精第十五讲-核化学的发展与原子弹

1、军事化学导论军事化学导论6 6 核化学的发展与原核化学的发展与原子弹子弹3/18/20221前言前言1945.07.16凌晨凌晨5:2945” ，这是一个值得世界上所有爱好，这是一个值得世界上所有爱好和平的人们应该记住的日子：世界上第一枚原子弹爆炸成功。和平的人们应该记住的日子：世界上第一枚原子弹爆炸成功。核爆炸核爆炸 http:/ （Little Boy)原原子弹铀弹）。子弹铀弹）。相当相当18000000kg的的TNT爆炸当量爆炸当量3/18/202231945年年8月月9日，一颗名为日，一颗名为“胖子胖子”（Fat Man)的原子弹（钚弹）在长崎落下。的原子弹（钚弹）在长崎落下。3/18

2、/20224原子弹爆炸形成的蘑菇云原子弹爆炸形成的蘑菇云3/18/20225几个问题几个问题核武器爆炸的能量是从哪里来的？核武器爆炸的能量是从哪里来的？核爆炸基于什么样的原理？核爆炸基于什么样的原理？核武器的基本结构是怎样的？核武器的基本结构是怎样的？核武器的结构为什么是现在这种样子？核武器的结构为什么是现在这种样子？在核武器问世至今的半个多世纪里，关于核在核武器问世至今的半个多世纪里，关于核武器发生了什么故事？武器发生了什么故事？目前世界上服役核武器的状况如何？目前世界上服役核武器的状况如何？全面禁止核试验后核武器又将如何发展？全面禁止核试验后核武器又将如何发展？3/18/20226万物生长

3、靠太阳万物生长靠太阳 太阳中心P(0.1MPa) 1011T(K) 107由里向外分别为太阳核反应区、太阳对流层、太阳大气层。其中心区不停地进行热核反应，所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。其中二十二亿分之一的能量辐射到地球，成为地球上光和热的主要来源。 3/18/202271. 原子及原子核原子及原子核 世界上的一切物质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。原子核包括质子和中子，质子数决定了该原子属于何种元素，原子的质量数等于质子数和中子数之和。如一个铀-235原子是由原子核（由92个质子和143个中子组成）和92个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球，那么原子核就

4、相当于一个乒乓球的大小。虽然原子核的体积很小，但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。3/18/20228原子核的更精细结构原子核的更精细结构3/18/202292. 同位素同位素 质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子被称为同位素，它们在化学元素周期表上占据同一个位置。简单的说同位素就是指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。按质量不同通常可以分为重同位素和轻同位素。3/18/2022103. 铀的同位素铀的同位素铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235，它们所占的比例分别为99.3%和0.。除此之外，自然界中还有微量的铀-2

5、34。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。3/18/2022114.重核裂变重核裂变裂变反应多指核裂变，是一个重原子的原子核分裂为两个或更多较轻原子核、并在分裂时两到三个自由中子并释放巨大能量的过程。裂变时释放的能量是相当巨大的，1千克铀全部裂变释放的能量超过2000吨煤完全燃烧时释放的热量。 3/18/2022124. 重核裂变重核裂变裂变反应3/18/2022133/18/2022145. 轻核聚变轻核聚变聚变反应热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的轻原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反

6、应（参见核聚变）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。 3/18/202215核能应用历史核能应用历史 核能是人类历史上的一项伟大发明，这离不开早期西方科学家的探索发核能是人类历史上的一项伟大发明，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。现，他们为核能的应用奠定了基础。19世纪末世纪末 英国物理学家英国物理学家汤姆逊汤姆逊

7、发现了电子。发现了电子。1895年年 德国物理学家德国物理学家伦琴伦琴发现了发现了X射线。射线。1896年年 法国物理学家法国物理学家贝克勒尔贝克勒尔发现了放射性。发现了放射性。1898年年 居里夫人居里夫人发现新的放射性元素钋。发现新的放射性元素钋。1902年年 居里夫人居里夫人经过经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。1905年年 爱因斯坦爱因斯坦提出质能转换公式。提出质能转换公式。1914年年 英国物理学家英国物理学家卢瑟福卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。荷单元，称为质子。1932年年 英国物理学

8、家英国物理学家查得威克查得威克发现了中子。发现了中子。1938年年 德国科学家德国科学家奥托哈恩奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。现象。1942年年12月月2日日 美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年年8月月6日和日和9日日 美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。崎。1954年年 苏联建成了世界上第一座核电站苏联建成了世界上第一座核电站-奥布灵斯克核电站。奥布灵斯克核电站。3/18/202216 一九三八年十二月，一九三八年十二月，德国科学

9、家哈恩发现了德国科学家哈恩发现了铀被中子轰击后发生核铀被中子轰击后发生核裂变反应。裂变反应。核武器核武器3/18/2022171939年年1月，月，德国女科学德国女科学家梅特涅对家梅特涅对原子核裂变原子核裂变作出了解释，作出了解释，估算出一个估算出一个铀核裂变会铀核裂变会释放出释放出2亿电亿电子伏特的巨子伏特的巨大能量。大能量。3/18/202218原子弹原子弹 原子弹是利用铀原子弹是利用铀-235或钚或钚-239等重原子核裂等重原子核裂变反应，瞬间释放巨大能量达到破坏效果的核变反应，瞬间释放巨大能量达到破坏效果的核武器，也称裂变弹。根据核装料的不同，可分武器，也称裂变弹。根据核装料的不同，可

10、分为铀弹和钚弹。以铀为铀弹和钚弹。以铀-235作为核装料的称铀弹，作为核装料的称铀弹，以钚以钚-239作为核装料的称为钚弹。作为核装料的称为钚弹。1千克的铀千克的铀-235或钚或钚-239如果完全裂变，裂变如果完全裂变，裂变和衰变过程中总共可释放约两万吨和衰变过程中总共可释放约两万吨TNT当量的当量的能量。能量。 3/18/202219原子弹的结构原子弹的结构3/18/202220原子弹的结构原子弹的结构3/18/202221原子弹的结构原子弹的结构3/18/202222氢弹是利用氢的同位素氘、氚等轻原子氢弹是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量而实现核的聚变反应瞬时释放

11、出巨大能量而实现爆炸的核武器，亦称聚变弹或热核弹。氢爆炸的核武器，亦称聚变弹或热核弹。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨梯恩梯当量，氢弹的威力则可百至几万吨梯恩梯当量，氢弹的威力则可大至几千万吨。还可通过设计增强或减弱大至几千万吨。还可通过设计增强或减弱其些破坏因素，其战术技术性能比原子弹其些破坏因素，其战术技术性能比原子弹更好。更好。氢氢 弹弹3/18/202223氢弹的结构氢弹的结构3/18/202224氢弹的结构氢弹的结构3/18/202225氢弹空中爆炸氢弹空中爆炸

12、的火球的火球 3/18/202226核爆炸方式核爆炸方式空中核爆炸高空核爆炸地面核爆炸地下核爆炸水下核爆炸http:/ 永备工事个人防护 主要是利用地形地物，采取正确的动作。3/18/202230世界上首批核武器的研制历史世界上首批核武器的研制历史美国的曼哈顿计划苏联的原子弹研制美苏核军备竞赛英国的原子弹研制法国的原子弹研制德国的早期核科学研究印度奉行的核武器政策核爆下的军演http:/ 朝鲜核问题朝鲜核问题，是指朝鲜开发核应用能力而引起的地区安全和外交等一系列问题，相关方为美国、中国、韩国、俄罗斯和日本。朝核问题始于20世纪90年代初。当时，美国根据卫星资料怀疑朝鲜开发核武器，扬言要对朝鲜的

13、核设施实行检查。朝鲜则宣布无意也无力开发核武器，同时指责美国在韩国部署核武器威胁它的安全。第一次朝鲜半岛核危机由此爆发。 3/18/202233朝鲜核问题朝鲜核问题1994年5月30日，联合国安理会提出对朝鲜进行核项目调查并对其进行制裁。1994年6月，美国前总统卡特前往平壤斡旋，与朝鲜政府达成了朝核问题框架协定，此一协议是朝鲜核危机的直接渊源。按照朝核问题框架协定的要求，朝鲜必须冻结其各种核项目，并在所有核设施上加装监控系统，禁止一切关闭项目的重启。 因担心朝鲜发展核武器，1994年10月21日，美国与朝鲜在日内瓦签署了一项关于朝核问题的朝美核框架协议，朝鲜冻结其核设施，美国牵头成立朝鲜半岛

14、能源开发组织，负责为朝鲜建造轻水反应堆并提供重油，以弥补朝鲜停止核能计划造成的电力损失。此后，宁边5兆瓦反应堆中8000根乏燃料棒被取出封存。3/18/202234朝鲜核问题朝鲜核问题2001年，美国总统乔治沃克布什（George Walker Bush）上台后，美国对朝政策变为强硬，并于2002年初将朝鲜与伊朗、伊拉克一起称为“邪恶轴心”，媒体披露的美国核态势审议报告也将朝鲜列为使用核武器的对象之一。2002年10月美国总统特使、助理国务卿凯利访问平壤后，美国宣布朝鲜“已承认”铀浓缩计划，并指控朝鲜正在开发核武器。朝鲜则表示，朝鲜“有权开发核武器和比核武器更厉害的武器”。同年12月，美国以朝

15、鲜违反朝美核框架协议为由停止向朝提供重油。随后，朝鲜宣布解除核冻结，拆除国际原子能机构（IAEA）在其核设施上安装的监控设备，重新启动用于电力生产的核设施。2003年1月10日，朝鲜政府发表声明，宣布再次退出不扩散核武器条约，但同时朝鲜表示无意开发核武器。朝鲜核危机正式爆发。 3/18/202235朝鲜核问题朝鲜核问题为使朝核问题和平解决，中国政府积极斡旋，于2003年4月促成有朝鲜、中国、美国参加的朝核问题三方会谈。2003年8月，中国在北京举行有中国、朝鲜、韩国、美国、日本、俄罗斯参加的朝核问题六方会谈，并确立了通过谈判和平解决朝核问题的原则。截至2008年6月，六方会谈已进行到第6轮。

16、3/18/202236核武器技术的和平利用核武器技术的和平利用核爆聚变电站人工造湖改变气候3/18/202237核能发电核能发电 核能发电的过程核能发电的过程核能核能水和水蒸气的内能水和水蒸气的内能发电机转子的机械能发电机转子的机械能电能。电能。优点：优点： 1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。因此核能发电不会造成空气污染。 2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。 3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。核能发电所使

17、用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。 4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年百万瓦的核能电厂一年只需只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。 5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他

18、发电方法为稳定。 3/18/202238核能发电核能发电 核能发电的过程核能发电的过程核能核能水和水蒸气的内能水和水蒸气的内能发电机转子的机械能发电机转子的机械能电能。电能。缺点：缺点： 1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。的政治困扰。 2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。 3.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。 4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。 5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。 6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。界环境，会对生态及民众造成伤害。 3/18/202239核能是可持续发展的能源核能