核科学概论基础知识

张建民zhangjm,核科学基础知识,2,主要内容,核科学与技术学科结构概论课主要内容与特点核科学发展及对人类的贡献核科学基础知识核科技人才的历史责任,3,核科学与技术学科结构,一级学科,二级学科,4,西安交通大学核学科,一级学科博士点,工程硕士专业,二级学科博士点,本科专业：核工程与核技术（陕西省名牌专业）,5,西安交通大学,6,概论课主要内容与特点,7,1.课程内容(1/3),绪论核能核反应堆分类、原理及用途核电厂及其发展可移动核能装置核材料与核燃料循环核材料核燃料与核燃料循环,8,核技术及其应用核分析技术检测用核技术辐射加工核技术在医学中的应用,1.课程内容(2/3),9,核武器辐射防护与环境保护辐射探测与防护核设施退役放射性废物处理与处置,1.课程内容(3/3),10,2.课程特点与目的,特点覆盖面宽内容精短多位老师上课教学目的了解核领域建立初步概念热爱本专业,11,3.课程参考资料,连培生，原子能工业，原子能出版社，2002年。马栩泉，核能开发与应用，化学工业出版社，2005年。刘洪涛，人类生存发展与核科学，北京大学出版社，2001年。罗上庚，走近核科学技术，原子能出版社，2005年。,12,4.任课教师,张建民苏光辉秋穗正吴宏春贺朝会单建强胡华四赵耀林,13,核科学发展及对人类的贡献,14,核科学发展,1896年贝可勒尔发现放射性，标志着核科学的开端；1942年费米实现链式反应，世界上第一座核反应堆在美国芝加哥启动；1945年美国成功制造三颗原子弹；1945年世界上第一座核电站在原苏联奥布宁斯克启动；1955年世界上第一艘核潜艇满规律运行加入美海军舰队。,15,核科学发展（中国）,1958年第一座反应堆和第一台加速器建成；1964年成功实现第一次原子弹爆炸；1967年成功实现第一次氢弹爆炸；1971年第一艘核潜艇下水试航成功；1991年第一座自行设计和建造的核电厂并网发电。,16,核电发展,到2003年底，全世界核电总装机容量达到3.6亿千瓦，发电量占总发电量的1617;80年代以后基本保持原来水平;美国核电已占全国发电量的22%;法国核电已占全国发电量的78%。,17,中国核电发展,2003年核电发电量占全国总发电量的2.2%。目前核电装机容量913万千瓦，仅占全国发电装机总容量的2左右。,18,广泛应用的核技术,工业：检测与分析、物质改性与辐射加工等；农业：辐射育种、食品保鲜、防治虫害及同位素示宗等；医学：核技术诊断、放射性同位素外照射治疗以及放射性药物治疗等；地质：考古、探矿、石油测井等；科学研究：用同位素和电离辐射提供多种分析和研究的手段。,19,核技术应用,目前发达国家，核技术应用的产值已占GDP的0.5%1%。美国已占GDP的3.5%4%。美国1997年核技术应用产业的经济效益高达1190亿美元，比核电的经济效益（390亿美元）还高2倍。,20,核技术应用（中国）,上世纪90年代后，我国的核技术应用步入了产业化快速发展阶段，在工业、农业、医学等领域得到广泛应用。“十五”期间，我国核应用技术产业保持了年均18的增长率速度。目前总产值达400亿元，约占国内生产总值的0.4。,21,核武器对国家安全的作用,1939年发现原子核裂变现象，这一新的核科学成就立刻就被用于军事目的，制成了具有大规模杀伤和破坏作用的武器原子弹；核以狰狞的面目面对人类，所以才有“谈核色变”影响至今；由于有强大的威慑力，也给我们带来了安宁。,22,核科学基础知识,23,放射性,1895年，德国物理学家伦琴发现X射线。1896年，法国物理学家贝克勒尔偶然地发现了含铀(U)的矿物晶体能使用纸包着的照相底片感光。研究发现含铀的物体才能发出这种具有穿透能力的射线，它不是X射线，他称这种射线为放射性射线。能发射放射性射线的元素为放射性元素。这种发射放射性射线的性质称为放射性。放射性的发现被看成是核科学的开端。,24,放射性与原子,卢瑟福关于放射性的研究工作确立了放射性射线是发自原子内部。而且通过发射射线，一种元素会转变为另一种元素。这一发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次。放射性射线带正电的成分（射线，形成射线的粒子称为粒子）为带两个正电荷的氦离子。用放射性射线研究原子结构，发现了原子核、中子和人工核反应以及人工放射性元素。,25,原子,世界上一切物质都是由原子构成的。原子是由质子、中子和电子组成的。任何原子都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。,26,原子核,原子核是原子的核心部分。它是由质子和中子（总称核子）紧密结合而构成，带正电，占有原子质量的绝大部分，但直径不及原子直径的万分子一，只有10-1510-14米。如果把原子放大到在礼堂那么大，原子核也不过芝麻大小。质子数和中子数之和称该原子的质量数。最简单的氢原子核只有一个质子。,27,同位素,原子核内质子数相同而中子数不同的一些原子，或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子，它们在化学元素周期表上占据同一个位置，称为同位素。所以，“同位素”一词用来确指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。同位素按其质量不同通常分为重同位素（如铀-238、铀-235、铀-234和铀-233）和轻同位素（如氢的同位素有氘、氚）。,28,放射性同位素的衰变,许多天然或人工产生的核素，因其不稳定会自发地发射各种放射性射线，被称为放射性同位素。不稳定原子核自发地发射放射性射线使原子核的性质发生转变，称为原子核的衰变。放射性同位素发射的射线有三种：、和射线。,29,放射性同位素的衰变,衰变衰变衰变核素不会变化，只改变原子核内部状态。射线与X射线相似，它是一种波长更短，能量更高的电磁波。,30,放射性同位素通过发射各种射线使原子核发生转变（衰变），这种过程的快慢用衰变的半衰期表示。放射性同位素的原子核数目衰减为初始值一半时所需要的时间，为半衰期。,放射性同位素的半衰期,31,铀-235的原子结构,一个铀-235原子有92个电子，其原子核由92个质子和143个中子组成。,32,原子核结合能,在原子核中，中子不带电，质子带正电，同性要相斥，把中子和质子紧箍在一个非常小的空间存在着一股巨大的力，科学家称为核力（比电磁力大130倍）。它只在原子核直径（10-13cm）的很小范围内起作用。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的更加紧密，会出现质量减少和放出能量的情况，这种放出的能量被称为原子核结合能。,33,原子核结合能,爱因斯坦相对论指出：质量和能量的可以相互转化，质量消失，会产生能量。原子核质量亏损所释放出的结合能可以计算E=mc,2,34,原子能,原子能即核能，是核结构发生变化时放出的原子核结合能。在实用上指重核裂变或轻核聚变时所放出的巨大能量。物质所具有的原子能比化学能大几百万倍以至一千万倍以上。,35,原子能的释放,一个铀-235原子核受一个中子轰击后能分裂为两块碎片（中等质量的原子核），同时放出23个中子和大量的能量，放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多，这就是核裂变能，也就是我们所说的核能。,36,原子能的释放,裂变反应之一；裂变碎片氪和钡；23个中子；用公式可以算出:E=200MeV。极小的质量转化成极大的能量。,37,核裂变反应,铀235（或钚239）在中子的轰击下分裂成为两个（极度少数情况下会是三个）较轻的原子核（它们常常有放射性），同时放出23个自由中子，并释放巨大的能量，这个反应过程称为核裂变反应。核裂变放出的中子有三条出路：（1）飞走；（2）被无效吸收，不引起新的裂变；（3）被原子核吸收引起新的裂变。,38,链式核裂变反应,铀核被分裂为二时，可以放出两个中子，这两个中子再去击中两个铀原子核，它被分裂为四，同时放出四个中子，由此类推，原子的裂变就会这样自发地持续下去，产生一连串的原子分裂，同时不断放出能量，如此代代相传，形成核裂变反应链，称为链式核裂变反应。,39,链式核裂变反应,40,自持链式核裂变反应,以中子为媒介而维持的自持裂变反应。例如U-235核吸收一个中子后发生裂变，同时平均放出23个中子，除去损耗，如果还有一个中子能引起另一个U-235核发生裂变，则可使裂变自持地进行下去。原子裂变自持链式反应的概念就是这样提出来的，它是利用原子核裂变能的重要理论基础。,41,自持链式核裂变反应,42,核反应堆,核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能-热能转换的装置。1942年美国芝加哥大学建成了世界上第一座自持的链式反应装置，从此开辟了核能利用的新纪元。,43,我国第一座重水研究反应堆于1958年6月13日临界。,44,核反应堆中的中子代关系,45,轻核聚变反应,两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反应叫轻核聚变反应。它是取得核能的重要途径之一。在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为热核聚变反应。氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用，正在研究受控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理，它与氢弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。,46,核聚变反应,D-T聚变反应将产生一个高能中子和一个粒子，反应式如下：D+Tn(14.06MeV)+4He(3.52MeV)D-D聚变反应，它有两种几率近似相等的分支反应：D+DT（1.01MeV）+P(3.03MeV)D+D3He(0.82MeV)+n(2.45MeV)这三种聚变反应就是氢弹爆炸时释放的巨大能量的来源，被称为聚变能。,47,D-T聚变反应,48,国际热核聚变实验堆（ITER）InternationalThermonuclearExperimentalReactor,49,核燃料循环,50,核科技人才的历史责任,51,核能是不可或缺的替代能源,核电：当前最理想、最可行的非化石替代能源。聚变能：取之不尽，用之不竭的永久清洁能源。,52,核电发展需要解决的三个关键问题,研究和发展更先进的反应堆（进一步提高反应堆的安全性和经济性）；逐步解决高放废物的最终处置问题；解决防止核扩散问题。,53,第四代核电厂性能要求,安全性低的堆芯损坏可能性，在任何假想事故下不发生堆芯损坏不需要场外应急措施,54,第四代核电厂性能要求,经济性与其它形式发电成本有竞争性发电成本3美分/KWH投资$1000/KW建造期限4年(合同签订)3年(第一罐混凝土浇注)最少的放射性废物防止核扩散,55,与核能利用相关先进技术研究,高放废物处置的新方法研究；先进