核能的发展应用史

核能的发展应用史

系别：核工程与新能源技术系

年级：大一

专业：核工程与核技术

班级：班

学号：

学生姓名：

完成日期:年月日

引言

二十世纪注定是一个，足以影响整个人类进程的伟大世纪。随着新世纪的

到来，科学家们迎来了物理学的又一个春天。年英国著名物理学家开尔文

在新春贺辞中这样描述道：“世纪已将物理学的大厦全部建立，今后的物理学

家的任务就是修饰、完美这座大厦。”但在贺辞的最后他又说道：“大厦上空还

飘荡着两朵‘乌云'。”一朵“乌云”是“以太学说”，而另一朵“乌云”则是“紫

外线危机”“正是这两朵“乌云”引出了两个伟大的物理学领域，一个是相对论，

另一个是量子力学。这两个领域来得正是时候，因为人类在此之前已经进入“电”

的时代。“电”在给人类带来便捷生活的同时，又给人类出了两个更为艰巨的任

务一一解决能源不足问题与保护生态环境再也不进一步遭到破坏。这使得人类不

得不另辟蹊径，去寻觅解决能源不足问题的方法与保护生态环境再也不受到破

坏的可行方案。幸运的是，这两个领域也紧跟着新世纪的脚步慢慢向我们走来。

它们的到来，使得我们找到了一举解决这两个问题的方法一一向微观索取能源。

虽然，前人已经在微观领域取得了丰硕的成果，但就目前来看，我们的任务依

然艰巨，幸运的是我们可以从前人的“足迹”中吸收经验与教训。

关键词：原子射线核武器核电站核医学核污染

自从年法国学者提出“温室效应”以

后，一些有远见的学者就开始耽心生态环境将会遭到更巨大的破坏。并且与此

同时，此外一些科学家就已经开始寻觅解决之道。但可惜的是，他们都没有取

得有效的实质性成果。直到世纪三四十年代，科学家们终于找到了解决这一

问题的方法一一开辟核能，并且取得了丰硕的成果。现在，我们就来“领略”

一下核能的发展应用史吧。

一原子与射线

原子

“原子”一词最早是由古希腊哲学家留基伯德谟克利特在解释世界本源时

提出的，与英国著名化学家道尔顿所提出的“原子论”的本质是不同的。现在

我们知道原子是由原子核和电子组成的，而原子核乂是由质子与中子组成的，

我们还知道原子的结构是行星模型。但是，科学家们为了搞清晰原子的组成与

结构，却花了几十年的时间。

电子

年德国物理学家普吕克尔首次观察到阴极射线，年另一位德国物

理学家戈德斯坦正式将他所看到的同普吕克尔所观察到的同种射线命名为阴极

射线。随后，科学家们就开始讨论阴极射线的本质是什么。一种观点是阴极射

线是一种电磁波，另一种观点是阴极射线是一种带电微粒。电磁波的发现者赫

兹认为“阴极射线是电磁波”并做了大量的实验得出了“阴极射线是电磁波”

的错误结论。而英国物理学家汤姆孙则在赫兹实验的基础上又做了大量的实验

终于得出了正确的结论——阴极射线是带电微粒。年，他将该微粒命名为

电子。但在此之前还有两位科学家因没有“突破思维定势”而失去了“命名权”。

一位是舒斯特（得到相对精确地电子比荷），另一位是考夫曼（年得

到比汤姆孙更为精确的电子比荷）O

质子

年英国物理学家卢瑟福在卡文迪许实验室时发现了质子。而在此之前

戈尔德斯坦也发现了阴极射线是由正离子组成的，但他却没有去分析这些正离

子的成份卢瑟福预言了中子的存在。

中子

年中子被正式发现。但中子的发现之路是异常”精彩”的。卢瑟

福的学生查克威德终于发现了他老师年前所预言的中子。他是幸运的，幸运

的是他有一位好老师。在查克威德发现中子之前，还有其他科学家同他一样也

在寻觅中子，并且他取得了们或者多或者少的成果。年德国物理学家博特

和贝克尔，在他们的实验中就发现存在一种拥有巨大穿透力的射线，他们认

为是伽马射线，所以他们就没有再进行深度的研究了。随后（年）中国

学者王澄昌就对他们的实验结果产生了质疑，并且准备进行试验探索，但由

于是留学的原因和他导师的原因，使他没有能够进行深度研究。（他似乎发表了

相关的论文，查克威德所用的方法与王渔昌所设想的探索方法几乎彻底一致）

之后年底

到初，法国物理学家约里奥一一居里夫妇也重复了博特和贝克尔的实验，

并且得到了相同的结杲。但不幸的是他们因为思维定式的原因，也错过了发现

中子的机会。而此时查克威德也在寻觅中子，也是因为他老师的那句中子可能

存在而使他正式发现了中子。查克威德是幸运的，但我们不能忘记在发现中子

的道路上还有其他科学家做出的不可磨灭的贡献，

.原子模型

现在我们都知道原子模型最为正确的是丹麦物理学家玻尔的“行星模型”，

但是在此模型前还有其他原子模型。这些原子模型是“行星模型”的先驱。在

汤姆孙发现电子后科学家们提出了许多原子模型，其中以年汤姆孙本人所

提出的“西瓜模型”或者“枣糕模型”影响最大。但是缺陷也是非常大的。

年勒纳德在实验中发现原子不是一个实心的球体。年进行了一次精确地实

验，实验结果表明：占原子绝大部份的带正电的部份物质集中在很小的范围内。

也就是说原子内部是“空荡荡”的，据此他提出了核式结构模型。但同样存在

局限性。年丹麦物理学家玻尔提出了“行星模型”，并且取得了巨大的成功，

但同样存在局限性，为此年奥地利物理学家薛定谤提出了电子云概念，进

一步完善了“行星模型”，现在我们所熟知的原子模型便是“电子云行星模型”。

至此原子模型终于得到解决了。

放射性与射线

放射性

我们熟知的射线莫过于射线，其次便是伽马射线，阿尔法线，贝塔射线，

正是这些射线拉开了人类利用核能的序幕。年德国物理学家伦琴发现了伦琴

射线即射线，正是因为伦琴射线的发现才使得人类发现了天然放射现象。

年初，法国物理学家贝克勒尔在不经意间发现了，被阳光照射的包裹铀盐的照像

机底片上有黑色轮廓，这是他产生了兴趣。经过个多月研究后，他终于在

年月日发布了这一现象并指出铀盐本身可以发射一种神奇射线。年法国

物理学家居里夫人提出了“放射性”一词，在此基础上居里夫妇提出了一个斗胆

的设想：其他元素兴许也有放射性。随后，斯密特和居里夫妇独立地观察到社化

合物发刖类似的射线，而一些含有铀社混合物的矿石也具有放射性，并且放射性

很强。所以他们便设想：可能还有其他未知元素。在此设想下他们进行了艰难卓

绝的寻觅新元素的工作C终于在年月他们发现了针，同年月他们又发

现了镭。年，物理学家eeve赫维西提出“tracer”概念。

年底，约里奥一居里夫妇在研究阿尔法射线轰击铝的时候，发现了人工放射性。

年，科学家首次用放射性同位素进行生理学研究，之后取得了一系列成果。

射线的应用

在自然界中存在三种天然射线即伽马射线，阿尔法线，贝塔射线除此之外还

有其他多种射线。其中以射线最为著名（与五次诺贝尔奖有关）。最先，科学家

们是用射线来研究原子的组成的，随后科学家们又将射线应用于其他领域，而在

其中以核医学领域与卫生监测领域最为著名。年，伦琴发现伦琴射线，在此

之后随即发现伦琴射线具有穿透作用。年，美国加州大学的科学家发明了第

一台扫描仪（逐点打点式）。年a用整秋r的a大晶体和光电

倍增管阵列创造出高空间分辨率的闪烁照像机。并把这种相机称为树r机（克

服了逐点打点）。.与科e马克奠定了现代医学扫描仪的基础。年

美国浮现了利用射线杀死肉类中螺旋线虫的专利。美国最早于上世纪四十年代

开始进行辐射照保藏食品的研究，当时主要是用于军事上。年发表了对汉

堡包进行辐照杀菌的论文后，美国由此解决了海军食品保存问题。尔后研究遍及

美国多所大学及科研单位。五十年代初前苏联、欧洲和日本也相继进行了广泛

的研究。我国食品辐射照的研究则最早于年开始，年代中在四川、河

南、天津、北京、上海、东北地区、湖南、广东等地相继开展了食品辐照的研究。

（扫描仪种类：射线平面成像，Y照像机Y，计算机（射线）断层扫描

，发射型（一一正电子发射a——

，单光子发射----et»核磁

共振成像，康普顿散射，穆斯堡尔效应。）核素扫描原理：

核素扫描机是一种核医学影像诊断仪器，其基本工作原理是把放射性核素标记化

合物以口服或者注射的形式引入人体，被不同的脏器所吸收、会萃或者排泄，这

些放射性核素可以放射出Y射线，用核素扫描机在体外对脏器逐点扫描探测并

记录放射性药物在人体内的分布情况，由于脏溶对药物的选择性吸收以及同一

脏器中正常组织和病变组织的吸收差异，可将放射性核素在体内的分布情况以

平面图的形式表达出来以显示脏器的位置、形态和大小。除此之外射线还用于

监测与检查。

主要利用以下原理：射线与物质的作用：光子、光电子、康普顿散射等。电子射

线的作用：库仑散射、物致辐射、契连科夫效应等。

二质能方程与正电子

质能方程

结合能

我们知道化学反应的本质是：旧化学键的断裂，与新化学键的形成。旧化

学键的断裂需要吸收能量，而新化学键的形成是释放能量的。但原子核的破裂

是释放能量的。我们又知道原子核是由质子与中子组成的，科学家将分开原子

核所需的能量称之为结合能。有趣的是：原子核中核子的数目愈多结合能愈大。

科学家们将结合能与核子数之比称之为比结合能，又称之为平均结合能。此后

科学家又发现比结合能愈大原子核中核子结合得愈坚固，原子核愈稳定。

质能方程

人们在知道结合能的存在后向来在寻觅测量结合能的方法。直到年爱

因斯坦给出了间接的测量方法即著名的质能方程。质能方程的提出，使人

类看到了解决能源危机的曙光，也使人类更进一步认识到质量是能量的另一种

表现形式，所以“物质就是能量”这句话是止确的。

正电子

在爱因斯坦提出质能方程之后，科学家们便开始努力去证明质能方程的正

确性，但向来没有实质性的成果。年英国物理学家狄拉克在“完善”薛定

四方程时将相对论引入，并给出了狄拉克方程。方程在理论是预言正电子是存

在的，即反物质是存在的，进一步支持了质能方程的正确性。年，中国学

者赵忠尧在研究各元素对硬伽马射线的吸收时，首次发现硬伽马射线在重元素

中存在反常吸收的现象，并做了进一步研究。年，赵忠尧发表了《硬伽马

射线在物质中的吸收系数》与《硬伽马射线的散射理论》等论文。因此，他成

为人类历史上第一个观测到正反物质湮灭和第一个发现反物质的科学家。随后，

又有两位科学家重复做了同样的实验，但可惜的是一位科学家因为操作步骤错

了，另一位科学家因为使用的测量仪器不够灵敏，导致实验未能成功。年

底到年初，法国物理学家约里奥一一居里夫妇在实验室里也观测到了“正

电子”的存在，但他们没有辨认出正电子。年，美国物理学家安德森在“云

室”中得到了一条与电子运动路径相反的粒子轨迹，这就是正电子。正电子的

正式发现又一次证明了质能方程的正确性。年，中国学者何泽慧首次发现

并研究正负电子几乎全部交换能量的弹性碰撞现象。

三核武器与核电站

核裂变

经过爱因斯坦等科学家的努力，使得人类真正看到了“能量无极限”的曙

光。同时，一方面科学家们在“建设”粒子加速器的进程中取得了一个又一个

成果。年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工和反应，这拉开

了人类改良粒子加速器的序幕。年，伽莫夫通过理论计算得出：能量远低

于天然射线的阿尔法粒子也有可能透入原子核内部。年，劳伦斯提出回旋

粒子加速器的理论，并于年首次研制成功。年，考克绕夫特与瓦尔顿

在实验室里完成为了第一个由人工加速的粒子引起的核反应。年，斯莱皮

恩首次提出利用感应电场加速粒子的想法。年，克斯特解决了电子轨道

的稳定问题后，终于建成为了第一台电子感应加速器。而另一方面，人们在

利用核能的理论上也获得了巨大的成果。年初，法国物理学家约里奥一

一居里夫妇

在用中了轰击铀核的实验中发现：生成物中有原了•序数为的元素锢。年

底，德国物理学家哈恩与他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现：

生成物中有原子序数为的元素钢。年，奥地利物理学家迈特纳和弗里施

对此做出了解释；铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎片。弗里施

将这种核反应定名为核裂变。之后科学家们又发现：重核在裂变过程中所产生

的中子会引起新的核裂变，这将意味着重核所产生的中子会使裂变反应一代又

一代的继续下去。科学家将该现象称为链式反应，至此，核能的利用终于迎来

了春天。时隔年后，年春，中国学者钱三强、何泽慧夫妇又发现了铀核

裂变的新方式一一三分裂与四分裂现象（何泽慧首先捕捉到世界上第一例四分

裂径迹）。这一现象不仅反映了铀核特点，而且使人类能进一步探讨核裂变的普

遍性。

。核武器与核电站

核武器

在核能可以利用的理论发表之后，科学家们随即就开始探索利用核能的方

法。年，丹麦物理学家玻尔提出原子核液滴模型，这一液滴模型成为当时

人们理解原子核反应并探索大规模释放核能的途径的可用的理论指导。随后，

中国学者张文裕证明了液滴模型的正确性。年，丹麦物理学家玻尔与物理

学家惠勒基基于液滴模型提出了一种核裂变机制，之后他们又进一步发展与完

善“核液滴模型”。年，中国科学家卢鹤拔级公开指出核能的威力是巨大

的，并预言大规模利用原子能的可能性，在当时还引起了蒋介石的关注。

年，美国为了抢在德国之前爆炸原子弹，也是为了取得反法西斯战争的胜利，

开启了著名的曼哈顿工程。年，中国物理学家提出了一种估算原子弹及原

子堆临界大小的简易方法，因此他被称为“世上第一个公开揭露原子弹秘密的

人”。年月日，由美国物理学家奥本海默等人所研制的的原子弹成功

爆炸，这是人类历史上的第一颗成功爆炸的原子弹，奥本海默也因此成为“原

子弹之父”。（原子弹原理：重核裂变的链式反应。材料：高浓度铀、高浓度

杯。结构：内爆式、枪式。）（年，苏联可能引爆了一颗当量为

吨的“原子弹”O年，德国可能引爆了当量近千吨的“脏弹”）在

年，由美国物理学家泰勒等人所研制的氢弹成功爆炸，泰勒因此成为“氢弹之

父”。（氢弹原理：两个轻核结合成质量较大的核。材料：重氢、超重氢、锂。）

年，由美国物理学家塞姆・科恩等人所研制的中子弹成功爆炸。核武器的

威力是巨大的，当第一颗原子弹爆炸后使得在场的科学家感到了死神的到来。

随后，年月两颗原子弹降落在日本，日本因此迅速投降。（核武器的种类：

核分裂型：原子弹，核融合型：氢弹，分裂融合型：三相弹，氢铀弹等，加强

型，常见的核弹有：原子弹，氢弹，锂弹，中子弹，肮脏弹，钻核弹，冲击波

弹，射线弹，核电磁弹，贫铀弹。拥有核武器的国家，美国，俄罗斯，中国，

英国，法国，印度，巴基斯坦，以色列，朝鲜，日本）

核电站

在天然放射性被发现之后，当时的科学家就认为一块铀矿石所释放的射线

能量是“无穷无尽的”即这种天然射线会持续极长的时间。年，中国科学

家卢鹤统就公开声称：一公斤铀彻底释放的能量相当于近千吨的优质煤所

燃烧释放的能量。确实现在经过精确计算得出了这样的结论：一公斤铀完

全释放的能量相当于约吨的优质煤所燃烧检放的能量。这是多么大的诱惑

啊！但是，要想利用核能，就得先解决重核裂变链式反应可以人为有效控制的

艰巨任务。固然，这个问题最终得到了有效的解决。年，意大利物理学家

又发现：降低了速度的“慢中子”，更容易引起被辐射物质的核反应。年

月，意大利物理学家费米等人在美国建立了世界上第一个称为“核反应堆”

的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放，使人类正真登上了能

源的“新大陆”。年，美国建成第一座余热型核电站。年，前苏联建

成第一座真正意义上的核电站。随后，各国纷纷建立核电站。年，中国第

一座核电站一一秦山核电站建成。核电站类型：压水堆，沸水堆，重水堆，石

墨水冷堆，石墨气冷堆，高温气冷堆，快中子增值堆。核电站工作原理：是利

用原子核内部蕴藏的能量（核裂变或者核聚变所释放的能量）产生电能的新型

发电站。核电站主要“构件”：核岛主要是核蒸汽供应系统（核反应堆，主泵,

稳压器，蒸汽发牛器，安全壳，，危（wei）险冷冻系统：安全注射系统，安全壳

喷淋系统），

常规岛（汽轮发机电），电厂配套设备。现在的核电站主要建在沿河，沿海地区。

四核能的前景与利弊

核能的前景

核聚变与惯性约束聚变

我们知道太阳之所以会不间断的释放巨大的能量，是因为自身太阳能够实

现不间断地热核反应。热核反应所产生的能量是巨大的，所以这“引诱”了科

学家们。科学家们在研究可控制核裂变的同时又另辟了一条蹊径一一研究可控

制的热核反应。年，澳洲物理学家马克•欧力峰发现核聚变程序。年，

英国物理学家考克饶夫首次实现了人为的原子核“衰变”。年，意大利物理

学家费米在利用中子轰击铀核时观测到了一种新兴元素（杯）。年，美国物

理学家汉斯・贝特成功解释了为什么恒星能够在长期里向外释放如此多的能

量的原因一热核反应。年，苏联物理学家阿奇莫维奇等人发明了第一台托

卡马克装置。（托卡马克即环流器：是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形

容器。）年，美国物理学家威廉•福勒与其他三名物理学家发表了《恒星内

部的元素合成》的著名论文，这篇论文描写了恒星内部通过核合成的反应而形

成元素的过程。年，德国物理学家温特堡提出了一个在汇聚冲击波的在金

属外壳中心的重氢与超重氢混合的燃料来实现彻底的核聚变的设想。之后，物

理学家劳森进行了较为深入的研究。年，“美国氢弹之父”泰勒提出惯性约

束聚变的观点。二十世纪五十年代末，纳克尔斯等人利用计算机进行了一系列

关于惯性约束聚变的摹拟。，二十世纪六十年代初他们用计算机完整地摹拟了一

毫克重氢与超重氢燃料产生的内爆。年，激光发明成功。年，科学家

们开始小规模的激光研究以期为约束聚变开辟道路。年，中国物理学家王

溢昌与苏联巴索夫几乎是同时独立地提出了用激光打靶产生核聚变的设想，二

十世纪七十年代初，美国物理学家基普•西格尔开始建造称为激光约束聚

变系统。年，纳克尔斯发表了一篇介绍惯性约束聚变以及可以在干焦级别

上产生聚变的平台。年月日，激光约束系统成功的实现了核聚变。

此后，各国纷纷开始研究激光型核聚变。

核能的前景

核能的前景是不可限量的。主要有以下儿个方面：人造小太阳：实现可控

制的核聚变，用于发电。核聚变一一核裂变型发电站：可以实现在浮现和事故

时，核反应可以在短期内住手。已达到不会浮现热能堆积的二次事故再发生

的目的。（正常核裂变型核反应堆即使在住手向理芯供料的前提下，核反应堆依

然会有正常情况下的产热功率）。核火箭与核电池：据现有的估算核火箭的最

快速度会达到光速的，核电池用于卫星上可以达到延缓卫星退役的时间。而

手提式，家庭式核发电装置将解决人类的能源问题。（前不久美国英国印度等国

浮现了天才级核物理少年，这是曙光）

核能的利与弊

自从日本福岛“”事件发生之后，大家都处于一种“谈核色变”的

尴尬处境之中。反对进一步开辟利用核能的呼声一阵高过一阵，但是我们也有

一个不容忽视的问题一一环境污染急需解决。要想有效的遏制环境污染再也不

进一步加剧，开辟利用核能是现有的最具可行性的方法。因为开辟利用核能有

三大优点一产生同样当量的能量值，核能所需的原料至少，所需的运输费用

最低（相对于其他发电方式）；二产生同样当量的能量值，核能所产生的“

三废”量至少，而其产生的放射性物质也是极少的，少到不足于对人类产生危

害，即对环境生态的负面影响最小（相对于其他发电方式）；三开辟利用核能

有利于人类进•步了解微观领域，也可以及早的实现人类“走出”太阳系，为

人类进一步认识宇宙打下“能源动力”基础。但是我们不能忘记核能还有一个

非常可怕的名字“魔瓶”。一旦这个“魔瓶”被打开那末它所造成的后果不亚于

死神的降临。这并非耸人听闻的，因为我们可以从日本福岛“”事件发生

后所造成的后果就可见一斑。但这还不是人类历史上最早最大的一起核泄漏事

件，现在我们就来看看在此之前的核泄漏事件。三哩岛事件。三哩岛核泄漏

事故，通常简称“三哩岛事件”，是年月日发生在美国宾夕法尼亚

州萨斯奎哈河三

哩岛核电站的一次严重放射性物质泄漏事故。三哩岛核泄漏事故是核能史上第

一起反应堆堆芯融化事故，也是核能史上第一起较大的核泄漏事件。三哩岛核泄

漏事故虽然严重，但未造成严重后果。帕洛玛雷核事故。年月日上

午时分，美国在西班牙再一次发生“折箭”险情。“折箭”的意思是指发

生了“核事故”。在核武器浮现后的几十年里，在此之前，美国发生了次“折

箭”事故。但在国外，这还是第一次。（美国空军年月日执行一次飞

行任务时，于格陵兰图勒空军基地附近的海冰上丢失一枚核弹。即图勒核泄漏

事故）。切尔诺贝利核电厂泄露事故。年月口凌晨时分，切

尔诺贝利核电站号反应堆发生爆炸。吨多强辐射物质混合着炙热的石墨残片

和核燃料碎片喷涌而出。据估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本广岛

原子弹爆炸产生的放射污染的倍。有机构指出截至年，“直接”因核

辐射死亡的人数将近人。报告还估计，大约还有人“可能”死于与放

射有关的疾病，乌克兰共有万人因切尔诺贝利核事故而身患各种疾病，全球

共有亿人口受切尔诺贝利事故影响，万人因此得癌症，其中致死万

人。并浮现黑色现场“死亡之城”公里宽这样的无人区，这是人类有史以来

最大的核泄漏事故。巴西戈亚尼亚葩事件。在巴西的大城市戈亚尼亚，发

生过一起的放射性事故。事故共造成人受到过度照射，人周内死亡。约

人接受监测，人发现受到污染。数百间房屋受到监测，间发现被

污染，整个去污活动产生放射性废物，产生了极大地社会影响。此外还

有英国温德斯格尔火灾，俄罗斯联邦托木斯克事故，俄罗斯核潜艇事故，日本

东海村核事故，美国内华达州丝兰山脉核试验等较大的事故。除此之外还有人

为的核事故。年月，美国用原子弹轰炸日本的广岛与长奇，截止