核燃料循环第一章 (授课)

1 核核 燃燃 料料 循循 环环 第一章第一章 核燃料循环核燃料循环 第二章第二章 核燃料循环前段核燃料循环前段 第三章第三章 燃料在反应堆内的辐照燃料在反应堆内的辐照 第四章第四章 锕系元素及裂变产物元素过程化学锕系元素及裂变产物元素过程化学 第五章第五章 核燃料后处理核燃料后处理 第六章第六章 先进燃料循环先进燃料循环 核核 能能 核核 燃燃 料料核燃料循环核燃料循环核燃料后处理核燃料后处理 2 第一章第一章 核燃料循环核燃料循环 几千年来人类一直在为扩大能源 提高自己驾驱自然界的能力而奋斗 在几千年来人类一直在为扩大能源 提高自己驾驱自然界的能力而奋斗 在 掌握原子能以前 人类利用的几乎一切能源 只涉及分子或原子的重新组合 掌握原子能以前 人类利用的几乎一切能源 只涉及分子或原子的重新组合 不涉及原子核内部结构的变化 人类到不涉及原子核内部结构的变化 人类到 20 世纪初才逐步认识原子核 人为地世纪初才逐步认识原子核 人为地 促使原子核内部结构发生变化 释放出其中蕴藏的巨大能量并加以利用 是促使原子核内部结构发生变化 释放出其中蕴藏的巨大能量并加以利用 是 20 世纪世纪 40 年代才实现的 这就是原子能工业的开端 当核能进入人们的生年代才实现的 这就是原子能工业的开端 当核能进入人们的生 产和生活后 一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生 产和生活后 一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生 就全球范围来说 能源是维持人类生存和发展的必要条件 特别是对于发就全球范围来说 能源是维持人类生存和发展的必要条件 特别是对于发 展中国家 要提高人民的生活水平 除了国内外的和平环境外 教育 卫生 展中国家 要提高人民的生活水平 除了国内外的和平环境外 教育 卫生 农业的发展和工业化的实现 均有赖于足够的能源供应 尤其是电力供应 农业的发展和工业化的实现 均有赖于足够的能源供应 尤其是电力供应 表表 各国人均一次能源消耗各国人均一次能源消耗 2003 年 单位年 单位 人均吨当量油人均吨当量油 石油石油天然气天然气煤煤核电核电水电水电 Total Energy 世界世界0 5770 3700 4090 0950 0941 545 美国美国3 1211 9351 9590 6210 2087 844 日本日本1 9470 5390 8780 4090 1793 952 德国德国1 5170 9331 0560 4520 0694 027 英国英国1 2911 4410 6580 3380 0253 753 法国法国1 5660 6550 2061 6590 2474 333 韩国韩国2 2150 5071 0710 6140 0364 443 中国中国0 2130 0230 6190 0080 0490 912 当前 世界上的主要能源是煤 石油 天然气这些化石燃料 化石燃料不当前 世界上的主要能源是煤 石油 天然气这些化石燃料 化石燃料不 是可再生能源 用掉一点儿就少一点儿 是可再生能源 用掉一点儿就少一点儿 燃烧化石燃料向大气排放大量的燃烧化石燃料向大气排放大量的 温室气体温室气体 二氧化碳 形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物 并排放大量的二氧化碳 形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物 并排放大量的 3 烟尘 这些有害的物质对环境造成了严重的破坏 核能不产生这些有害物质 烟尘 这些有害的物质对环境造成了严重的破坏 核能不产生这些有害物质 1987 年 世界卫生组织总干事布伦特兰领导的世界环境和发展委员会提出了年 世界卫生组织总干事布伦特兰领导的世界环境和发展委员会提出了 可持续发展可持续发展 的概念 为了实现可持续发展 人类迫切地需要新的替代能的概念 为了实现可持续发展 人类迫切地需要新的替代能 源 源 在开发新型能源时 人们往往首先想到除水力资源外的可再生能源 如在开发新型能源时 人们往往首先想到除水力资源外的可再生能源 如 太阳能 风能 地热能 潮汐能等等 但是这些可再生能源的能量过于分散 太阳能 风能 地热能 潮汐能等等 但是这些可再生能源的能量过于分散 间断性 难以收集 因受多种条件限制 只能在一定条件下有限的开发 很间断性 难以收集 因受多种条件限制 只能在一定条件下有限的开发 很 难大量利用 估计每种能源在总能源利用中很难超过难大量利用 估计每种能源在总能源利用中很难超过 1 尽管太阳能是一 尽管太阳能是一 种清洁的 可再生能源 但由于它的能流密度太低 在单位面积上得到的能种清洁的 可再生能源 但由于它的能流密度太低 在单位面积上得到的能 量很小 一座量很小 一座 1000MW 的太阳能电站 为吸取太阳能的地面面积大约是的太阳能电站 为吸取太阳能的地面面积大约是 108m2 要把这样大面积的太阳能收取和集中到发电站来所需的技术措施和经 要把这样大面积的太阳能收取和集中到发电站来所需的技术措施和经 济代价都是难以接受的 所以 在可预见的将来 这些可再生能源很难具有济代价都是难以接受的 所以 在可预见的将来 这些可再生能源很难具有 竞争性 据推测 在今后竞争性 据推测 在今后 20 年里 这些可再生能源占世界的发电份额仍将低年里 这些可再生能源占世界的发电份额仍将低 于于 3 基于这一事实 世界能源委员会还是将注意力转向了核能 因此 基于这一事实 世界能源委员会还是将注意力转向了核能 因此 目前唯一达到工业应用 可以大规模替代化石燃料的能源 就是核能 目前唯一达到工业应用 可以大规模替代化石燃料的能源 就是核能 核能的开发利用是人类最终解决能源需求的希望 利用核能发电是核能核能的开发利用是人类最终解决能源需求的希望 利用核能发电是核能 和平利用的最重要方面 也是解决某些国家和地区当前能源短缺的现实途径 和平利用的最重要方面 也是解决某些国家和地区当前能源短缺的现实途径 从从 1954 年年 6 月前苏联奥布宁斯克核电站月前苏联奥布宁斯克核电站 0 5 万千瓦核电机组并网发电 建立万千瓦核电机组并网发电 建立 了世界上第一座核电站 人类首次实现了核能的和平利用开始 许多国家和了世界上第一座核电站 人类首次实现了核能的和平利用开始 许多国家和 4 地区都相继制定了发展核电的规划 地区都相继制定了发展核电的规划 1970 年世界上有核电国家年世界上有核电国家 14 个 核电个 核电 机组机组 99 个 装机容量个 装机容量 1 5 亿千瓦 从此核电与水电平分秋色 与火电一起成亿千瓦 从此核电与水电平分秋色 与火电一起成 为世界电力供应的三大支柱 截止至为世界电力供应的三大支柱 截止至 2008 年底 全世界年底 全世界 31 个国家共运行个国家共运行 439 座反应堆 总装机容量座反应堆 总装机容量 372GW 约占世界发电总量的 约占世界发电总量的 17 全球核电全球核电 站分布 站分布 核电发展阶段 核电发展阶段 1 实验示范阶段 实验示范阶段 1946 1965 年 年 军事应用的成功军事应用的成功 探索了几乎所有堆型探索了几乎所有堆型 2 高速推广阶段 高速推广阶段 1966 1980 年 年 石油消费石油消费大增 对石油依赖的担忧大增 对石油依赖的担忧 核电技术的发展核电技术的发展 3 滞缓发展阶段 滞缓发展阶段 1980 原油危机 各国经济发展减缓 能源需求下降原油危机 各国经济发展减缓 能源需求下降 对核电经济性的乐观估计对核电经济性的乐观估计 两次核事故两次核事故 我国核电起步较晚 其核电发展计划始于我国核电起步较晚 其核电发展计划始于 1970 年 年 1985 年年 3 月秦山核月秦山核 电站开工建设 电站开工建设 1991 年年 12 月月 15 日首次并网发电 结束了中国大陆无核电的日首次并网发电 结束了中国大陆无核电的 历史 并一举成为世界上第七个具备自主设计 自主建设 自主调试 自主历史 并一举成为世界上第七个具备自主设计 自主建设 自主调试 自主 运行管理核电厂的国家 运行管理核电厂的国家 1994 年广东大亚湾从法国引进的两台年广东大亚湾从法国引进的两台 90 万千瓦核万千瓦核 电机组投入运行 电机组投入运行 九五九五 期间我国核电发展进入了高速发展时期 广东岭澳 期间我国核电发展进入了高速发展时期 广东岭澳 秦山二 三期 田湾等秦山二 三期 田湾等 8 座核电机组相继开工建设 预定到座核电机组相继开工建设 预定到 2005 年前后我国年前后我国 将有将有 11 台核电机组投入运行 装机容量达台核电机组投入运行 装机容量达 870 万千瓦 国家发改委规划到万千瓦 国家发改委规划到 2020 年将建成核电总装机容量年将建成核电总装机容量 4000 万千瓦 从而使我国核电的装机容量万千瓦 从而使我国核电的装机容量 占全国电力总装机容量的比例由占全国电力总装机容量的比例由 2000 年的年的 1 上升到上升到 4 左右 左右 福岛事故的 福岛事故的 5 影响 影响 截止到截止到 2009 年 我国大陆共运行年 我国大陆共运行 11 台核电机组 台核电机组 9 1GWe 已开工建 已开工建 设的核电站装机约设的核电站装机约 11 3GWe 已批准建设的核电站装机约 已批准建设的核电站装机约 23 9Gwe 总装机 总装机 容量容量 44 3GW 核电站核电站 计划容量计划容量 一期开工时间一期开工时间 浙江浙江 三门三门 6 6 1 1 GWeGWe 2004 92004 9 广东岭澳二期广东岭澳二期 2 2 1 1 GWeGWe 2005 122005 12 广东阳江广东阳江 6 6 1 1 GWeGWe 20062006 浙江秦山二期浙江秦山二期 2 2 0 60 6 GWeGWe 20062006 辽宁红沿河辽宁红沿河 6 6 1 1 GWeGWe 2007 82007 8 福建宁德福建宁德 6 6 1 1 GWeGWe 2008 22008 2 山东海阳山东海阳 6 6 1 1 GWeGWe 2008 92008 9 浙江方家山浙江方家山 2 2 1 1 GWeGWe 2008 112008 11 福建福清福建福清 6 6 1 1 GWeGWe 2008 112008 11 江西彭泽江西彭泽 8 8 1 1 GWeGWe 20092009 湖南桃花江湖南桃花江 6 6 1 1 GWeGWe 20102010 湖北大畈湖北大畈 4 4 1 1 GWeGWe 20102010 我国核能发展的方针将坚持我国核能发展的方针将坚持热堆 压水堆 热堆 压水堆 快堆快堆 聚变堆聚变堆的路线 按照的路线 按照 我国核工业目前的技术状况 我国由热堆向快堆的过渡很难超越国际上的发我国核工业目前的技术状况 我国由热堆向快堆的过渡很难超越国际上的发 展进程 如果我国展进程 如果我国 2020 年 年 2030 年的核电装机容量分别达到年的核电装机容量分别达到 40 GWe 60 GWe 的话 则上述装机容量的核电站将全部采用热堆 可以设想的话 则上述装机容量的核电站将全部采用热堆 可以设想在今后在今后 50 年内 热堆电站可能仍将是全世界核电的主体 并在年内 热堆电站可能仍将是全世界核电的主体 并在 2050 年之后继续发挥重年之后继续发挥重 要作用要作用 如果我国快堆技术发展顺利 则 如果我国快堆技术发展顺利 则 2020 年有望建成原型快堆 年有望建成原型快堆 2035 年有可能开始进入核能市场并在年有可能开始进入核能市场并在 2050 年前后得到稳步发展 到年前后得到稳步发展 到本世纪末快堆本世纪末快堆 核能系统有可能成为我国核电主力核能系统有可能成为我国核电主力 而通过 而通过核聚变反应核聚变反应获得巨大能量可谓本获得巨大能量可谓本 世纪人类的最大梦想 世纪人类的最大梦想 人造太阳人造太阳 如果可控热核反应研究取得成功 人类将 如果可控热核反应研究取得成功 人类将 能利用海水中的重氢获得无限丰富的能源 它是未来解决世界能源和环境问能利用海水中的重氢获得无限丰富的能源 它是未来解决世界能源和环境问 6 题最重要的途径之一 对发展中国家和地区具有特别重要的意义 题最重要的途径之一 对发展中国家和地区具有特别重要的意义 40 年来 年来 我国先后建成中国环流器一号 中国环流器新一号 我国先后建成中国环流器一号 中国环流器新一号 二号二号 A 和和 EAST 全超导全超导 非圆截面托卡马克实验装置等意味着在下个世纪中国人造太阳将横空出世 非圆截面托卡马克实验装置等意味着在下个世纪中国人造太阳将横空出世 核能的开发 利用要有核燃料的支撑 核能的持续发展更需要把核燃料不核能的开发 利用要有核燃料的支撑 核能的持续发展更需要把核燃料不 断循环起来 使未燃尽燃料得到充分利用 使新生成的核燃料得以有效利用 断循环起来 使未燃尽燃料得到充分利用 使新生成的核燃料得以有效利用 使其它有价核素得以广泛应用 地球上蕴藏着数量可观的铀 钍等核裂变燃使其它有价核素得以广泛应用 地球上蕴藏着数量可观的铀 钍等核裂变燃 料资源 如果把它们的裂变能充分利用起来 可满足人类上千年能源需求 料资源 如果把它们的裂变能充分利用起来 可满足人类上千年能源需求 1 1 核能的来源和利用核能的来源和利用 核能 一些化学元素的原子核转变为另一些元素的原子核时 所放出的能核能 一些化学元素的原子核转变为另一些元素的原子核时 所放出的能 量称为原子能 量称为原子能 或者更确切一些称之为原子核能 或者更确切一些称之为原子核能 或定义为原子核中的核或定义为原子核中的核 子重新分配时释放出来的能量 子重新分配时释放出来的能量 1 1 1核能的来源核能的来源 原子由带正电的原子由带正电的原子核原子核和环绕它回转的若干和环绕它回转的若干外围电子外围电子所组成 所组成 在正常的在正常的中性原子中性原子中 中 外围电子数外围电子数正好等于该元素在元素周期表中的正好等于该元素在元素周期表中的原子原子 序数序数 Z 它决定了该元素的化学性质和大部分物理性质 它决定了该元素的化学性质和大部分物理性质 原子核 原子核 atomic nucleus 是原子的中心部分 为原子直径的 是原子的中心部分 为原子直径的 10 4 但其 但其 质量却占整个原子质量的质量却占整个原子质量的 99 9 以上 以上 原子核由原子核由 N 个中子个中子 Z 个质子个质子 A 个核子所构成 质子带正电 每个质子所带的电量同一个电子的电量个核子所构成 质子带正电 每个质子所带的电量同一个电子的电量 e 相相 等 符号相反 中子不带电 等 符号相反 中子不带电 质子 质子 proton 是带正电荷的核子 也是最轻化学元素氢原子核 是带正电荷的核子 也是最轻化学元素氢原子核 到目前到目前 带正电的原子核带正电的原子核 A N 个中子 个中子 Z 个质子个质子 带负电的电子带负电的电子 等于该元素的原子序数等于该元素的原子序数 Z 7 为止的实验表明 质子是稳定粒子 为止的实验表明 质子是稳定粒子 中子 中子 neutron 是不带净电荷的核子 也是构成原子核的重要组元 是不带净电荷的核子 也是构成原子核的重要组元 中中 子的质量同质子的质量很相近 分别为电子质量的子的质量同质子的质量很相近 分别为电子质量的 1839 倍和倍和 1836 倍 倍 没有中子参与 两个或两个以上的质子不可能稳定地存在于原子核内部 没有中子参与 两个或两个以上的质子不可能稳定地存在于原子核内部 中子的静止质量为中子的静止质量为 1 0086649u 略大于氢原子的质量 略大于氢原子的质量 1 0078250u 自由中子是不稳定的 它能自发地转变成一个自由中子是不稳定的 它能自发地转变成一个质子质子 一个电子一个电子 称 称 粒粒 子 和子 和一个电子反中微子一个电子反中微子 并释放出 并释放出 0 782MeV 的能量 其半衰期为的能量 其半衰期为 614 6 1 3s 质子和中子统称为核子质子和中子统称为核子 原子核中的原子核中的质子数质子数必然等于必然等于原子序数原子序数 因为在中 因为在中 性原子中 原子核所带的正电荷性原子中 原子核所带的正电荷 Z e 应与全部外围电子所带的负电荷应与全部外围电子所带的负电荷 Z e 相互抵消 相互抵消 由于原子的质量几乎全部集中于原子核中 核子数又称为由于原子的质量几乎全部集中于原子核中 核子数又称为质量数质量数 它是同 它是同 该原该原子的子的原子量原子量最相近的最相近的整数整数 具有相同的质子数具有相同的质子数 Z 和不同的中子数和不同的中子数 N 的原子 叫做的原子 叫做同位素同位素 同一元素的几种同位素 用化学方法无法区分 但可利用质谱仪可测出它同一元素的几种同位素 用化学方法无法区分 但可利用质谱仪可测出它 们的不同质量 们的不同质量 我们用我们用 这样的符号来表示原子序数这样的符号来表示原子序数 Z 和质量数和质量数 A 的某种同位素 的某种同位素 X 是是 元素的化学符号 由于每一种元素的原子序数是一定的 下标元素的化学符号 由于每一种元素的原子序数是一定的 下标 Z 常可略常可略 去 去 具有一定的原子序数具有一定的原子序数 Z 和质量数和质量数 A 的某种原子 又称为的某种原子 又称为核素核素 最轻的氢原子核最轻的氢原子核 仅有一个质子 仅有一个质子 氕 氕 氕是氢的同位素之一 是氢的主要成份 普通氢中含有 氕是氢的同位素之一 是氢的主要成份 普通氢中含有 99 98 的氕 的氕 它的同位素重氢它的同位素重氢 又叫氘又叫氘 的原子核的原子核 或或 D 由一个质子和一个中子构成 由一个质子和一个中子构成 X A Z H 1 1 H 2 1 8 同位素超重氢同位素超重氢 又叫氚又叫氚 的原子核的原子核 或或 T 含有一个质子和两个中子 含有一个质子和两个中子 氚核氚核 是不稳定的 就是说 它是一种放射性同位素 氚原子核不断地放射出电是不稳定的 就是说 它是一种放射性同位素 氚原子核不断地放射出电 子 同时以子 同时以 12 3 年的半衰期衰变为另一种原子核年的半衰期衰变为另一种原子核 氦核氦核 一般地说 仅当一般地说 仅当中子与质子的数目之比值中子与质子的数目之比值 N Z 在一定范围内时 原子核在一定范围内时 原子核 才稳定 才稳定 这比值对于这比值对于轻原子核轻原子核接近于接近于 1 但它随着原子序数的增加而逐渐加大 对 但它随着原子序数的增加而逐渐加大 对 于于最重的稳定核最重的稳定核达到大约达到大约 1 5 凡质子或中子过多的原子核 皆不稳定 即带有放射性 在已知的大约凡质子或中子过多的原子核 皆不稳定 即带有放射性 在已知的大约 2700 种核素中 有种核素中 有 300 多种是稳定的 其余都是放射性的 多种是稳定的 其余都是放射性的 原子序数原子序数 Z 83 的天然存在的元素 由于核内质子数太多 静电斥力太的天然存在的元素 由于核内质子数太多 静电斥力太 大 没有稳定同位素 都具有放射性 大 没有稳定同位素 都具有放射性 Po 钋 钋 Z 84 铀的常见同位素铀的常见同位素 和和 也都是不稳定的 也都是不稳定的 它们都不断地衰变 只不过衰变率很低 半衰期分别为它们都不断地衰变 只不过衰变率很低 半衰期分别为 7 亿年和亿年和 45 亿年 亿年 同地球的年龄约同地球的年龄约 46 亿年相比 不算很短 所以地球上尚见其存在 亿年相比 不算很短 所以地球上尚见其存在 比铀更重的元素比铀更重的元素 超铀元素超铀元素 一般地说 没有这样长寿命的同位素 因此 一般地说 没有这样长寿命的同位素 因此 在地球上没有天然的存在 在地球上没有天然的存在 但例外情况有但例外情况有 它的半衰期为 它的半衰期为 0 83 亿年 在地球上尚有微量存在 亿年 在地球上尚有微量存在 据说远在据说远在 18 亿年前 至少有亿年前 至少有 6 座天然反应堆断断续续地运行了几十万年 座天然反应堆断断续续地运行了几十万年 化学反应中释放的能量 主要起源于将原子保持在分子中的力 而这种力化学反应中释放的能量 主要起源于将原子保持在分子中的力 而这种力 仅同原子的外围电子结构相关 仅同原子的外围电子结构相关 当两个以上原子组成分子时 各原子的电子云会发生变形 把合拢在一块当两个以上原子组成分子时 各原子的电子云会发生变形 把合拢在一块 的所有原子核笼罩在内 的所有原子核笼罩在内 H 3 1 U 235 92 U 238 92 Pu 244 94 9 由于化合物的分子的能量总是低于它所包含的各原子的能量之和 所以这由于化合物的分子的能量总是低于它所包含的各原子的能量之和 所以这 外围电子重新组合的过程会放出能量来 这就是外围电子重新组合的过程会放出能量来 这就是化学结合能化学结合能 但这种靠化学反应中原子间的电子交换来获得的化学能的能量是很小的 但这种靠化学反应中原子间的电子交换来获得的化学能的能量是很小的 例如煤或石油燃烧时 每个碳或氢原子与氧结合成二氧化碳或水的过程 例如煤或石油燃烧时 每个碳或氢原子与氧结合成二氧化碳或水的过程 只能释放出来只能释放出来几个或十几个几个或十几个 eV 能量能量 与此类似 与此类似 原子能起源于将核子保持在原子核中的很强的作用力 叫做核原子能起源于将核子保持在原子核中的很强的作用力 叫做核 力 它能克服质子之间的静电斥力 把各核子凝聚在一起 力 它能克服质子之间的静电斥力 把各核子凝聚在一起 当质子和中子组织成原子核时 像在化学反应中一样 也会放出能量 这当质子和中子组织成原子核时 像在化学反应中一样 也会放出能量 这 就是就是核结合能核结合能 这种核结合能比化学结合能要大得多 例如每一个铀原子核裂变时 就能这种核结合能比化学结合能要大得多 例如每一个铀原子核裂变时 就能 释放出释放出 200MeV 能量 能量 原子核的能量总是低于它所有质子和中子的能量之和 按照爱因斯坦原子核的能量总是低于它所有质子和中子的能量之和 按照爱因斯坦 Einstein 的能量的能量 E 与质量与质量 m 相互联系的规律 相互联系的规律 E mc2 式中式中 E 以以 J 计 计 m 以以 kg 计 计 c 3 108 m s 是真空中的光速 是真空中的光速 这一公式表明少量的质量能转换为十分巨大的能量 这一公式表明少量的质量能转换为十分巨大的能量 它揭示了核能来源的它揭示了核能来源的 物理基础 物理基础 由于原子核的质量总是小于它所有质子和中子的质量之和 我们可从这质由于原子核的质量总是小于它所有质子和中子的质量之和 我们可从这质 量亏损算出核结合能 量亏损算出核结合能 核力比原子核同外围电子的相互作用力要强大得多 核反应中释放的能量 核力比原子核同外围电子的相互作用力要强大得多 核反应中释放的能量 就参与反应的同等质量的物质而言 要比化学反应中释放的化学能大几百就参与反应的同等质量的物质而言 要比化学反应中释放的化学能大几百 万倍 万倍 例如例如 1kg 煤燃烧释放的能量约为煤燃烧释放的能量约为 8 kW h 而 而 1kg 235U 裂变消耗 裂变消耗 释放的能量达到释放的能量达到 19 500 000 kW h 等量的核聚变燃料 氘和氚 释放出 等量的核聚变燃料 氘和氚 释放出 10 来的来的聚变能聚变能 比裂变能又要大 比裂变能又要大 4 5 倍 倍 各种原子核结合的紧密程度是不一样的 我们之所以可能利用核能 就是各种原子核结合的紧密程度是不一样的 我们之所以可能利用核能 就是 因为一些原子核结合得比其它原子核更紧密些 因为一些原子核结合得比其它原子核更紧密些 原子核结合的紧密程度 用结合能除以核子数原子核结合的紧密程度 用结合能除以核子数 A 得出的核子平均结合能得出的核子平均结合能 来表示 中等质量的原子核结合得最紧 平均结合能最大 较重的和较轻来表示 中等质量的原子核结合得最紧 平均结合能最大 较重的和较轻 的原子核的平均结合能都略为减小 的原子核的平均结合能都略为减小 如果一个重核 例如质量数为如果一个重核 例如质量数为 235 的铀原子核分裂两部分 那么生成的两的铀原子核分裂两部分 那么生成的两 个较轻核的结合能之和就会大于原来铀核的结合能 将前后平均结合能之个较轻核的结合能之和就会大于原来铀核的结合能 将前后平均结合能之 差乘以两个较轻核的核子总数 即得出裂变过程释放的能量 差乘以两个较轻核的核子总数 即得出裂变过程释放的能量 另一方面 两个轻核合成一个较重核的聚合过程 由于核子在这个较重核另一方面 两个轻核合成一个较重核的聚合过程 由于核子在这个较重核 中 结合得更紧了 也会释放出能量来 例如 氘核 氚核和中 结合得更紧了 也会释放出能量来 例如 氘核 氚核和 4He 核的平 核的平 均结合能分别为均结合能分别为 1 1 2 8 和和 7 1 MeV 由氘核与氚核聚合成氦 由氘核与氚核聚合成氦 4 核的聚变核的聚变 过程 将释放出过程 将释放出 4 7 1 2 1 1 3 2 8 17 6 MeV 的能量 的能量 因此 核能分为两类 一类称因此 核能分为两类 一类称裂变能裂变能 它是指重元素 如铀或钚等 的原它是指重元素 如铀或钚等 的原 子核分裂时释放出来的能量 另一类叫子核分裂时释放出来的能量 另一类叫聚变能聚变能 它是指轻元素 如氘和氚 它是指轻元素 如氘和氚 的原子核发生聚变反应时释放出来的能量 的原子核发生聚变反应时释放出来的能量 重核的裂变一般地要靠中子来激发 就是说 当吸收一个中子所获得的结重核的裂变一般地要靠中子来激发 就是说 当吸收一个中子所获得的结 合能连同该中子的动能足以打破原来的核内平衡时 重核才会分裂 合能连同该中子的动能足以打破原来的核内平衡时 重核才会分裂 在这里 各种核素的情况有所不同 对在这里 各种核素的情况有所不同 对质子数质子数 Z 为偶数 中子数为偶数 中子数 N 为奇为奇 数数的铀的铀 235 核吸收动能不大的慢中子便很容易分裂 而对于核吸收动能不大的慢中子便很容易分裂 而对于 Z 和和 N 均为均为 偶数偶数的铀的铀 238 核 仅当中子的能量大于一定的阈值时 才能引起核裂变 核 仅当中子的能量大于一定的阈值时 才能引起核裂变 这是因为铀这是因为铀 238 核裂变所需能量超过了一个中子的结合能 须靠中子动能核裂变所需能量超过了一个中子的结合能 须靠中子动能 来补足 来补足 11 核裂变能是通过核裂变反应获得的 目前 世界上已经成功地利用核裂变核裂变能是通过核裂变反应获得的 目前 世界上已经成功地利用核裂变 能建造核电站 并已达到工业规模的应用 核电已经达到技术成熟 经济能建造核电站 并已达到工业规模的应用 核电已经达到技术成熟 经济 实惠 安全可靠的商用阶段 受到世界各国的普遍重视 实惠 安全可靠的商用阶段 受到世界各国的普遍重视 核聚变能是通过氘核聚变能是通过氘 氚等轻核的聚变反应获得的 核聚变反应必须在几千氚等轻核的聚变反应获得的 核聚变反应必须在几千 万度以上的高温和一定的等离子体密度条件下方能实现 目前 各国科学万度以上的高温和一定的等离子体密度条件下方能实现 目前 各国科学 家正在努力向最终目标前进 并取得了可喜的成果 家正在努力向最终目标前进 并取得了可喜的成果 核能的开发利用是人类最终解决能源需求的希望 地球上蕴藏着数量可观核能的开发利用是人类最终解决能源需求的希望 地球上蕴藏着数量可观 的铀 钍等核裂变燃料资源 如果把它们的裂变能充分利用起来 可满足的铀 钍等核裂变燃料资源 如果把它们的裂变能充分利用起来 可满足 人类上千年能源需求 人类上千年能源需求 海水中含有海水中含有 3 5 1013t 氘 如果将聚变能充分利用起来 可满足人类上百氘 如果将聚变能充分利用起来 可满足人类上百 亿年的能源需求 亿年的能源需求 核能是军 民两用的能源 它既可用于军事目的 也可用于和平目的 核核能是军 民两用的能源 它既可用于军事目的 也可用于和平目的 核 能的利用大致包括以下三个方面 能的利用大致包括以下三个方面 1 1 2 核能的利用核能的利用 1 1 2 1 核动力核动力 1 发电 发电 电力是现代生活的物质基础 是衡量生活水平和工业化程度的重要标志 电力是现代生活的物质基础 是衡量生活水平和工业化程度的重要标志 在原子能对经济发展的贡献中 以利用反应堆的热能来发电 即核能的和平在原子能对经济发展的贡献中 以利用反应堆的热能来发电 即核能的和平 利用最为重要 同时也是解决某些国家当前能源短缺的现实途径 利用最为重要 同时也是解决某些国家当前能源短缺的现实途径 核电厂比常规火电厂的主要优点是 核电厂比常规火电厂的主要优点是 能量高度集中 燃料费用低廉 使核电具有经济竞争力 能量高度集中 燃料费用低廉 使核电具有经济竞争力 1kg235U 或或 239Pu 提供的热量在理论上相当于约提供的热量在理论上相当于约 2300t 无烟煤 在现阶段的实际应用中 无烟煤 在现阶段的实际应用中 12 1kg 天然铀可代替天然铀可代替 20 40t 煤 因而大大节省燃料的费用 在每煤 因而大大节省燃料的费用 在每 kW h 的发电成本中 核电的燃料费仅占的发电成本中 核电的燃料费仅占 1 4 不到 煤电的燃料费占不到 煤电的燃料费占 40 60 气电的燃料费占 气电的燃料费占 60 75 因此核电的经济性不像火电 因此核电的经济性不像火电 那样易受燃料价格 波动 的影响 那样易受燃料价格 波动 的影响 因数量小而不受燃料运输或贮存的限制 因数量小而不受燃料运输或贮存的限制 在一些幅员广袤而煤炭分布不均在一些幅员广袤而煤炭分布不均 匀的国家中远离煤田的地区 燃煤电厂的发展已受到铁路运输容量的严重匀的国家中远离煤田的地区 燃煤电厂的发展已受到铁路运输容量的严重 限制 而核电厂无此问题 对于一些靠外部供应化石燃料的国家 核燃料限制 而核电厂无此问题 对于一些靠外部供应化石燃料的国家 核燃料 的易于贮存大大有助于避免和缓解燃料供应危机 的易于贮存大大有助于避免和缓解燃料供应危机 污染环境较轻 污染环境较轻 核电厂日常运行的放射性废气与废液的排放量很小 且处核电厂日常运行的放射性废气与废液的排放量很小 且处 于严密的监督和控制之下 周围居民由此受到的辐射剂量小于来自天然本于严密的监督和控制之下 周围居民由此受到的辐射剂量小于来自天然本 底的底的 1 而大量释放出放射性物质的严重事故 则发生的几率极低 核 而大量释放出放射性物质的严重事故 则发生的几率极低 核 电厂不向外排放电厂不向外排放 CO SO2 NOx等有害气体和固体尘粒 也不排放等有害气体和固体尘粒 也不排放 CO2 等温室气体 而等温室气体 而 CO2涉及全球气候变暖问题 已成为当今国际关注的重涉及全球气候变暖问题 已成为当今国际关注的重 点 点 替换出的有机燃料 可更加合理地利用 替换出的有机燃料 可更加合理地利用 煤 石油和天然气是塑料 制药 煤 石油和天然气是塑料 制药 染料 合成氨 合成纤维 合成橡胶等有机化学工业的宝贵原料 在自然染料 合成氨 合成纤维 合成橡胶等有机化学工业的宝贵原料 在自然 界中的储量有限 目前还没有旁的东西能够代替它们 界中的储量有限 目前还没有旁的东西能够代替它们 在当今的世界能源结构中 各种能源所占份额分别为石油在当今的世界能源结构中 各种能源所占份额分别为石油 39 煤 煤 24 天然气 天然气 22 水力 水力 6 9 核能 核能 6 3 以及其他少量可再生能源 我以及其他少量可再生能源 我 国以燃煤为主 国以燃煤为主 1998 年我国煤电所占份额高达年我国煤电所占份额高达 73 且不说大量化石燃料 且不说大量化石燃料 的使用所造成的严重环境污染和温室效应 而对化石能源供应的持久时间的使用所造成的严重环境污染和温室效应 而对化石能源供应的持久时间 已屈指可数了 根据地球上已探明石油 天然气 和煤的储量 按目前的已屈指可数了 根据地球上已探明石油 天然气 和煤的储量 按目前的 利用水平计 可分别持续利用水平计 可分别持续 42 年 年 62 年和年和 224 年 也就是说 在地壳中沉睡年 也就是说 在地壳中沉睡 13 了若干亿年的化石燃料 被人类燃烧了几百年就消耗殆尽 由于化石燃料了若干亿年的化石燃料 被人类燃烧了几百年就消耗殆尽 由于化石燃料 的可利用时间不会持续很久 以化石燃料为主的世界能源结构将在今后的的可利用时间不会持续很久 以化石燃料为主的世界能源结构将在今后的 几十年里有所变化 为了满足人类不断增长的能源需求 必须开发可持续几十年里有所变化 为了满足人类不断增长的能源需求 必须开发可持续 利用的能源 利用的能源 在开发新型能源时 人们往往首先想到除水力资源外的可再生能源 如在开发新型能源时 人们往往首先想到除水力资源外的可再生能源 如 太阳能 风能 地热能 生物质能等等 但是这些可再生能源的能量过于太阳能 风能 地热能 生物质能等等 但是这些可再生能源的能量过于 分散 难以收集 且太阳能 风能都是间断性的 所以 在可预见的将来 分散 难以收集 且太阳能 风能都是间断性的 所以 在可预见的将来 这些可再生能源很难具有竞争性 据推测 在今后这些可再生能源很难具有竞争性 据推测 在今后 20 年里 这些可再生能年里 这些可再生能 源占世界的发电份额仍将低于源占世界的发电份额仍将低于 3 基于这一事实 世界能源委员会还是将 基于这一事实 世界能源委员会还是将 注意力转向了核能 注意力转向了核能 利用核能发电是核能和平利用的最重要方面 也是解决某些国家和地区利用核能发电是核能和平利用的最重要方面 也是解决某些国家和地区 当前能源短缺的现实途径 核电与水电平分秋色 与火电一起成为世界电力当前能源短缺的现实途径 核电与水电平分秋色 与火电一起成为世界电力 供应的三大支柱 供应的三大支柱 此外 用核裂变热能通过热电转换方式 为运行于外层空间的空间飞行此外 用核裂变热能通过热电转换方式 为运行于外层空间的空间飞行 器 太空基地 如月球基地 火星基地等 提供电力和向地面输送电力的核器 太空基地 如月球基地 火星基地等 提供电力和向地面输送电力的核 电站称为空间核电站 为空间飞行器提供电力的核电站也称为空间核电源系电站称为空间核电站 为空间飞行器提供电力的核电站也称为空间核电源系 统 空间核电源一般具有功率大 从数百瓦到兆瓦级 统 空间核电源一般具有功率大 从数百瓦到兆瓦级 体积小 重量轻 体积小 重量轻 寿命长 可靠性高 抗电磁波干扰和耐辐射能力强 不受航天器所处轨道位寿命长 可靠性高 抗电磁波干扰和耐辐射能力强 不受航天器所处轨道位 置及方向的影响等独特的优势 空间反应堆可采用以高富集铀为燃料 氢化置及方向的影响等独特的优势 空间反应堆可采用以高富集铀为燃料 氢化 锆为慢化剂 铍为反射层的热中子或超热中子堆 也可采用快中子堆 用液锆为慢化剂 铍为反射层的热中子或超热中子堆 也可采用快中子堆 用液 态金属锂或钠钾合金作为冷却剂 通过热电能量转换器把裂变热能转换成电态金属锂或钠钾合金作为冷却剂 通过热电能量转换器把裂变热能转换成电 能 热电能量转换方式有静态的热电偶转换器和热电子转换器 及动态的蒸能 热电能量转换方式有静态的热电偶转换器和热电子转换器 及动态的蒸 汽或气体透平发电机等 静态转换器的技术比较成熟 但热电偶转换器的能汽或气体透平发电机等 静态转换器的技术比较成熟 但热电偶转换器的能 14 量转换效率较低 不到量转换效率较低 不到 5 而热电子转换效率可达 而热电子转换效率可达 10 左右 是目前最有左右 是目前最有 吸引力的热电转换方式 吸引力的热电转换方式 2 推进动力 推进动力 将反应堆的热能转变为机械能 可用作为运输工具的推进动力 将反应堆的热能转变为机械能 可用作为运输工具的推进动力 目前核潜目前核潜 艇在使用核动力推进方面已取得了很大的成功 其他应用核动力推进的实例艇在使用核动力推进方面已取得了很大的成功 其他应用核动力推进的实例 还有核动力航空母舰 核动力破冰船等 还有核动力航空母舰 核动力破冰船等 作为空间核推进装置是利用核能作为航天器推进初级能源的核动力装置 作为空间核推进装置是利用核能作为航天器推进初级能源的核动力装置 航天器的核能推进方式可分为核电推进 电火箭 和核热推进 核火箭 两航天器的核能推进方式可分为核电推进 电火箭 和核热推进 核火箭 两 种 种 核电推进装置核电推进装置是将从核能转换的电能提供给电火箭 使推进剂 例如汞或是将从核能转换的电能提供给电火箭 使推进剂 例如汞或 氙 电离 加速 成为等离子态的推进剂以高速排出喷管 产生推力 电氙 电离 加速 成为等离子态的推进剂以高速排出喷管 产生推力 电 火箭具有高比冲 小推力 长寿命 高精度 高可靠性的特点 适用于各火箭具有高比冲 小推力 长寿命 高精度 高可靠性的特点 适用于各 种航天器的位置保持 姿态控制 轨道修正 辅助推进 以及星际航行 种航天器的位置保持 姿态控制 轨道修正 辅助推进 以及星际航行 星际探索 轨道转移 主推进 等用途 利用电火箭将航天器从低的地球星际探索 轨道转移 主推进 等用途 利用电火箭将航天器从低的地球 轨道转移到高地球轨道 比用运载火箭直接发射 可把有效载荷的质量提轨道转移到高地球轨道 比用运载火箭直接发射 可把有效载荷的质量提 高几倍到几十倍 用于侦察卫星或空间武器的变轨 在军事上更具有重要高几倍到几十倍 用于侦察卫星或空间武器的变轨 在军事上更具有重要 意义 根据分析 要实现卫星变轨 需要几十千瓦以上大功率的空间电源 意义 根据分析 要实现卫星变轨 需要几十千瓦以上大功率的空间电源 核电推进装置的开发难度大 要求同时进行空间核反应堆和电火箭的研究 核电推进装置的开发难度大 要求同时进行空间核反应堆和电火箭的研究 设计和试验 可用的核反应堆有热离子反应堆和脉冲堆 设计和试验 可用的核反应堆有热离子反应堆和脉冲堆 核热推进装置核热推进装置即核火箭发动机 是用核反应堆取代液体燃料火箭发动机燃即核火箭发动机 是用核反应堆取代液体燃料火箭发动机燃 烧室 用核能取代化学能 将推进剂 氢 氦或氮 加热至极高温度 经烧室 用核能取代化学能 将推进剂 氢 氦或氮 加热至极高温度 经 排气喷管高速排出 产生很大的推动力 能把几十吨重的载荷送入地球轨排气喷管高速排出 产生很大的推动力 能把几十吨重的载荷送入地球轨 道 核火箭发动机的比冲量很高 能大大减少推进剂用量 核火箭适用于道 核火箭发动机的比冲量很高 能大大减少推进剂用量 核火箭适用于 15 星际航行 如载人火星探索等 但其实现尚需较长时间 美 俄两国正在星际航行 如载人火星探索等 但其实现尚需较长时间 美 俄两国正在 合作研制这类推进装置 合作研制这类推进装置 3 供热 供热 利用核反应堆产生的能量直接供热 应当有十分广阔的市场 目前远未充利用核反应堆产生的能量直接供热 应当有十分广阔的市场 目前远未充 分开发 分开发 核能的低温供热 核能的低温供热 500 的可能用户有石油开采和炼制 煤的气化和液化 化工 的可能用户有石油开采和炼制 煤的气化和液化 化工 冶金 制氢等 冶金 制氢等 核能供热的优点类似于核能发电 即燃料运输量小 在一定条件下供热成核能供热的优点类似于核能发电 即燃料运输量小 在一定条件下供热成 本相对地低 对环境污染小 本相对地低 对环境污染小 利用核反应堆直接给工业提供热能已经实现 利用核反应堆直接给工业提供热能已经实现 但是 反应堆供热的温度受到冷却剂温度的限制 因而核能的这种应用方式但是 反应堆供热的温度受到冷却剂温度的限制 因而核能的这种应用方式 主要用于低温供热的场合 海水淡化在一些缺水地区也已经实现 并很有推主要用于低温供热的场合 海水淡化在一些缺水地区也已经实现 并很有推 广应用的前景 广应用的前景 1 1 2 2 核武器核武器 核武器亦原子武器 又称为核弹 核武器亦原子武器 又称为核弹 核武器是利用某些重元素 如铀和钚 的原子核裂变或轻元素 氘和氚 核武器是利用某些重元素 如铀和钚 的原子核裂变或轻元素 氘和氚 的原子核聚变反应 在极短时间内释放出巨大能量形成爆炸的一种大规模杀的原子核聚变反应 在极短时间内释放出巨大能量形成爆炸的一种大规模杀 伤 破坏性武器 伤 破坏性武器 核反应释放的能量一般比化学反应大几百万倍 因此核武核反应释放的能量一般比化学反应大几百万倍 因此核武 器的威力要比常规炸弹大的多 现今的核弹 其威力可从几十吨器的威力要比常规炸弹大的多 现今的核弹 其威力可从几十吨 TNT 当量直当量直 至几千万吨至几千万吨 TNT 当量 当量 核武器爆炸的杀伤因素除了冲击波和光辐射 比常炸核武器爆炸的杀伤因素除了冲击波和光辐射 比常炸 药的冲击波和光辐射强得多 以外 还有由于核反应形成的 常规爆炸所没药的冲击波和光辐射强得多 以外 还有由于核反应形成的 常规爆炸所没 有的杀伤破坏因素 贯穿辐射 放射性污染和电磁脉冲等 有的杀伤破坏因素 贯穿辐射 放射性污染和电磁脉冲等 核武器爆炸的杀核武器爆炸的杀 伤破坏效应取决于爆炸方法 威力大小 及核武器的特性 伤破坏效应取决于爆炸方法 威力大小 及核武器的特性 目前的核武器从设计的原理上主要可分为目前的核武器从设计的原理上主要可分为原子弹原子弹和和氢弹氢弹两类 从作战使用两类 从作战使用 16 上可分为上可分为战略核武器战略核武器和和战术核武器战术核武器 其中战术核武器也有称战役战术核武器 其中战术核武器也有称战役战术核武器 和战区核武器 一般的核武器系统包括核弹 火箭的核战斗部件 核鱼雷 和战区核武器 一般的核武器系统包括核弹 火箭的核战斗部件 核鱼雷 深水核炸弹 核炮弹和核航弹等 深水核炸弹 核炮弹和核航弹等 投射工具 导弹 轰炸机 大炮 和操纵 投射工具 导弹 轰炸机 大炮 和操纵 设备 设备 一般认为 具有一定核工业科学技术基础以及经济实力的国家都有可能掌一般认为 具有一定核工业科学技术基础以及经济实力的国家都有可能掌 握原子弹或氢弹技术 特别是谁拥有核燃料后处理技术 谁就有可能掌握原握原子弹或氢弹技术 特别是谁拥有核燃料后处理技术 谁就有可能掌握原 子弹或氢弹 目前世界上拥有核武器的国家有美国 俄罗斯 英国 法国 子弹或氢弹 目前世界上拥有核武器的国家有美国 俄罗斯 英国 法国 中国和印度 还有一些国家在为拥有核武器而努力 当今 核武器最多的国中国和印度 还有一些国家在为拥有核武器而努力 当今 核武器最多的国 家是美国 俄罗斯 它们的核武器不仅数量大 而且花样多 各军兵种都相家是美国 俄罗斯 它们的核武器不仅数量大 而且花样多 各军兵种都相 应地装备了不同类型的核武器 如导弹 航弹 巡航导弹 大炮 鱼雷 地应地装备了不同类型的核武器 如导弹 航弹 巡航导弹 大炮 鱼雷 地 雷 水雷等 雷 水雷等 核武器试验亦称核试验 核武器试验亦称核试验 为了研究和考验核武器设计的新原理 提高核武为了研究和考验核武器设计的新原理 提高核武 器性能 判定核武器质量 了解核武器杀伤效应 保证核武器可靠与安全等器性能 判定核武器质量 了解核武器杀伤效应 保证核武器可靠与安全等 都要进行核武器试验 都要进行核武器试验 1 1 2 3 辐射能源辐射能源 放射性核素辐射能量的应用也是核能利用的重要方面 放射性核素辐射能量的应用