核能原理及应用

核能及应用能源与环境学院谢迎辉核能及应用能源与环境学院谢迎辉1/15/20231能源与环境学院

目录核能发展史核裂变和核聚变原理核能的应用总结与展望1/15/20232能源与环境学院31核能发展史1897年汤姆孙的原子模型；卢瑟福的糟糕模型；波尔原子理论；质子中子的发现；爱因斯坦的质能方程1919年卢瑟福实现人工核反应；1934年里约奥-居里发现人工放射性；1939年费米首次提出裂变的概念匈牙利的西拉德提出链式反应；1939里约奥-居里再用中子轰击铀时发现中子；1941年费米简历首个原子核反应堆2H与2H、3H、3He聚变海水中储存有35万亿吨的，可用几百亿年

1895年伦琴射线、贝克拉尔和居里夫妇发现天然放射性；卢瑟福和维拉德发现了α、β、γ射线放射性的发现原子核结构发现核反应链式反应和核能核聚变研究1/15/20233能源与环境学院2核裂变和核聚变原理2.1裂变链式反应（核裂变）

裂变中子和裂变能的增长迅猛，从而产生核爆。但是，中子存在泄露和有害吸收，实际上不一定能够实现链式反应。1/15/20234能源与环境学院2核裂变和核聚变原理1/15/20235能源与环境学院2.2.1中子增殖的可能性：中子从系统中泄露（包括碰撞）中子被裂变核吸收，但不发生反应中子被裂变核吸收，并且发生裂变，放出裂变中子中子被系统中国其他结构材料或杂质吸收2.2中子增殖系数与自持裂变链式反应条件2核裂变和核聚变原理1/15/20236能源与环境学院2核裂变和核聚变原理2.2.2假设条件：初始中子为1，若不泄露几率为P(P<1)，中子被235U吸收的几率为q；若中子被235U吸收并裂变的几率为f；每次释放平均中子数为v。则1个中子经过一代后产生新中子为：k=pqfv1/15/20237能源与环境学院2核裂变和核聚变原理k=1临界状态，中子数不变，裂变数始终保持下去k>1超临界状态，中子数暴增，产生核爆k<1次临界状态，反应将会终止对k值的三点讨论思考：核电站最需要的理论k值是多少？核武器的最佳k值呢？核电站事故处理时的k值最好是多少？1/15/20238能源与环境学院核燃料系统达到临界(k=1)时，相应的体积为临界体积，相应的质量为临界质量。裸球系统

为简单起见，我们研究纯金属铀-235(或纯钚-239)构成的裸球系统。这时,除铀-235外，没有任何其他核素，则q=1。引入η=fν，于是η的意义是裂变核吸收一个中子放出的平均中子数，则增殖系数k简化为：2核裂变和核聚变原理参数η由核材料性质确定，它是代表裂变核增殖性能的一个重要参数。1/15/20239能源与环境学院2核裂变和核聚变原理经试验测得：核素vfη铀-2352.60.8482.21铀-2382.60.3730.97钚-2392.980.8772.61

上述数据表明，铀-235和钚-239的η值大于2，即它们都是增殖性能很好的核裂变材料，所以它们是制造核武器的重要材料，相比而言，钚-239更好。铀-238的η<1，它不可能引起中子增殖，因此铀-238不能作为核武器的裂变材料。1/15/202310能源与环境学院1.中子总是从核材料体系的表面泄露出去，所以对于相同质量的核材料，p与形状有关。（原子弹弹型为球形）2裂变中子产生率与体积成正比，中子泄露与表面积成正比。增大核材料的体积，也可以减少中子泄露率。3增加反射层4压缩体积和增大密度(临界质量与核材料的密度平方成反比)2核裂变和核聚变原理不泄露几率p的讨论：1/15/202311能源与环境学院2核裂变和核聚变原理

式中n是中子,235U为铀-235,239Pu为钚-239,A1,A2为两个中等质量的裂变后的核碎片,ν是每次裂变放出的中子数,E是每次裂变释放出的能量。1/15/202312能源与环境学院2核裂变和核聚变原理2.2核聚变原理

核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。但是，分子间的斥力作用很大，在常温状态下不会发生核反应的！1/15/202313能源与环境学院2核裂变和核聚变原理1、质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）2、需要在几百万摄氏度到上亿摄氏度的高温下才能发生核聚变的反应条件1/15/202314能源与环境学院2核裂变和核聚变原理原子核的聚变反应,最重要的聚变反应为D+D→3He+n+3.27MeVD+3He→4He+p+18.35MeVD+D→T+p+4.03MeVD+T→4He+n+17.59MeV.其中D是氘核(重氢2H)，T是氚核(超重氢3H)，p为质子，3He和4He为氦-3和氦-4，以上两组反应总的效果是6D→24He+2p+2n+43.24MeV1/15/202315能源与环境学院2核裂变和核聚变原理核聚变技术手段磁约束惯性约束惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出原子核所蕴藏的能量。1/15/202316能源与环境学院2核裂变和核聚变原理核聚变的优点一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。

据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。第二个优点是既干净又安全。

因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。1/15/202317能源与环境学院2核裂变和核聚变原理EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，证明了冷却塔换成汽轮机是可以发电的。中国全超导托卡马克装置（合肥）1/15/202318能源与环境学院3核能的利用3.1核燃料的储量世界铀矿开采业处于鼎盛时期。核电需求强劲、铀价飙升，使铀矿地勘公司和铀矿开采业步入一个新的发展阶段。铀矿的投资热潮，使现有的铀矿山得到扩大和改造，一系列后备铀矿床也迅速投产。在澳大利亚、加拿大、蒙古和非洲一些家，铀矿普查评价和勘探工作十分活跃。2005年和2007年主要国家可采铀储量的分布情况1/15/202319能源与环境学院3核能的利用主要国家铀矿开采情况1/15/202320能源与环境学院3核能的利用中国铀矿分布情况1/15/202321能源与环境学院3核能的利用中国铀矿分布情况中国是铀矿资源不甚丰富的一个国家。据近年我国向国际原子能机构陆续提供的一批铀矿田的储量推算，我国铀矿探明储量居世界第10位之后，不能适应发展核电的长远需要。矿床规模以中小为主(占总储量的60%以上)。矿石品位偏低，通常有磷、硫及有色、稀有金属矿产与之共生或伴生。矿床类型主要有花岗岩型、火山岩型、砂岩型、碳硅泥岩型铀矿床4种；其所拥有的储量分别占全国总储量的38%、22%、19.5%、16%。含煤地层中铀矿床、碱性岩中铀矿床及其他类型铀矿床在探明储量中所占比例很少，但具有找矿潜力。中国铀矿成矿时代的时间跨度为距今1900~3Ma之间，即古元古代到第三纪之间，以中生代的侏罗纪和白垩纪成矿最为集中。空间分布上我国铀矿床分南、北两个大区，北方铀矿区以火山岩型为主，南方铀矿区则以花岗岩型力量重要。1/15/202322能源与环境学院3核能的利用铀235的生产1/15/202323能源与环境学院3核能的利用核材料——武器级铀（铀235含量90%以上，钚239）地壳中铀含量0.0004%，铀235不到1%。金属裸球临界质量：铀235-50千克铀235富集（铀235与铀238分离）电磁分离法气体扩散法——六氟化铀（气体）离心机分离法激光分离法核武器关键技术-铀浓缩1/15/202324能源与环境学院3核能的利用核武器关键技术-钚生产1/15/202325能源与环境学院3核能的利用3.2核武器A、第一代核武器（原子弹）B、第二代核武器（氢弹）C、第三代核武器-特殊效能核武器

（中子弹、冲击波弹shock

weapon、增强X射线弹、核电磁脉冲弹、等离子体武器、感生放射弹

)D、第四代核武器（聚变弹、反物质弹、粒子束武器、金属氢武器）核武器的发展及分类：1/15/202326能源与环境学院3核能的利用3.2.1原子弹原子弹的核原料：235U和239Pu原子弹的设计原理：使最初处于次临界状态的核裂变材料在瞬间达到超临界状态，并适时用中子源提供适量中子，触发裂变的链式反应，产生核爆。1/15/202327能源与环境学院3核能的利用原子弹的弹型主要包括：枪法原子弹内爆法原子弹助爆法原子弹1/15/202328能源与环境学院3核能的利用

“枪式”原子弹是把次临界质量的圆柱形铀块(“铀子弹”)和另一个次临界质量、带有圆柱形凹槽的铀球分开放置，这样“弹”中的两个铀块都不会引起裂变链式反应。(1)枪法原子弹若要引发核爆炸,要通过“点火”，即通过雷管点燃“铀子弹”上方的烈性炸药，由化学爆炸产生的强大推力使“铀子弹”迅速射向铀球并进入圆柱形凹槽内，瞬息之间使整个系统达到临界和超临界，并适时地由中子引爆器产生的中子触发，立即发生强烈的链式裂变反应。1/15/202329能源与环境学院3核能的利用(1)枪法原子弹优点：结构简单、无需试验；直径做的较小，适合发射缺点：“射弹”需要加速距离，武器比较长；裂变装料未经压缩利用率低。

1/15/202330能源与环境学院3核能的利用(1)枪法原子弹“小男孩”枪式原子弹长3米，直径0.71米，重约4吨，装64千克浓缩铀-235。火药推动的“射弹”为圆柱形浓缩铀块，长16厘米，直径10厘米，重38.4千克。“射弹”与“靶”相距25厘米时系统就达到临界。合拢速度为300米/秒，总合拢时间1.35毫秒。裂变材料利用率1.2%。1/15/202331能源与环境学院3核能的利用原子弹破坏力巨大的原因：强冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用。1/15/202332能源与环境学院3核能的利用(2)内爆法原子弹爆炸波：火焰面是一个化学反应区，可燃物穿过这个面立即变成燃烧产物在观察一个管内的可燃气体火焰的火焰面传播时，由于点火条件不同，有两种截然不同的情况火焰面以每秒几米的速度传播——燃烧火焰面以每秒几千米的速度传播——爆炸以每秒几千米传播的火焰面就叫爆炸波1/15/202333能源与环境学院3核能的利用(2)内爆法原子弹它是把一块处于次临界状态的裂变装料(铀-235或钚-239)的球体放于原子弹的中心,四周摆放化学炸药做成的楔子,平时也不会引起裂变链式反应.若要引发核爆炸,也是通过点火,先点燃高能化学炸药,利用化学爆炸产生的内聚冲击波和高压力,压缩中心处于次临界状态的裂变燃料球,使其密度急剧升高,由于临界质量与密度平方成反比,因而达到超临界状态,这时中心的中子引爆器适时地产生大量中子,引发剧烈的链式裂变反应,产生核爆炸.1/15/202334能源与环境学院3核能的利用(2)内爆法原子弹优点：核材料经过压缩，用料较少，效率高；缺点：需要庞大的炸药系统“胖子”原子弹：炸药内爆系统外径70厘米，内径23厘米，厚47厘米；重约2.5吨，有32个炸药透镜。由于主炸药球面加了一层炸药透镜，横向尺寸增加，所以叫“胖子”。使用6.2千克钚材料，威力2万吨TNT当量，裂变材料利用率20%，为小男孩的“16倍”1/15/202335能源与环境学院3核能的利用(3)助爆型原子弹

助爆型原子弹设计原理：把热核材料放在裂变装料的中心。当裂变装料发生核反应时，放出的裂变能使中心的热核材料达到高温、高密度状态并发生热核反应，热核反应产生的大量中子又使更多的裂变装料发生裂变反应，从而提高了利用效率。1/15/202336能源与环境学院3核能的利用3.2.2氢弹

氢弹是利用氘(重氢)、氚(超重氢)等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量而实现爆炸的核武器,也称热核弹或聚变弹。

氢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百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。1/15/202337能源与环境学院3核能的利用3.2.2氢弹(1)氢弹核原料反应原理

首先引爆其中的原子弹，核裂变释放出的能量使热核装料(氘化锂-6)加热达到高温，而且裂变释放的中子轰击氘化锂-6中的锂-6产生氚，然后产生的氚与氘，以及氘与氘发生热核聚变反应，释放巨大能量。在氢弹中烧掉1kg氘化锂-6,释放的能量可达4~5万吨TNT当量。1/15/202338能源与环境学院3核能的利用氢弹有两种构型：中国的于敏-邓稼先构型和美国的T-U构型（泰勒构型）A：爆炸前基本结构B：高能炸药引爆初级裂变，产生X射线C：X射线沿着聚苯乙烯泡沫结构传播D：聚苯乙烯等离子体压缩次级裂变材料产生裂变，提供热量E：锂6-氘在高温高压聚变反应1/15/202339能源与环境学院3核能的利用3.2.3中子弹

中子弹是一种以高能中子辐射为主要杀伤力的低当量小型氢弹。只杀伤敌方人员，对建筑物和设施破坏很小，也不会带来长期放射性污染。特点：中子弹的特点是爆炸时核辐射效应大、穿透力强，释放的能量不高，冲击波、光辐射、热辐射和放射性污染比一般核武器小。1/15/202340能源与环境学院3核能的利用中子弹结构：1、微型原子弹2、高密度的聚苯乙烯3、储氚器4、铍反射层1/15/202341能源与环境学院3核能的利用3.2.4核武器的作用及未来核武器的杀伤破坏因素:瞬时杀伤因素：（1）光辐射

（2）冲击波

（3）早期核辐射

（4）核电磁脉冲剩余核辐射：（5）放射性沾染核冬天：美国科学家提出核冬天的概念，日本还专门拍摄了《地球冻结》1/15/202342能源与环境学院3核能的利用核武器的作用1军事打击

广岛和长崎的核打击2震慑作用

不战而屈人之兵，抑制大规模战争的发生3大国象征

5个常任理事国均有核武器1/15/202343能源与环境学院3核能的利用世界核武器分布目前，世界上有5万多个核弹头，约达200亿吨TNT当量的核武器1/15/202344能源与环境学院3核能的利用3.3核能发电链反应爆炸不可控的核反应可控反应堆核电站原子弹

核电站又称核电厂，它指用铀、钚等作核燃料，将它在裂变反应中产生的能量转变为电能的发电厂。1/15/202345能源与环境学院3核能的利用一回路与核岛二回路与常规岛安全注射系统主蒸汽系统反应堆冷却剂循环系统安全壳喷淋系统化学和容积控制系统凝结水给水系统事故给水系统循环水系统主蒸汽排放系统1/15/202346能源与环境学院3核能的利用1/15/202347能源与环境学院3核能的利用1/15/202348能源与环境学院3核能的利用3.3.1核电站的发展

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。第一代第二代第三代第四代和平利用核能研发阶段的实验堆和原型堆20世纪70年代至今，包括：压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆非动能压水堆法国压水堆先进沸水堆先进压水堆通过化学方法等将核废料溶解，加入核燃料中可以继续使用。1/15/202349能源与环境学院3核能的利用总体特点a.以净化的普通水作冷却剂和慢化剂b.轻水慢化性能好堆芯较小、吸收截面大低富集度加浓铀c.一回路冷却剂压力一般为15.5MPa(1)压水堆d.压水堆核电站有放射性的一回路和二回路系统分开，放射性冷却剂不会进入二污染二回路设备，运行和维护方便，需要处理的废气、废水、废物量较少。1/15/202350能源与环境学院沸水堆特点:a.以轻水作为冷却剂和慢化剂b.用富集度为3-4%的低加浓铀做燃料c.堆芯在一个压力壳内，裂变能转化为热能，产生蒸汽推动汽轮机发电(2)沸水堆3核能的利用1/15/202351能源与环境学院(3)重水堆以天然铀为燃料，重水为慢化剂，重水作冷却剂。代表性重水堆核电厂:CANDU(CANadianDeuteriumUraniumReactor)ACR-1000(AdvancedCANDUReactor)3核能的利用1/15/202352能源与环境学院3核能的利用CANDU型反应堆

加拿大发展起来的坎杜型（CANDU型）压力管式重水堆核电站。特点：反应堆为一水平放置的筒形容器（称排管容器），里面盛低温低压的重水慢化剂。燃料棒：重水堆的燃料是天然的二氧化铀压制、烧结而成的圆柱形心块。若干个心块装入一根锆合金包壳管内，两端密封形成一根燃料元件。1/15/202353能源与环境学院(4)气冷堆气冷堆是以石墨作为慢化剂，二氧化碳或氦气作为冷却的反应堆。3核能的利用a实现核燃料增殖。b核燃料裂变主要由快中子引起，堆内不需要慢化剂，堆芯有害吸收减少，转换比增大。c使用传热能力强而慢化能力小的钠为冷却剂。(5)钠冷快堆1/15/202354能源与环境学院3核能的利用气冷快堆

GFR(GasCooledFastReactor)铅冷快堆

LFR(LeadCooledFastReactor)熔盐堆

MSR(MoltenSaltReactor)超临界水冷堆

SCWR(SupercriticalWaterCooledReactor)超高温堆

VHTR(VeryHighTemperatureReactor)第四代反应堆:1/15/202355能源与环境学院3核能的利用超临界水冷堆特点：1)热效率高达38%~45%；2)系统结构简化；3)安全性好：超临界压力水无相变，堆芯无烧毁现象；4)良好的经济性；5)有利于核燃料利用。1/15/202356能源与环境学院3核能的利用3.3.2核电站的防护和核废料的处理日本福岛核电站4级切尔诺贝利核电站7级三里岛核电站5级1/15/202357能源与环境学院3核能的利用而且：核电站的设计、建造和运行均采用纵深防御的原则，从设备、措施上提供多等级的重迭保护，以确保核电站对功率能有效控制，对燃料组件能充分冷却，对放射性物质不发生泄漏。因为：核反应堆的燃料铀不纯，它们没有能力产生原子弹式的爆炸。生产核弹时，你需要付出昂贵的代价去除杂质铀238，要求铀235的纯度在90%以上，而反应堆中一般只需要稍微3%左右提纯的铀。核电站真的是个原子弹吗？1/15/202358能源与环境学院3核能的利用第一道屏障燃料芯块核然料放在氧化铀陶瓷芯块中，并使得大部分裂变产物和气体产物90%以上保存在芯块内。第二道屏障：嫌料包壳，燃料芯块密封在铅合金制造的包壳中构成核燃料芯棒错合金，具有足够的强度且在高温下不与水发生反应。第三道屏障：压力管道和容器冷却剂系统将核燃料芯棒封闭在20cm以上的钢质耐高压系统中避免放射性物质泄漏到反应堆厂房内。第四道屏障：反应堆安全壳用预应力钢筋混凝土构筑壁厚近100cm，内表面加有0.6cm的钢衬，可以抗御来自内部或外界的飞出物，防止放射性物质进入环境。1/15/202359能源与环境学院3核能的利用核电站配置的外设安全系统包括：①隔离系统，用来将反应堆厂房隔离开来，主要有自动关闭穿过厂房的各条运行管道的阀门收集厂房内泄漏物质将其过滤后再排出厂外。②注水系统在反应堆可能“失水时，向堆芯注水，以冷却燃料组件避免包壳破裂，注入水中含有硼，用以制止核链式反应。注水系统使用压力氮气，在无电流和无人操作情况下在一定压力下可自动注水③事故冷却器和喷淋系统，用来冷却厂房以降低厂房的压力。在厂房压力上升时先启动空气冷却（风机—换热器）的事故冷却器;再进一步可以启动厂房喷淋系统将冷水或含翻水喷入厂房，以降热和降压。1/15/202360能源与环境学院3核能的利用核废料的处理核废料：泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料。也专指核反应堆用过的乏燃料，经后处理回收钚-239等可利用的核材料后，余下的不再需要的并具有放射性的废料。核废料的特点：放射性射线危害热能释放处理方法：陆地掩埋深海掩埋1/15/202361能源与环境学院3核能的利用世界核电站分布图1/15/202362能源与环境学院3核能的利用1/15/202363能源与环境学院3核能的利用辽宁红沿河核电站简介

辽宁红沿河核电站位于辽宁省大连市瓦房店东岗镇红沿河村，地处瓦房店市西端渤海辽东湾东海岸。

2013年2月17日，工作人员在辽宁红沿河核电站1号机组主控室工作。当日15时9分，辽宁红沿河核电站1号机组并网发电，标志着该电站一期工程1号机组正式进入并网调