能源科学导论之核能

核能,第一节核能的来源第二节核燃料第三节世界核能利用的现状第四节反应堆第五节核电站第六节可控核聚变,核能(nuclearenergy)是人类历史上的一项伟大发现，这离不开早期西方科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。,约瑟夫约翰汤拇逊(18561940)，著名的英国物理学家。1897年汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在，测定了电子的荷质比，轰动了整个物理学界。,威廉康拉德伦琴（18451923），德国物理学家，1895年他发现了伦琴射线（X射线，俗称X光）。他因发现X光，于1901年获诺贝尔物理学奖，是世界上第一位获这特殊荣耀的人。这种光有非常强的穿透力，为了表明这是一种新的射线，伦琴采用表示未知数的X将其命名为X射线。,1896年初，德国物理学家伦琴发现X射线的消息传到了巴黎，数学家庞加莱（18541912）建议当时参加会议的另一位科学家贝克勒尔（18521908）研究X射线是从哪里发出的。,作为已有三代人研究荧光的贝克勒尔，经反复试验发现，所有含铀的物质无论固体、液体都会发出射线，他称之为“铀射线”。当年5月，他在写给法国科学院的报告中说，这是铀原子自身发出来的一种射线。,居里夫妇对贝克勒尔发表的论文极感兴趣，在丈夫皮埃尔居里（18591934）的建议下，玛利亚居里（18671934）于1897年选择“铀射线”这一课题作为博士论文。,居里夫妇将沥青铀矿作为研究对象。1898年7月，他们从中分离出一种尚不知晓的元素，这种元素发出的射线比相同质量的铀强几百倍。将其命名为钋（Polonium）。6个月之后，他们又在沥青铀矿中发现了另一种射线强度更高的元素镭（Radium）。由于发现许多种不同的元素都可发出射线，居里夫妇提出了“放射性物质”的概念。,1900年，他们在巴黎举行的国际物理学会议上做了题为新的放射性物质和它们发出的射线的报告，叙述了测量放射性物质的方法、新的放射性元素的化学性质，以及它们发出的射线具有何特点。在报告中，他们还谈到了尚不清楚的两个问题：射线的能量从哪里来？射线到底是什么？,居里夫妇提出的问题很快有了答案。早在贝克勒尔发现“铀射线”的第二年，新西兰物理家卢瑟福（18711937）便开始研究这种射线和X射线的区别。结果发现：有两种射线，一种穿透性弱，另一种穿透性比较强；它们都能在磁场中偏转，一种向左转，另一种向右转：穿透性弱的一种带正电，另一种带负电，他分别称之为射线和射线。,1900年，法国物理家P.V.维拉德（18601934）发现了放射性物质发出的穿透力极强而不带电的射线，卢瑟福称之为射线。,随后，卢瑟福发现，原子释放的射线随时间推移越来越弱，呈现出一种有趣的规律：每过一定的时间，强度会衰变为原来的一半。原子在发出射线的时候，放射性物质不断地变成另一种新的元素。,自1909年，卢瑟福开始用放射性物质发射的射线轰击金属箔和铅箔。,1911年，他提出了一种新理论：原子并非人们想象的那样是镶嵌电子的实心球。它有一个小小的内核，核带正电，原子的全部质量差不多都集中在核内电子则在外面围绕旋转。,1919年，卢瑟福发现，粒子轰击氮原子的时候，产生了氧原子，同时释放一个氢离子。他认为氢离子是原子核中最小的带正电的粒子，他称其为质子，而且断言原子核由质子构成的。1921年，他又发现，在粒子轰击下，硼、氟、钠、铝和磷都可以变成另外的元素。,1928年，德国物理学家W.博特（18911957）用粒子轰击铍，产生一种穿透性很强的射线，他的能量比射线大得多，甚至比入射的射线能量还要大，被称为“博特射线”。,1932年，居里夫人的女儿伊雷娜居里（18971956）和约里奥居里（19001958）用“博特射线”轰击石蜡，产生了氢离子。他们感到非常奇怪，没有质量的射线居然打出比电子重1840倍的质子！,英国物理学家查德威克（18911974）重复了这项实验。他发现用“博特射线”照射氢的时候可以打出质子，而且这种射线会反弹回来；他发现所谓“博特射线”并不是真正的射线，而是一种不带电的粒子流，这种粒子的质量与质子差不多，他称其为中子。发现中子，使人们找到了开启核能之门的钥匙！,1934年秋天，意大利物理学家费米（19011954）在无意中发现，在中子源和被轰击的样品之间放上石蜡，中子经过石蜡后，轰击样品发生的核反应大大增加。费米迅速做出解释：石蜡减缓了中子运动的速度，慢中子更容易引起核反应。,1938年，德国物理学家哈恩（18971968）和斯特拉斯曼（19021980）分析了中子轰击铀的产物，发现它不是原子序数92附近的元素，而是原子序数为56的钡元素。,哈恩把这一结果写信告诉因躲避纳粹的奥地利女物理学家迈特纳（18781968），她和同是物理学家的侄子弗里什（19041979）讨论后恍然大悟：在中子的轰击下，铀原子核已经分裂成两个碎片，碎片的质量大约是原来的一半。她称这种现象为原子核裂变“。,后来，中国物理学家钱三强（19131992）、何泽慧（19142011）夫妇，在法国居里实验室发现铀235在慢中子轰击下分裂成三个或四个碎片，称为三分裂或“四分裂”。,在实验中人们注意到，铀原子核分裂时产生的所有碎片，其质量加在一起比铀原子核原来的质量小，有一小部分质量神秘地失踪了。,1905年，爱因斯坦（18791955）在关于“相对论”的第二篇论文中，曾提出一个重要的论断：质量与能量可以相互转换，消失的质量可以转化为物体的动能或电磁波；并且推导出它们之间相互转化的公式，能量等于消失的质量乘以光速的平方。质能方程的发现具有里程碑意义，为核能的应用奠定了理论基础。,1945年8月6日和9日，美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。1954年苏联建成了世界上第一座核电站奥布灵斯克核电站。在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。,1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊爆炸成功。中国第一座核电站泰山核电站1991年建成投入运行。,产生两种利用核能的不同途径：核裂变与核聚变,核裂变又称核分裂，它是将平均能比较小的重核设法分裂成两个或多个平均结合能大的中等质量的原子核，同时释放处能量。,重核裂变一般有自发裂变和感生裂变两种方式。,核裂变链式反应：每个铀核裂变时会产生23个中子，这些中子又会轰击其他铀核，使其裂变并产生更多的中子，这样一代一代下去，就会形成一连串的裂变反应。这种连续不断的核裂变过程就称为链式反应。,控制中子数的多寡就能控制链式反应的强弱。最常用的控制中子数的方法是用善于吸收中子的材料制成控制棒。镉、硼、铬等材料吸收中子能力强，常用来制作控制棒。,核聚变又称热核反应，它是将平均能较小的轻核（如氘和氚）在一定条件下聚合成一个较重的平均能较大的原子核，同时释放出巨大的能量。,太阳的能量来自其中心的热核聚变,氢弹,天然铀常由3钟同位素构成：铀-238，约占铀总量99.3%；铀-235，占铀总量不到0.7%；还有少量的铀-234。铀-235、钚-239、铀238通称作核燃料。,铜铀云母与绿铀矿,生产浓缩铀即进行铀的同位素分离（又称为铀的浓缩）。主要方法有：,1、气体扩散法2、气体离心法3、离子交换法4、蒸馏法5、电解法6、电流法7、液体热扩散法8、电磁分离法9、激光分离法,气体扩散法原理：据分子渗透、扩散原理，利用不同质量的铀同位素转化为气态时运动速率有点差异进行分离。缺点：效率不高、能耗大,气体离心法原理：将高压UF6气体注入高速转动的封闭式离心机里，由于质量存在差异，长时间旋转依靠惯性离心力，较轻的UF6中U235分子大多集中在容器转轴处，较重的UF6U238分子则大多结集在边缘。,激光分离法：根据元素同位素原子或由其组成的分子质量之差引起吸收光谱的微差，用线宽极窄的激光将某种同位素原子或分子有选择地激发到特定的激发态或电离态，再设法将其与未被激发的原子或分子分离的方法。,科学家们经过多年的努力，发现最容易实现核裂变反应的是原子中最轻的核，如氢、氘、氚、锂等。其中最容易实现的热核反应是氘和氚合成氦的反应。因此氘和氚是核聚变最重要的核燃料。,作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034g，地球上有15t海水，故海水中氘的含量即达450t，因此几乎是取之不竭的。,作为另一种核燃料就是另外一种情况。海水里的氘含量极少，所以只能从地球上藏量很丰富的锂矿里分离出来；把氘、锂、硼或氮原子的物质放到具有强大中子流的原子核反应堆中；或者用快速的氘原子核去轰击含有大量氘的化合物，也可以得到氚。,纵观核电发展历史，核电站技术方案大致可以分四代。第一代核电站为原型堆，其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景；第二代核电站为技术成熟的商业堆，目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站；第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站，其安全性和经济性均较第二代有所提高，属于未来发展的主要方向之一；第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求，目前处在原型堆技术研发阶段。,压力堆是核电站应用最多的堆型，在核电站的各类堆型中占约61.3%。,重水堆,改进型气冷堆,BN-800快中子增殖堆,核电站的系统和设备通常由两大部分组成：核的系统和设备，又称核岛；常规的系统和设备，又称常规岛。,一回路中，吸收燃料元件热量的高压水进入U形管，将热量传给二回路的水；二回路中的水进入汽轮机的低压缸做功，推动发电机旋转。,切尔诺贝利事故,核聚变反应的等离子体的温度很高，任何材料制成的器壁都承受不了如此高温，因此必须对等离子体进行约束。目前有两种不同的约束方法：磁约束和惯性约束。,由于高温等离子是由高速运动的荷电粒子（离子、电子）组成，用高强磁场对其进行约束，磁场越强，或者粒子的电荷越大，受到的约束越强。,惯性约束1957年，“氢弹之父”爱德华泰勒在一个关于和平利用核能的研讨会上提出了惯性约束聚变的概念。几乎同一时间弗里德瓦特温特堡提出了一个在会聚冲击波的作用下的高能量非裂变热核微爆方案。1950年代末，纳克尔斯及其合作者在劳伦斯利福摩尔国家实验室（LLNL）运行了一系列关于惯性约束聚变的计算机模拟。1960年，激光发明。1962年LLNL的负责人开始小规模的激光研究以期为约束聚变开辟道路。在1970年代初，美国物理学家基普西格尔（