新能源开发与利用——核能（杨业华）.ppt

新能源的开发和利用 核电 姓名 杨业华专业 科学与技术教育学号 201104504127 内容提要一 巨大的核能二 神奇的核岛三 多重屏障体系 不让放射性物质泄漏出去四 原子弹爆炸绝不会在这里发生五 核电发展有着广阔前景六 聚变能取之不尽用之不竭 一 巨大的核能 太阳能来源于核聚变反应核电站能量来源于核裂变反应化石燃料 煤 石油 天然气 燃烧能量来源于化学反应 1千克铀 235相当于2700吨标准煤 煤的燃烧 1千卡 2 6 1022电子伏 4187焦耳 一个C原子与一个O分子结合生成一个CO2分子 释放出能量 E 只有4 1电子伏 燃烧1千克标准煤可释放出7000多千卡热量 核电站中发生的是铀核裂变反应 一个铀核裂变释放的能量约为200兆电子伏 因为235克铀含有6 023 1023个 阿伏加德罗常数 原子核 1克铀含2 56 1021个原子核 所以说 1克铀 235释放的能量可达到5 12X1023兆电子伏 燃烧1千克铀 235放出热量19600000000千卡 燃烧1千克标准煤放出热量7000千卡 燃烧1升重油放出热量9900千卡 燃烧1立方米天然气放出热量9800千卡 巨大核能从何而来 自然界中物质都是由原子组成的 原子是由位于中心位置原子核和围绕原子核旋转电子构成的 原子核又是由质子和中子组成的 质子和中子是由被称为 夸克 的更小粒子组成的 当质子和中子重新组成新原子核时 核力的强大作用使核子间排列得更紧密 会出现质量减少和放出能量的情况 这种释放出的能量 科学家称之为原子核结合能 一个在原子核中 中子不带电 质子带正电 同性要相斥 把质子和中子紧箍在一个非常小的空间 原子核直径约为10 13厘米 存在着一股巨大的力 科学家称它为核力 核力比电磁力要大130倍 原子组成示意图 请爱因斯坦来做解释 1905年 爱因斯坦在他的著名的相对论中列出了质量和能量相互转换的关系 式中 E 释放能量 单位为尔格erg m 亏损质量 单位为g c 光速 单位3 1010cm s 这一公式表明 少量的质量可以转换为十分巨大的能量 揭示了核能来源的物理规律 铀 235 中子 X1 X2 3个中子 200MeV 按这个公式 一个铀 235核受一个中子轰击 分裂成两块碎片X1和X2 如 X1为93Nb X2为140Ce 放出2 3个中子 平均2 5个 释放出约200兆电子伏能量 200MeV 见图1一4 极小的质量转化成极大的能量 二 神奇的核岛 1 不冒烟的锅炉 反应堆是一种特殊锅炉核岛常规岛 发电部分 2 控制指挥捧核裂变反应 反应堆是靠控制棒来实现的 控制棒有很强的吸收中子的能力 这是用镉 硼 铪等材料做成的 反应堆中铀裂变放出的能量是用导热本领大 吸收中子少的物质做冷却剂 把热量传导出来的 这种冷却剂 又称载热剂 或用液体 如水 重水 或用气体 如二氧化碳 氦气 或用液态金属 如液态金属钠 液态钠一钾 液态铅一铋等 3 让中子跑慢点 慢化剂 又称减速剂 如轻水 普通水 重水 石墨 铍等 它们不 吃 中子或者 吃 中子很少 并且可以有效地使中子减速 根据核电站用的减速剂的不同 人们称其为轻水堆 又分为压水堆 沸水堆 和重水堆等 三 多重屏障体系 不让放射性物质泄漏出去 1 精心制作的核燃料元件2 固若金汤的压力容器3 铜墙铁壁的安全壳 1 精心制作的核燃料元件 2 固若金汤的压力容器 3 铜墙铁壁的安全壳 四 原子弹爆炸绝不会在这里发生 1 啤酒点不着火 反应堆里装的是天然铀或低浓铀 铀 235丰度2 5 原子弹里装的是武器级铀 铀 235丰度 90 或者武器级钚 钚 239丰度 93 3 链式反应受人控制 反应堆具有一系列保障措施 可靠地控制着反应性 系统故障时 电脑不仅自动报警 而且会显示排除故障的程序 2 中子按计划生育 五 核电发展有着广阔前景 1 人们需要清洁能源 十九世纪产业革命前 人类能源的消耗增长相当缓慢 产业革命后迅速增加 近百年来 世界能量消耗增长了20倍 二十世纪50年代 全世界能源消耗量约26亿吨标准煤 本世纪初将达到200亿吨标准煤 随着人口的增长和经济的发展 对能源需求将大量增加 2050年增长为2倍 2100年增长为3 5倍 1000万千瓦核电厂与煤电厂燃料消耗的比较 2 海水淡化解决缺水 3 用核能制氢 3 用核能制氢 核能产氢主要有以下三种办法 1 反应堆发电 进行水的电解制氢 2 利用反应堆产生的高温 进行水的热化学分解制氢 3 核能与化石燃料共生法产氢 4 核电发展势不可挡 1492年 意大利航海家哥伦布发现美洲新大陆 1942年 意大利籍美国科学家费米首次实现了受控的自持链式反应 有人称之是 登上了原子能新大陆 六 聚变能取之不尽用之不竭 1 核燃料能多久 铀在地壳中贮存量虽然不算很多 但是地壳中有着丰富的钍 钍藏量为铀 232和铀 238一样 它不是易裂变材料 但它可转换成易裂变核燃料铀 233 地球上铀钍资源的能量 是全部化石燃料总能量的20多倍 而且 海水中还含有很多铀 海水中平均铀含量为3 3微克 升 据估算 海水中含有铀达45亿吨之多 但是 现在世界上还没有一个国家实现工业化海水提铀 1 热中子堆热中子堆利用的只是铀 235 天然铀中将近99 3 是难裂变的铀 238 2 快中子堆的发展会快起来 铀 238可以在快中子堆中通过核反应转换成易裂变的钚 239快中子堆所生成的易裂变材料 钚 239 比消耗的易裂变材料 铀 235 来得多 所以称之为增殖堆 快中产堆裂变可使铀资源的利用率提高60 70倍 此外 减轻地质处置核废料的负担 2 快中子堆 3 实现核聚变发电不会太远 如果说 热中子堆是第一代核电站 快中子堆是第二代核电站的话 聚变堆则是第三代核电站 聚变是两个轻原子核 形成一个较重原子核 例如氘和氚聚合变成氦 这种反应在太阳上已经持续了150亿年 磁约束 托卡马克 Tokamak 托卡马克装置 实现受控核聚变的主要途径 托卡马克装置原理 把载电流的线圈绕在环形真空室的外壁上 磁力线就自然弯曲成闭合的园形 似运动场跑道形状 带电离子沿着磁力线环绕周转不止 由于环形磁场不均匀环内侧的磁场总比内侧的弱 形成磁场梯度 使带电离子横穿磁场逃逸 对于等离子体来说 正负离子向相反方向漂移 形成电荷分离 到一定程度时 正负离子产生与磁场交叉的电场 引起正负离子都