃烧后的烟气排放到大气中严重污染环境相同规模的火电站释放出的放射性比核电站大几倍煤燃烧后排放的一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和苯并芘，容易形成酸性雨，使土壤酸化，水源酸度上升，对植物及水产资源造成有害影响，破坏生态平衡，苯并芘还是一种强致癌物质一个成年人每天要呼吸约14公斤的空气，火电站污染造成的死亡几率是相同规模核电站的400倍同时大气中二氧化碳浓度增加还导致大气层的“温室效应”另外，煤和石油又是重要的化工原料，大量烧掉十分不利于化学工业的发展，是十分可惜的浪费核能又是安全的能源经过几十年的发展和完善，核电站已成为最安全的部门之一我国核工业30多年的安全记录就是良好的佐证一座反应堆运行一年称为一堆年，三里岛事故之前，全世界商用核电站已运行了1400堆年三里岛事故后到1986年又安全运行2000堆年以上三里岛事故是鉴于设计、管理、操作与设备的缺陷交织在一起而造成的十分罕见的事故，只要其中任何一个环节的问题得到排除，就不可能出现这样的后果事故后果也没有舆论宣传的那样严重，事故中主要安全系统全都自动投入，有专家认为这从反面证实了核电站的安全性1986年4月苏联切尔诺贝利核电站又出现了重大事故，专家们认为原苏联核电站特别是早期的，安全设施较差，没有安全壳而事故的直接原因是由于在进行某一试验时违反操作规程，导致信号指示和控制系统没有起作用如今国际原子能机构和各国的国家安全部门都建立了一系列的安全法规和准则，对核电站的安全进行了严格的管理特别指出的是，我国1989年11月建成的由清华大学核研院设计的5兆瓦低温核供热反应堆，是世界上第一座投入运行的核供热堆，也是世界上第一堆采用新型水力驱动燃料控制棒系统的核反应堆这种反应堆设计有压力壳和安全壳具有双重安全屏障、安全可靠，已运行5个冬季，未发现任何事故据监测，5兆瓦低温堆向大气中排放出的放射性物质所造成的危害，只相当于吸一支香烟所造成的危害的1400，放射性污染是极其微小的核能也是经济的能源世界上已运行核电站的经验证明，尽管它的造价比火电站高3050%，但由于燃料费和运输费较低，它的发电成本仍比火电约低30%，而且随着核电站的技术不断完善和提高，成本还将继续降低日本能源经济研究所预测，至2010年日本的核电成本为8.9日元千瓦小时，而煤电和油电成本分别为10.45日元千瓦小时和13.06日元千瓦小时因此，有专家们预计，在未来的城市集中供热工程中，逐步采用低温核供热技术是必然趋势。三、核反应堆与核电站能维持可控自持核裂变链式反应的装置称为核反应堆原子能工业是在第二次世界大战期间发展起来的当时全力制造核武器以满足军事需要50年代以来，原子能用于和平事业有了飞速发展，所以核反应堆类型和数量增多按照核反应堆的用途分类，大体可分为下列几类： (1)生产堆主要用于生产易裂变材料和其他材料，或用于工业规模的辐照，称为生产堆50年代建成的第一批石墨水冷堆和天然重水堆，都是生产军用239Pu，也就是使天然铀中大量的238U在堆内吸收中子转化成239Pu239Pu是一种易裂变物质，可用作核武器原料，此外，还可把Li放在堆内受中子辐照而产生氚（H），氚是氢弹的重要原料 (2)试验堆主要是为取得设计或研制一座反应堆或一种堆型所需的堆物理或堆工程数据而运行的反应堆例如用于核物理、放射化学、生物、医学研究和放射性同位素生产等，也可以用于反应堆元件、结构材料考验以及各种新型反应堆自身的静、动态特性研究等等 (3)用于生产动力（发电、推进、供热）的反应堆称为动力堆，如核电站、核供热、核潜艇等所用的反应堆就是这种类型目前常用的动力堆型分为四大类：a石墨气冷堆包括最早的镁诺克斯堆，改进型气冷堆及高温气冷堆该反应堆是以石墨为慢化剂，气体作冷却剂的堆型镁诺克斯（Magnox）堆以天然铀为燃料，燃料包壳是镁诺克斯镁合金，用二氧化碳冷却镁诺克斯进一步发展为高温气冷堆（HTGR）它以氦为冷却剂避免了CO2对石墨的腐蚀作用，取消了用金属材料制成的燃料包壳，其燃料是碳化钠及碳化针混合物的颗粒（100400m），燃料颗粒弥散在石墨中，制成燃料元件，装入石墨砌块的燃料孔道中由于以上措施，大大提高了中子的经济利用及运行温度，致使高温气冷堆热效率提高40%以上此外高温气冷堆燃料中的钍是增殖原料，它可使反应堆获得较高的转换比目前我国清华大学核研院对高温气冷堆的研究取得了一系列重大成果b轻水堆 轻水堆有两种类型，一是沸水堆，一是压水堆两者均用轻水作慢化剂兼冷却剂；用低富集度二氧化铀制成芯块，装入锆合金包壳中作燃料，沸水堆不需另设蒸汽发生器、但由于蒸汽带有一定的放射性，对汽轮机的厂房要屏蔽，同时对检修增加了困难据统计，当今核电站的80%为压水堆我国秦山一期和大亚湾核电站均属此类“九五”期间秦山二期工程、广东核电站以及辽宁核电站也将采用压水堆c重水堆 重水堆是以天然铀作燃料，以重水堆作慢化剂的堆型它是加拿大重点发展的堆型，以坎都（CANQL）型为代表由于它用数百根压力管代替整体的压力容器，压力管可以成批生产，易于保证质量，在扩大堆容量时只须多加压力管数，有利于标准化压力管内，可以实现不停堆装卸料这样可控制各燃料棒束达到均匀的燃耗深度，有利于充分利用燃料，减少停堆时间，提高反应堆的有效利用率而且重水堆采用天然铀为燃料，无需设立浓缩铀工厂，对分离能力不足的国家，发展此种堆型特别有利我国“九五”期间，秦山核电三期工程将引进加拿大的重水堆重水堆所用重水价格昂贵，防止泄漏及回收泄漏出的重水是一个特别棘手的问题d钢冷快堆钠冷快堆就是钠冷却快中子堆在核能发电问题上，必须考虑增殖问题，否则对核燃料资源的利用是极为不利的增殖堆的采用，可以将核燃料资源矿大数百倍快堆是利用中子实现核裂变及增殖而前述石墨气冷堆，轻水堆和重水堆，都是热中子堆对每次裂变而言，快堆的中子产额高于热中子堆，且所有结构材料对快中子的吸收截面小于热中子的吸收截面这就是实现增殖的原因钠冷快堆用金属钠作冷却剂钠在98时熔化；883时沸腾，具有高于大多数金属的比热和良好的导热性能，而且价格较低，适合用作反应堆的冷却剂国际快堆的发展已有较长的历史，据报道，1995年8目29日，日本文殊28万千瓦快堆以5%的额定功率l.4万千瓦并入电网我国开发快堆技术始于60年代中后期，已取得丰硕成果1987年底已将快堆纳入“863”高技术研究计划，计划2015年建成并推广单推功率100150兆瓦的模块式快堆电站到2025年建成和推广增殖性能的10001500兆瓦的大型快堆不同类型的核反应堆，相应的核电站的系统和设备有较大的差异以压水堆为例，核电站是由核反应堆、一回路系统、二回路系统及其他辅助系统组成核反应堆是核电站动力装置的重要设备，同时，由于反应堆内进行的是裂变反应因此它又是放射性的发源地一回路系统由反应堆、主循环泵、稳压器、蒸汽发生器和相应的管道、阀门及其他辅助设备所组成，它形成一个密闭的循环回路，将核裂变所释放的热量以水蒸汽形式带出二回路系统是将蒸汽的热能转化为电能的装置，并在停机或事故情况下，保证核蒸汽系统的冷却辅助系统的主要作用是保证反应堆和回路系统能正常运行，为一些重大事故提供必要的安全保护及防止放射性物质扩散的措施我国的原子能科学技术，虽然起步晚，但经过30多年的努力，已具有雄厚的基础60年代以来，我国成功地爆炸了原子弹、氢弹和研制成核潜艇至今，原子能开发利用技术已达到一定的水平，它为核电的建设打下了良好的基础1991年12月15日，我国自行设计的秦山核电站一期工程30万千瓦压水堆机组并网发电成功1993年底，广东大亚湾核电站已经成功运行1995年，秦山核电站发电22亿千瓦时，大亚湾核电站已超额完成了100亿千瓦时的发电任务，这样，我国在1995年核发电已达到122亿千瓦时四、压水堆棒形核燃料元件核反应堆堆芯结构是反应堆的核心构件，在这里实现核裂变反应，核能转化为热能；同时它又是强放射源堆芯由核燃料组件、控制棒组件等组成现代压水反应堆的燃料是采用低浓铀（铀235的浓缩度约为2一4%）作核燃料核燃料元件制造的第一大工艺过程是在比工车间里生产为满足一定性能要求的二氧化铀粉末我国目前采用技术上较成熟的ADU（重铀酸铵）法制取二氧化铀粉末主要过程是将六氟化铀汽化，经水解生产成氟化铀铣（UO2F2），在通有氨水的沉淀槽转化为ADU粉末经氢气还原为二氧化铀第二大工艺过程是将二氧化铀粉末压制成粗块，经烧结、磨削成一定性能要求、一定尺寸和规格的圆柱形二氧化铀芯块在经装配车间把二氧化铀芯块和长棒形空锆管装配成核燃料元件棒，并且棒内充入一定量的氦气，两端密封；然后，按一定的排列方式排列成正方形或六角形的栅阵，中间用几层弹簧夹型的定位格架将元件棒夹紧，上下两端固定骨架构件上下管座，构成棒束型的燃料