惊人的能量-核能

惊人的能量——核能第1页/共40页核能及其机理1.原子的组成

原子是由质子、中子和电子组成的。世界上一切物质都是由原子构成的，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。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。50万个原子排列起来相当一根头发的直径。如果把原子比作一个巨大的宫殿，其原子核的大小只是一颗黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。一座100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。第2页/共40页原子的大小与质量在原子中，电子的数目与其原子核中质子的数目相等，所以整个原子是呈电中性。原子是非常小，非常轻的。其直径约为0.00000001厘米（10-8厘米）。原子的静止质量约为1×10-27-1×10-23克，如果一滴水像地球那样重，它中间的一个原子才不过几千克。原子的质量几乎全部集中在原子核上。国际上规定用碳-12原子质量的1/12作为原子质量单位，其数值为1.6606×10-24克。这样，知道了碳原子的绝对质量，任何原子的绝对质量都可以从它们的相对质量中算出。因为中子与质子的相对质量都接近于1，所以，原子核中的核子数（质子和中子）就是原子的质量数。第3页/共40页2.原子核的结构

原子核一般是由质子和中子构成的，最简单的氢原子核只有一个质子，原子核中的质子数（即原子序数）决定了这个原子属于何种元素，质子数和中子数之和称该原子的质量数。第4页/共40页原子核的大小与质量原子核的直径为10-13-10-12厘米。它由一定数量的质子和中子组成，具有自旋、宇称和电磁矩等性质。质子带正电荷；中子为中性粒子，不带电荷。在外界场或粒子的作用下，原子可能失去部分外围电子。电子不足的原子我们称为正离子；原子也可以吸附电子，此时它被称为负离子。自然界中最轻的原子核只由一个质子组成，它是氢的原子核；最重的原子核由94个质子和150个中子组成，它是钚-244的原子核。人工合成的原子核的质子数现已达到116。第5页/共40页我们来看几个具体的原子、原子核结构的例子。氢（H）原子：由1个质子（即氢原子核）和1个绕它高速旋转的电子组成；氦（He）原子：由2个质子和2个中子（组成氦原子核）和绕氦原子核高速旋转的2个电子组成；氧（O）原子：由8个质子和8个中子（组成氧原子核）和绕氧原子核高速放置的8个电子组成；铀（U）原子：如铀-235由92个质子和143个中子（组成铀原子核）和绕铀原子核高速旋转的92个电子组成原子核的质量并不等于组成原子核的核子质量之和。组成原子核的质子及中子的质量之和与该原子质量之差称为该核的质量亏损。核子结合成原子核时，这种质量上的养活按照质能关系，能释放出巨的大的能量，这种能量称为原子核的结合能。简单的氕核结合能，大约等于2.225兆电子伏。可见，原子核中蕴藏着无穷无尽的能量，是一个能源宝库。第6页/共40页3.放射性与放射性衰变原子核自发地放射出α，β，γ等射线的现象，称为放射性。中子数和质子数过多或偏少的核素都是不稳定的，它会自发地蜕变成另一种核素，同时放出射线。这种现象叫做放射性衰变。放射性衰变主要有三种：α衰变、β衰变和γ衰变。放射性活度是一定量的放射性物质在单位时间间隔内的核衰变数。它的法定计量单位是贝可。1贝可=1次衰变每秒。它与旧单位居里的关系：1居里=3.7×1010贝可。在单一的放射性衰变过程中，放射性核素的活度减少到其原有值一半所需的时间，称为半衰期。它是放射性元素的一个特性常数。原子核放射性衰变的规律为：放射性原子核的数目随时间按指数规律减少。鉴于α，β，γ射线的电离作用和贯穿本领，在工农业生产和科学研究中有重要应用。第7页/共40页4.核素和同位素具有特定质量数、南子数和核能态的一类原子称为核素。具有放射性的核素称为放射性核素，不发生和极不易发生放射性衰变的核素，称为稳定核素。质子数Ｐ相同而中子数Ｎ不同的一些原子，或者说原子序数Ｚ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。同位素的化学性质基本相同，但核特性不同。具有放射性的同位素就叫做放射性同位素。存在于自然界中的放射性同位素叫做天然放射性同位素；用人工方法制造出的放射性同位素叫做人工放射性同位素。不具有放射性的同位素，其原子核是稳定的，称为稳定同位素。同位素按其质量不同通常又分为轻同位素和重同位素。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）。

第8页/共40页5.核能

在50多年前，科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出2—3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。原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用，而核电反应堆也是利用这一原理获取能量，所不同的是，它是可以控制的。第9页/共40页核能是可持续发展的能源

世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。这些裂变燃料足够使用到聚变能时代。聚变燃料主要是氘和锂，海水中氘的含量为0.034克/升，据估计地球上总的水量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。因此，有些能源专家认为，只要解决了核聚变技术，人类就将从根本上解决了能源问题。第10页/共40页6.轻核聚变

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。第11页/共40页7.重核裂变与链式裂变反应重原子核分裂成两个（少数情况下，可分裂成3个或多个）质量相近的碎片的现象称为核裂变，例如铀核裂变。原子核自发地分裂成两个质量相近的碎片的现象称为自发裂变。易裂变原子核在中子的作用下发生裂变形成碎片，这些碎片及其衰变子体称为裂变产物。裂变产物是多种多样核素的复杂混合物。链式裂变反应是一系列的核裂变反应，其中每一次核裂变反应都是由前一次核裂变反应所产生的中子引起的。核裂变反应的一个重要特点是一个易裂变核每吸收一个中子发生裂变反应后平均放出2-3个次级中子。这些次级中子在一定条件下又有一部分引起其他易裂变核的裂变，如此连续进行下去便形成链式裂变反应。第12页/共40页链式裂变反应分为自持型、发散型和收敛型三种。如果每次裂变产生的次级中子，平均有一个能够引起下一级的裂变反应，则链式反应即可进行下去。这种情况称作自持链式反应。与此对应的裂变系统的状态就称为临界状态。如果每次裂变产生的次级中子，平均有1个以上能引起下一级的核裂变反应，则裂变反应规模将越来越大，就叫发散型链式反应，与其相对应的裂变系统的状态称为超临界状态。如果每次裂变反应产生的次级中子平均不到一个能引起下一级的核裂变反应，裂变反应的规模就愈来愈小，直到反应终止。这种链式反应称为收敛型链式反应，与其相对应的裂变系统的状态称为次临界状态。第13页/共40页8．铀的特性及其能量的释放

铀是自然界中原子序数最大的元素，天然铀由几种同位素构成:除了0.７1％的铀-235（235是质量数）、微量铀-234外，其余是铀-238，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。也就是说1克Ｕ-235完全裂变释放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。

第14页/共40页9.核能如何释放

核能的获得主要有两种途径，即重核裂变与轻核聚变。Ｕ-235，有一个特性，即当一个中子轰击它的原子核时，它能分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2—3个中子和β、γ等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。如果有一个新产生的中子，再去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变，以此类推，这样就使裂变反应不断地持续下去，这就是裂变链式反应，在链式反应中，核能就连续不断地释放出来。第15页/共40页10.核聚变能量的释放

与铀相同数量的轻核聚变时放出的能量要比铀大几倍。例如1克氘化锂（Ｌi-6）完全反应所产生的能量约为1克铀-235裂变能量的三倍多。实现核聚变的条件十分苛刻，即需要使氢核处于几千万度以上高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。

back第16页/共40页11.核能的高技术性与现代航天技术、微电子技术、生物工程等重要领域一样，原子能工业也是当代高技术的重要领域之一。它的行业与产业的发展是建立在不断前进与创新的先进核科学技术基础之上的。一个国家核领域的基础研究和技术开发的水平，决定并标志着一个国家原子能工业发展的总体水平。先进核反应堆的核电站就是依靠核领域的高科技发展起来的。也就是说，核行业的基础是高科技，离开了高科技就没有核工业行业及其所属产业。

从上述各点不难看出，核工业及其所属产业的发展，牵动着一个国家的全局与未来的长远利益，因此，核工业发展的决策属高层次的“国家级决策”（战略决策）。

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从核工业自身内涵的突出特点可以十分明显地看出，在取得政治、军事、经济、社会、环境五大重要领域的综合效益，进而促进社会和国民经济持续、协调、优质发展中，核工业具有不同于其他任何工业部门的特殊的战略地位。

认清了战略地位,还需要果断正确的决策。正确的决策应来自两个方面：一是以深入的科学研究为基础，要总结各国的和历史上科学技术、工业、农业发展的规律，把认识上升到理性的高度，针对我国的现状和未来的发展，然后提出正确的科学的依据；二是根据领导层对事物全局作总体的把握做出决断，由此产业的决策可能会较少失误。前者体现了以科学技术和资本经济为基础的技术决策咨询作用，以保证决策的科学化民主化；后者则体现了以权力为基础的决策执行作用，可以保证决策实施的有效性。

国家决策者只有把知识和权力结合起来，在知识经济时代才能形成既具效率又有经济效益的社会攻坚力量第18页/共40页1.核反应堆及其组成

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。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。

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。

反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。

堆芯中的燃料：反应堆的燃料，不是煤、石油，而是可裂变材料。自然界天然存在的易于裂变的材料只有Ｕ-235，它在天然铀中的含量仅有0.711％，另外两种同位素Ｕ-238和Ｕ-234各占99.238％和0.0058％，后两种均不易裂变。核反应堆第19页/共40页

燃料包壳：为了防止裂变产物逸出，一般燃料都需用包壳包起来，包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。控制与保护系统中的控制棒和安全棒：为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和安全棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率；安全棒用来快速停止链式反应。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。冷却系统中的冷却剂：为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。

慢化系统中的慢化剂：由于慢速中子更易引起铀-235裂变，而中子裂变出来则是快速中子，所以有些反应堆中要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂，一般慢化剂有水、重水、石墨等。第20页/共40页

反射层：反射层设在活性区四周，它可以是重水、轻水、铍、石墨或其它材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去，减少中子的泄漏量。

屏蔽系统：反应堆周围设屏蔽层，减弱中子及γ剂量。

辐射监测系统：该系统能监测并及早发现放射性泄漏情况。第21页/共40页2.反应堆的结构形式和分类

反应堆的结构形式是千姿百态的，它根据燃料形式、冷却剂种类、中子能量分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各类型结构形式的反应堆。目前世界上有大小反应堆上千座，其分类也是多种多样。按能普分有由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆；按冷却剂分有轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）、重水堆、气冷堆和钠冷堆。按用途分有：（1）研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究；（2）生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚-239；（3）动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。反应堆分类情况见下表。第22页/共40页3.研究实验反应堆

是指用作实验研究工具的反应堆，它不包括为研究发展特定堆型而建造的、本身就是研究对象的反应堆，如原型堆，零功率堆，各种模式堆等。研究实验堆的实验研究领域很广泛，包括堆物理，堆工程、生物、化学、物理、医学等，同时，还可生产各种放射性同位素和培训反应堆科学技术人员。研究实验堆种类很多，例如：游泳池式研究实验堆：在这种堆中水既作为慢化剂、反射层和冷却剂，又起主要屏蔽作用。因水池常做成游泳池状的长圆形而得其名。第23页/共40页

罐式研究实验堆：由于较高的工作温度和较大的冷却剂流量只有在加压系统中才能实现，因此，必须采取加压罐式结构。

重水研究实验堆：重水的中子吸收截面小，允许采用天然铀燃料，它的特点是临界质量较大，中子通量密度较低。如果要减小临界质量和获得高中子通量密度，就用浓缩铀来代替天然铀。

此外，还有固体慢化剂研究实验堆、均匀型研究实验堆、快中子实验堆等。第24页/共40页4.动力反应堆

世界上动力反应堆可分为潜艇动力堆和商用发电反应堆。核潜艇通常用压水堆做为其动力装置。商用规模的核电站用的反应堆主要有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆和快堆等。第25页/共40页压水堆沸水堆第26页/共40页重水堆第27页/共40页快中子堆back第28页/共40页1.什么是核电站

核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆和改进型气冷堆以及快堆等。但用的最广泛的是压水反应堆。压水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。核电站第29页/共40页2.核电站工作原理

核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。第30页/共40页

以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统，其形式与常规火电厂类似。3.压水堆核电站第31页/共40页4.沸水堆核电站第32页/共40页5.重水堆核电站第33页/共40页6.快堆核电站第34页/共40页

核电厂的三废治理设施与主体工程同时设计，同时施工，同时投产，其原则是尽量回收，把排放量减至最小，核电厂的固体废物完全不向环境排放，放射性液体废物转化为固体也不排放；像工作人员淋浴水、洗涤水之类的低放射性废水经过处理、检测合格后排放；气体废物经过滞留衰变和吸附，过滤后向高空排放。

核电厂废物排放严格遵照国家标准，而实际排放的放射性物质的量远低于标准规定的允许值。所以，核电厂不会对给人生活和工农业生产带来有害的影响。7．核电站废物严格遵照国家标准，对人民生活不会产生有害影响

back第35页/共40页核电站是清洁的能源

目前环境污染问题大部分是由使用化石燃料引起的，化石燃料燃烧会放出大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等有害气体造成的“温室效应“，将使地球气温升高，会造成气候异常，加速土地沙漠化过程，给社会经济的可持续发展带来灾难性的影响，核电站并不排放这些有害物质，不会造成“温室效应“，与火电厂相比，它能大大改善环境质量，保护人类赖以生存的生态环境等。在国外核电站的周围有人居住、游泳、放牧牛羊、