第二节 核能 核技术.ppt

,第二节核能核技术,一、重核裂变,二、轻核聚变,一、重核裂变,1939年12月，德国物理学家哈恩（左图）和他的助手斯特拉斯曼（右图）发现，用中子轰击元素周期表中的第92号元素铀时，铀核发生了分裂，变成了钡、镧等一些中等质量的原子核。后来科学家们把这种重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程，叫做裂变。,科学家们发现，重核裂变反应后的产物的总质量比反应前的反应物的总质量减少，这种现象叫做质量亏损。,爱因斯坦的质能关系指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系。重核裂变时出现质量亏损，必然要放出能量。我们把这种在核反应中放出的能量叫做核能。,Emc2,经过计算发现，如果1kg铀全部裂变，放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量。,由于一般情况下，铀核裂变时总要释放出23个中子，这些中子又会引起其他铀核的裂变，这样，裂变反应就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量，这就是链式反应，如下图所示。,铀块的体积对于产生链式反应是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。,如果铀的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，会立即引起铀核的链式反应，在极短的时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。下图为我国第一颗原子弹于在西部地区爆炸成功。,原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆。反应堆用浓缩铀作为核燃料，用石墨、重水或普通水作为中子的减速剂，用易于吸收中子的金属镉做成控制棒，控制裂变反应速度，反应堆的示意图如下图所示。,当反应过于激烈时，使镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，反应速度就会慢下来。用计算机自动地调节镉棒的升降，就能使反应堆保持一定的功率安全地工作。,为了防止铀核裂变过程中放出的各种射线对人体的危害，在反应堆的外面要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来。对放射性的核废料，要装入特制的容器，埋入地层深处。核电站消耗的燃料很少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨左右的煤。,反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热能，使反应堆的温度升高。为了控制反应堆的温度，使它能正常工作，需要用水等流体作冷却剂，在反应堆内外循环流动，不断地带走热能。这些热能将水转变为蒸汽，蒸汽又推动蒸汽轮机发电。核电站的结构示意图如下图所示。,根据国际原子能机构2005年10月发表的数据，自1954年世界上第一座核电站建成以来，全世界已有31个国家和地区建成了400多个核电站，核电年发电量占全世界发电总量的17。,目前，我国共有浙江秦山核电站、广东大亚湾核电站、秦山二期核电站、广东岭澳核电站、秦山三期核电站、江苏田湾核电站6座核电站，11台核电机组投入商业运行，装机总容量达到900万千瓦，核电发电量占全国总发电量的2.3，一些新的核电站(岭澳二期、秦山二期扩建、红沿河一期、浙江三门一期、山东海阳一期、广东阳江、福建宁德等)正在建设中。预计到2020年，我国还将建设30台左右的百万级核电机组，核电装机容量将达到4000万千瓦，核电在全国发电装机容量中的比例将占到4%。下图为我国秦山核电站一景。,二、轻核聚变,人们发现，当把某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出比裂变更多的能量，这样的反应叫做核聚变。例如，一个氘核和一个氚核结合，聚变成一个氦核（同时放出一个中子）时，平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大34倍。,使轻核发生聚变，必须使它们之间的距离小于10-10m。由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的电磁力。用什么办法能使大量原子核获得足够的动能来产生聚变呢？,人们利用轻核聚变制造出了比原子弹威力更大的核武器氢弹。氢弹是利用原子弹爆炸产生的高温来引起热核反应的，其威力往往相当于数百个原子弹。右图所示为我国第一颗氢弹爆炸成功。,有一种办法，就是把它们加热到一千万摄氏度以上的高温，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的电磁力发生聚变。因此，聚变反应又叫热核反应。,热核反应在宇宙中是很普遍的。太阳内部和许多恒星内部的温度高达一千万摄氏度以上，热核反应在那里激烈地进行着。太阳每秒钟辐射出来的能量约为3.81026J，就是由热核反应产生的。地球只接受了其中的二十亿分之一左右，就使得地面温暖，万物生长。,核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。,实现受控核聚变具有极其诱人的前景。相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且由于核聚变所需的原料氢的同位素氘，可以从海水中提取。经过计算，1L海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于300L汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是取之不尽的，因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。,但是人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在一千万摄氏度的高温下才能进行，可以想象，没有什么材料能经受得住如此的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。,练习7-2,1简述核力发电的主要优点。,答案：核电站消耗的燃料很少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30吨左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨左右的煤。因此，与火电相比，核电是一种技术成熟的清洁能源，对