原子能 讲座ppt课件

.,第七讲原子能,.,一.概述,能源是指能够提供能量的自然资源.,能量可简单的理解为做功的本领.任何物质都有具有能量,即使物质处在静止状态也具有静止能量.但一般只有当物质的静止能量转化为动能释放出来才能做功.人们能利用的机械能是机械运动的动能,热能是大量分子热运动的动能,电能也与带电粒子的运动密切相关.,人们对能源的利用经过四次重大突破:火的发现蒸汽机的发明电能的应用原子能的开发,能源技术的每次突破均导致了生产力的飞跃和人类社会的巨大进步.,.,1.能源的分类,(1)一次能源和二次能源,(2)再生能源和非再生能源,一次能源：直接来自自然界未经加工和转换的能源，如原煤、石油、天然气、生物燃料、油页岩、水能、核能、太阳能、海洋能等,二次能源：由一次能源直接或间接转换而来的能源产品。如煤气、汽油、焦炭、电能、蒸汽、沼气、氢气、激光等,再生能源：具有天然的自我恢复能力，不会随本身的转化或人类的利用而日益减少的能源，如水能、风能、太阳能、地热能等,非再生能源：不能再生的能源。如原煤、石油、天然气、核燃料等,.,(3)常规能源和新能源,常规能源：技术上比较成熟、使用比较普遍能能源。如煤炭、石油、天然气、水能等。,新能源：新近才利用的、或正在开发研究的能源。如核能、太阳能、氢能、地热能、海洋能、风能等。,2.能源形式和开发新能源的迫切性,世界能源消耗增长较快,20世纪60年代以前，主要是煤、其次是石油和天然气,20世纪70年代以后，石油和天然气占世界能源消耗量的70%。(中东石油),能源结构,.,中国的能源形势：,特点：1.总量不少，人均不多(至多算中等)，2.地域分布不均。(煤在华北，西北；水力70%在西南，石油在华北、东北和西北，经济发达地区集中在东南沿海),.,4.能源结构矛盾突出，随着汽车工业的发展，对液体燃料需求加大，石油后备储量不足。,特点：1.总量不少，人均不多(至多算中等)，,2.地域分布不均。(煤在华北，西北；水力70%在西南，石油在华北、东北和西北，经济发达地区集中在东南沿海),3.经济发展对能源的需求越来越大。如1987年10.8亿t标准煤，预计2050年50亿t标准煤。资源和生产能力只能满足80%。,5.以煤为主的能源消费结构带来的环境污染严重。,.,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。燃烧化石燃料向大气排放大量的“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“可持续发展”的概念，就是“既满足当代人的需求，又不危及后代人满足其需求的发展”。为了实现可持续发展，人类迫切地需要新的替代能源。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。,.,核能分为核裂变能和核聚变能两种。核裂变能是通过一些重原子核发生“链式裂变反应”释放出的能量，核聚变能是由两个轻原子核结合在一起释放出的能量。迄今达到工业应用规模的核能只有核裂变能。核聚变又叫“热核反应”。氢的同位素氘（H，重氢）是主要的核聚变材料。氘以重水的形式存在于海水中。氘的含量占氢的0.015。1升海水中的氘通过核聚变释放出的能量相当于300升汽油燃烧释放出的能量。全世界海水中所含的氘通过核聚变释放的聚变能，可供人类在很高的消费水平下使用50亿年。2002年12月2日，我国新一代受控核聚变研究装置核工业西南物理研究院的中国环流器二号A装置建成并举行开机仪式，为我国进一步参与核聚变研究的国际合作创造了条件。,.,3.原子能基础（核裂变能）,运动时的能量,总能量,.,任何宏观静止的物体具有能量,相对论质量是能量的量度,.,质量守恒,.,例:太阳由于热核反应而辐射能量以及质量亏损（太阳的辐射强度为1.74103W/m2,太阳到地球的平均距离为1.51011m，太阳的总质量约为21030kg),每年的质量亏损：,微不足道！,.,例：求静止质量为kg的汽油所具有的静止能量。,解：,例：轻元素的原子核发生聚变时会释放出巨大的能量。试计算氢弹爆炸中核聚变放出的能量。,解：,其中,.,kg这种核燃料所释放出来的能量：,.,1919年，英国卢瑟福用粒子轰击氮原子核，使其嬗变成氧原子。1932年，查得威克发现中子1934年，法国约里奥居里夫妇用粒子轰击铝，产生了一个磷的同位素，但很快放出正电子蜕变为硅。卢瑟福（1933）和爱因斯坦（1935）均没有意识到原子能的实际利用近在眼前。,二.原子能的开发历程,.,1934年，意大利物理学家费米用中子轰击原子核，并发现通过石蜡减速之后的慢中子，裂核能力更强。费米因此获38年诺贝尔物理奖。1938年，德国哈恩发现铀嬗变后出现的新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学家迈特纳提出核裂变猜想，以解释铀实验。并称裂变过程要放出大量能量。费米提出链式反应概念。1939年9月1日，第二次世界大战正式打响,.,1933年，爱因斯坦移居美国1938年，费米逃往美国德国尚有普朗克、玻恩、海森堡、魏扎克、劳厄、哈恩、盖革1933年，匈牙利物理学家齐拉德（18981964）已经意识到核能的开发可能用于军事1935年，建议物理学家暂缓发表研究成果1939年，玻尔认为核能利用为时尚早1939年，说服美国政府抢在德国之前抓紧研制原子弹。爱因斯坦、萨克斯、罗斯福,.,1940年，美国政府正式大量拨款，启动“曼哈顿工程”，格罗夫斯将军为行政首脑1941年12月1942年12月，费米在芝加哥研制原子反应堆铀235、钚239的提纯1943年1月1945年7月。奥本海默在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯主持原子弹研制。7月16日凌晨5时30分，第一颗铀原子弹试爆成功。比一千个太阳都亮。曼哈顿工程：动员50万人，耗费22亿美元，占用全国三分之一的电力,.,1944年底，盟军的特工小组已经发现德国造不出原子弹科学家的犹豫：继续干吗？缺乏政治和道义上的支持不干吗？不符合现代科学技术的精神好的理由：应该让全人类知道它的威力齐拉德、爱因斯坦的态度1945年8月6日，铀弹小男孩投到广岛；8月9日，钚弹胖子投在长崎,.,核军备竞赛：盟国之争45年8月，斯大林下令抓紧研制原子弹1949年8月，苏联成功地进行了核实验1952年11月1日，美国试爆第一颗氢弹1953年8月，苏联研制氢弹成功1952年10月3日，英国研制成功原子弹1960年2月13日，法国研制成功钚弹1964年10月16日，中国试爆成功原子弹,.,1公斤核燃料相当于2500吨煤1954年，苏联建成第一座小型原子能电站；1956（英国），1957（美国）核电站：成本低、污染小、效率高，但事故太可怕1986年4月26日切尔诺贝利核电站第4号机组发生爆炸。人为造成三道安全措施无效1979年3月28日三里岛核电站二号堆事故，由于多重安全系统发挥作用，后果不严重核聚变,.,1995年，33个国家建立了432座核电站，总发电能力34万MW。并有48座在设计中，其合计发电能力3.9万MW。,目前，核电的发电能力已占世界消耗电力的17%。有的国家核电占全国电力供应的50%以上，如立陶宛，76.37%；法国，75.29%；比利时，55.77%。而中国核电不到2%，计划于2020年占到5%。,.,.,1942年12月2日，著名科学家费米领导几十位科学家，在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆，标志着人类从此进入了核能时代。在这以前人类利用的能源，只涉及到物理变化和化学变化，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。第一座反应堆首次启动时，功率仅为0.5瓦。60年后，核能已占全世界总能耗的6。国际原子能机构公布，截至2002年底，全世界共有441台核电机组在运行，2002年共生产电力2.574万亿千瓦小时，约占当年世界总发电量的17。其中，核发电量占本国总发电量比例最高的国家是立陶宛，达到80，其次是法国，达到79。,三.反应堆,.,核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。,.,核反应堆有哪几种类型根据用途，核反应堆可以分为以下几种类型:将中子束用于实验或利用中子束的核反应，包括研究堆、材料实验等。生产放射性同位素的核反应堆。生产核裂变物质的核反应堆，称为生产堆。提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆，比如多目的堆。为发电而发生热量的核反应，称为发电堆。用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆，称为推进堆。,.,其他几种分类方法：根据燃料类型：天然气铀堆、浓缩铀堆、钍堆；根据中子能量：快中子堆和热中子堆；根据冷却剂(载热剂)材料：水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆；根据慢化剂(减速剂)分为石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆；根据中子通量分为高通量堆和一般能量堆；根据热工状态分为沸腾堆、非沸腾堆、压水堆；根据运行方式分为脉冲堆和稳态堆，等等。,.,核反应堆的工作原理原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出23个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。,.,核反应堆最基本的组成是裂变原子核热载体。但是只有这两项是不能工作的。因为，高速中子会大量飞散，这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会；核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，因此必须有可靠的防护措施。综上所述，核反应堆的合理结构应该是：核燃料慢化剂热载体控制设施防护装置。还需要说明的是，铀矿石不能直接做核燃料。铀矿石要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序，制成有一定铀含量、一定几何形状的铀棒才能参与反应堆工作。,.,核反应堆的用途：1.利用裂变核能，2.利用裂变中子。核能主要用于发电，但它在其它方面也有广泛的应用。例如核能供热、核动力等。,.,裂变反应中放出的大量中子的用途，例如：1.我们知道，许多稳定的元素的原子核如果再吸收一个中子就会变成一种放射性同位素。因此反应堆可用来大量生产各种放射性同位素。2.现在工业、医学和科研中经常需用一种带有极微小孔洞的薄膜，用来过滤、去除溶液中的极细小的杂质或细菌之类。在反应堆中用中子轰击薄膜材料可以生成极微小的孔洞，达到上述技术要求。3.利用反应堆中的中子还可以生产优质半导体材料。例如在单晶硅中掺入磷元素。采用中子掺杂技术。把单晶硅放在反应堆里受中子辐照，硅俘获一个中子后，经衰变后就变成了磷。由于中子不带电、很容易进入硅片的内部，故这种办法生产的硅半导体性质优良。,.,4.利用反应堆产生的中子可以治疗癌症。因为许多癌组织对于硼元素有较多的吸收，而且硼又有很强的吸收中子能力。硼被癌组织吸收后，经中子照射，硼会变成锂并放出射线。射线可以有效杀死癌细胞，治疗效果要比从外部用射线照射好得多。5.反应堆里的中子还可用于中子照相或者说中子成像。中子易于被轻物质散射，故中子照相用于检查轻物质(例如炸药、毒品等)特别有效，如果用光或超声成像则检查不出来。,总之，由于反应堆是一个巨大的中子源，因此是进行基础科学和应用科学研究的一种有效工具。目前其应用领域日益扩大，而且其应用潜力也很大，有待人们的进一步开发。,.,四、核能的和平利用核电站,1、能量转化：,核能,热能,机械能,电能,.,核能供热是廿世纪八十年代才发展起来的一项新技术，这是一种经济、安全、清洁的热源，因而在世界上受到广泛重视。在能源结构上，用于低温(如供暖等)的热源，占总热耗量的一半左右，这部分热多由直接燃煤取得，因而给环境造成严重污染。在我国能源结构中，近70%的能量是以热能形式消耗的，而其中约60%是120以下的低温热能，所以发展核反应堆低温供热，对缓解供应和运输紧张、净化环境、减少污染等方面都有十分重要的意义。,.,核供热是一种前途远大的核能利用方式。核供热不仅可用于居民冬季采暖，也可用于工业供热。特别是高温气冷堆可以提供高温热源，能用于煤的气化、炼铁等耗热巨大的行业。核能既然可以用来供热、也一定可以用来制冷。清华大学在五兆瓦的低温供热堆上已经进行过成功的试验。核供热的另一个潜在的大用途是海水淡化。在各种海水淡化方案中，采用核供热是经济性最好的一种。在中东、北非地区，由于缺乏淡水，海水淡化的需求是很大的.,.,核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力；又由于它少耗料、高能量，是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。例如，它可作为火箭、宇宙飞船、人造卫星、潜艇、航空母舰等的特殊动力。将来核动力可能会用于星际航行。现在人类进行的太空探索，还局限于太阳系，故飞行器所需能量不大，用太阳能电池就可以了。如要到太阳系外其他星系探索，核动力恐怕是唯一的选择。美、俄等国-直在从事核动力卫星的研究开发，旨在把发电能力达上百千瓦的发电设备装在卫星上。由于有了大功率电源，卫星在通讯、军事等方面的威力将大大增强。1997年10月15日美国宇航局发射的“卡西尼”号核动力空间探测飞船，它要飞往土星，历时7年，行程长达35亿公里漫长的旅途。,.,核动力推进，目前主要用于核潜艇、核航空母舰和核破冰船。由于核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能运行很长时间，这在军事上有很大优越性。尤其是核裂变能的产生不需要氧气，故核潜艇可在水下长时间航行。正因为核动力推进有如此大的优越性，故几十年来全世界己制造的用于舰船推进的核反应堆数目已达数百座、超过了核电站中的反应堆数目(当然其功率远小于核电站反应堆)。现在核航空母舰、核驱逐舰、核巡洋舰与核潜艇一起，已形成了一支强大的海上核力量。,.,为了实现核能的进一步发展，当前世界许多国家的核科学家正在研究与发展先进的核反应堆，进一步提高反应堆的安全性和经济性。我国“863”计划正在研发两种先进反应堆。一种是由清华大学核能技术设计研究院承担的10兆瓦高温气冷实验堆。高温气冷堆具有安全性好（不会对厂外公众造成危害）、发电效率高（蒸汽发电效率3840，氦气透平发电4547）、用途广（可进行煤的汽化和液化、制氢等）的优点。该反应堆已于2003年1月29日达到满功率并网发电。另一种是由中国原子能科学研究院承担的中国实验快堆。快中子反应堆的主要优点是可大大提高铀资源的利用率，从目前轻水堆的1左右提高到60至70。该反应堆正在建造，其主厂房已于2002年8月15日封顶。,.,中国核能事业创建于1955年，在较短的时间里，以较少的投入，走出了一条适合中国国情的发展道路，取得了举世瞩目的成就。上世纪80年代以来，以核电建设为重点，中国核能和平利用得到较快发展，规模不断扩大，科技水平不断提高，呈现了良好的发展势头。中国自主设计建设的第一座核电站秦山核电站于1991年建成投产，结束了中国大陆无核电的历史。1994年建成投产的大亚湾核电站开创了中外合作建设核电站的成功范例。1996年开始，中国又自主设计建设了秦山二期核电站；与国外合作建设了岭澳核电站、秦山三期核电站和田湾核电站。截至2004年月，共有9台核电机组投入运行，总装机容量701万千瓦；建设中的江苏田湾核电站2005年将全部建成投运，届时核电总装机容量达913万千瓦。,.,2003年，中国大陆核电的累计发电量438亿千瓦时，上网电量415亿千瓦时。在浙江、广东两省，核电上网电量均超过本省总发电量的13%，核电成为当地电力结构的重要支柱，为促进当地社会经济的发展作出了重要贡献。运行的核电机组安全情况良好，核电厂周围环境的辐射水平一直保持在环境本底水平。经过20多年的发展，中国在核电技术的研究开发、工程设计、设备制造、工程建设、营运管理等方面，具备了相当的基础和实力，能自主设计建设30万千瓦和60万千瓦压水堆核电机组，也具备了以我为主、中外合作建设百万千瓦级压水堆核电机组的能力。,.,我国第一座自行设计建造的核电站：,秦山核电站,.,主要内容,五.聚变能,.,聚变反应,聚变反应方程D2+T3He4+n1+17.6MeV聚变反应的提出是为了解决能源问题。,.,聚变与裂变能,聚变等离子体,.,核聚变反应,D+T=n+4HeD+T=p+3He,聚变等离子体,.,受控热核聚变,10克氘15克氚人一生所需能源500升海水含10克氘无环境污染及长寿命放射性废料,聚变等离子体,.,聚变需要亿度高温,劳逊判据（Q1）T10keV（1亿度）nt3x1020m-3s,聚变需要亿度高温,聚变等离子体,.,聚变反应,聚变能源的优点(1)反应放出巨大的能量聚变能源储量丰富(3)不产生二氧化碳、二氧化硫及其它有害的气体和颗粒，不受时间和地域限制，不存在裂变反应堆中的后备反应性，因此不存在临界事故的危险聚变反应的条件(1)极高温度下反应（10Kev以上)(热核反应）(2)粒子在足够时间内被约束在反应区（约束核聚变）,.,聚变反应,等离子体在几亿度（10kev以上）的高温下，反应物完全电离，以离子状态存在，而正离子的电荷数与电子的电荷数相等，因此称为等离子体。聚变反应装置模型Li+n=T+He,.,托卡马克装置及相关问题,托卡马克装置环形磁约束核聚变装置，基于等离子体与磁场的相互作用设计的磁约束装置：线圈电流产生的磁场用于将等离子体约束在反应容器中,这些线圈的作用有加热、成形、电流驱动等脉冲装置：等离子体被约束的时间为几秒到几分钟任务；寻求约束和加热等离子体维持聚变反应的方法。,.,托卡马克装置及相关问题,JET的装置图JET是世界上最大的托卡马克装置,.,托卡马克装置及相关问题,JET的截面图黄色的绕大环方向的是纵场线圈，用于将等离子约束在大环内P1,P2,P3,P4:极向场线圈，用于加热、电流驱动、成形等D1,D2,D3,D4:偏滤器线圈,.,托卡马克装置及相关问题,托卡马克的工作过程（以DIII-D为例）(1)T=0以前环向场（B-coil）加电流；充入气体；欧姆（Ecoil）加热线圈电流加至最大值(2)在零时刻，E-coil电流迅速下降，在环中产生感应电流，加速自由电子，从而自由电子逃逸出来，发生碰撞电离，形成等离子体。这时，E-coil和等离子体环构成了一个变压器，前者是初级线圈，后者是次级线圈。从而形成了等离子体电流。等离子体电阻的存在使得其温度升高（欧姆加热）。E-coil电流的下降使得等离子体电流上升直至平顶。(3)之后再充入气体以增加等离子体的密度和压力。另外还有其他的加热和电流驱动的方法也被使用。,.,托卡马克中的控制问题,等离子体的产生、成形、加热、电流驱动、稳定性和放电的安全终止都是托卡马克控制要考虑的问题。先进托卡马克装置（AdvancedTokamaks）要求；高、长能量约束时间和等离子体自举电流占很大一部分的非感应驱动等离子体电流。,.,聚变反应的难点在极高温度下，长时间约束等离子体，维持反应约束等离子体的方法引力约束：自然界中的聚变反应，发生在衡星内部惯性约束：在一个约为几个毫微秒的时间尺度内，将能量约为几个兆焦耳的脉冲激光束、粒子束均匀地照射氘、氚燃料的靶丸上，由靶丸表面物质的溶化、向外喷射而产生向内的聚心的反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温，并维持一定的约束时间，释放出大量的聚变能。以激光束为驱动器的惯性约束聚变称为激光核聚变磁约束：用磁场在等离子体上产生的力约束等离子体,.,实现聚变的三种途径,聚变等离子体,.,高温等离子体不能用容器来容纳，而要采用特殊的办法来约束。由于太阳质量比地球大33万倍，它所产生的巨大的引力，可以将太阳上的等离子体约束在一起。地球上的引力太小，因此太阳及其他恒星上能在自然条件下产生的聚变，在地球引力的条件下无法来实现。,引力约束,.,磁约束,既然在地球引力的条件下不行，用实物制成的容器也不行，科学家就采用由封闭磁场组成的“容器”来约束电离了的等离子体。这种容器又叫磁瓶或磁笼，它由磁力线组成，看不见，摸不着，不怕高温烈火烧。用磁场实现聚变的方法称为磁约束。,.,带电粒子的速度v和磁感强度B成任意夹角时，粒子在磁场中作螺旋运动，回旋半径R与磁感强度B成反比。在很强的磁场中，每个带电粒子的运动被约束在一根磁感线附近的很小的范围内（下图），即带电粒子回旋轨道的中心只能沿磁感线纵向移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁感线跳到另一根磁感线，因此，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受到很大的限制。,等离子体的磁约