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1、核化学概念、应用及安全 Basic nuclear chemistry， applications & safety,梁继东 电话：82663933 E-mail:,1964年10月16日15时,中国在本国西部地区爆炸了一颗原子弹.,蘑菇云,1 核化学的基本概念 核化学（nuclear Chemistry）：研究原子核（稳定性和放射性）反应、性质、结构、分离、鉴定及其应用的一门学科。 核子（nucleon）：指组成原子核的基本粒子，如质子和中子都是核子。,核素（nuclide）：具有确定电荷数（质子数，即原子序数）Z和中子数N的原子核所对应的原子。 例如天然存在的铀元素由三种核素组成，他们的Z

2、都是92，而中子数N分别为234，235和238，他们互称同位素，化学性质相同而核性质不同。 放射性（radioactivity）：不稳定原子核自发放射出、 和射线的现象。,放射性衰变（radioactive decay）：指由原来的核素（母体）或者变为另一种核素（子体），或者进入另一种能量状态的过程。 根据发射出射线的性质可将最常见的衰变方式分为衰变、衰变、衰变，分别放射出射线、 射线、射线。 放射系（radioactive series）：自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变过程。它们经过多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素，这一过程中发生的一系列核反应，被称之为放射系。,核化学

3、方程式 用于表示核变化过程的方程式，只是不用表明核素的状态。书写时要特别遵守两条规则：方程式两端的质量数之和相等；方程式两端的原子序数之和相等；例如：,放射性活度（activity） 通过实验观察得到的放射性物质的衰变速度。 核力（nuclear force）：核子之间特有的相互作用力，强度大，力程短，作用范围在2fm。 质量亏损（mass defect）：原子核的质量小于它所含有的各核子独立存在时的总质量，这两者的差额称为质量亏损，用m表示，说明当核子集合成原子核时要放射出结合能。它的数值越大原子核就越稳定。,核的结合能（nuclear binding energy）：由核子结合成原子核时质

4、量减少了m，根据爱因斯坦的质能关系式（E=mc2）,其能量应该相应地减少，减少的能量即核的结合能，符号用EB. 例如，2H核的结合能为： EB（2H）=mc2=931.5MeVu-10.0023893 u2.2256 MeV,核裂变(nuclear fission):指大核分裂成为小核的过程。普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。 核反应堆(nuclear reactor)：指通过受控核裂变反应获得核能的一种装置。使裂变链反应持续和可控进行的关键在于控制中子的数目，使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数，便形成所谓的自持链反应。,核聚变（nuclear fusion）:有两个或多

5、个轻核聚合形成较重核的过程。轻核聚变时释放的能量比重核裂变释放的能量大得多。 热核反应（thermonuclear reaction）：在极高的温度下轻原子核聚变的过程。当温度足够高时，聚变过程能够持续进行，并放出巨大能量。 如氚和氘实现自持热核反应需要5千万度以上的高温，而氘和氘则需几亿度。目前已实现的人工热核反应是氢弹的爆炸，可控的热核反应尚未实现。,2 核化学反应及应用 2.1 核衰变及应用 （1）核衰变 a.衰变、衰变、衰变 放射性同位素（Radioisotopes）的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。,放射性衰变(radio

6、active decay)是一种过程, 在这种过程中, 原来的核素(母体)或者变为另一种核素(子体), 或者进入另一种能量状态。,核电荷数减少2意味着子核在元素周期表中的位置左移2格, 叫作衰变的位移定则。,衰变的位移定则是，子核在元素周期表中的位置右移1格。,放射性衰变,表1 三种射线基本特征,辐射会使细胞的生长-调节机制受到伤害，以白血细胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。,b.放射性同位素原子数目 放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。随着时间的增加，放射性原子的数目按几何级数减少，用公式表示为： NN0e-t N为经过时间t衰变后，剩下的放射性原子数 0为初始的放射性原子数

7、为衰变常数，是与该种放射性同位素性质有关的常数，=y(t)e-0.693t/，其中指半衰期。,在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变关系。母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素。,放射系 (radioactive series),c.半衰期(half-life) 放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。 所谓半衰期即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。 半衰期是放射性同位素的特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。,表2 常用放射性同位素基本特征参数,放射性核素的半衰期短至10-6 s, 长至

8、1015 a。 衰变反应半衰期的一个重要特征是, 它不受外界条件(温度、压力等)的影响，也不受化合状态的影响。,化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种，但对放射性造成的毒性却无可奈何!,切尔诺贝利4号反应堆爆炸灾难后的几年内，乌克兰014岁儿童中甲状腺癌的发病人数。,d. 放射性活度及其单位,放射性活度(activity)是通过实验观察得到的放射性物质的衰变速率。,SI单位: 为Bq(贝可)，1 Bq相当于每秒发生1次衰变。 旧单位： Ci(居里) ，1 Ci 相当于每秒发生3.71010次衰 变(1 g 镭-226的衰变速率)。 1Ci = 3.71010 Bq 比活度：指样品中某核素的放

9、射性活度与样品总质量之 比，单位为Bqg-1或mCig-1等。,（2）放射性同位素的应用 a.放射性碳-14纪年,碳-14以5730 a 的半衰期发生衰变,Question 1,2005年，埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中, 放射性碳-14的比活度为432 Bqg-1 即 s-1(gC)-1, 而地球上活体植物组织相应的比活度则为756 Bqg-1，试计算该古墓建造的年代。,Solution,b.作为示踪原子 一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。这样，我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，却带有“放射性标记”

10、，用仪器可以探测出来，这种原子叫做示踪原子。 例如：棉花对磷肥有效利用的示踪。,核素示踪技术,植物生长最需要什么？,植物怎样吸收养分？,施肥施在什么部位？,肥料被吸收了多少？,放射性元素标记,研究过程,增加产量,改进技术,c.辐射加工 射线束作为一种高能的微观粒子流，既是能量的载体，又是物质的载体。当它们与材料相互作用时，会产生各种物理学上的和化学上的效应，从而引起材料在成分、结构和性能上的一系列变化，在原来的材料的基础上制备出成分、结构和性能上不同于原来材料的新型材料。,辐射加工举例,辐射交联、固化、接枝、裂解,高分子量100000,橡胶硫化,木材纸浆生产粘胶丝,海洋产多糖类,茶,花卉,水稻

11、,胡萝卜,辐射分解,肥料,D 辐射育种,“原丰早”水稻,全世界20世纪50年代 辐射育种占新品种 9,现在50,“鲁棉一号”棉花,“太幅一号”小麦,我国已培育513个新品种，占世界1/4,每年增产粮、棉、油 3040亿公斤，社会经济效益 60亿元,棉花育种,e.昆虫辐射不育,病虫害令全世界粮食 每年减产3540,1992年，我国棉铃虫灾害严重，5000万亩棉田受灾，减产40，损失1000亿元,耗费250亿美元农药,环境污染,昆虫受到电离辐射照射可使昆虫丧失生殖能力，从而降低害虫的数量，进一步达到防治甚至根除害虫的目的。 国外使用该技术在大面积根除地中海果蝇以及抑制非洲彩蝇方面取得了重大成果。我

12、国用此法对玉米螟、小菜蛾、柑桔大实蝇等害虫的辐射不育研究，也取得了较好的防治效果。,f. 食品辐照保鲜,42个国家批准200多种，30万吨/年,核桃,消毒 灭菌,常温 保鲜,功耗低 无污染,板栗,大蒜,红枣,辐照,g.同位素电池 放射性同位素在进行核衰变时释放的能量，可以用作制造特种电源同位素电池。 这种电池是目前人类进行深空探索唯一可用的能源。 空间同位素电池（如钚-238电池）的特点是：不需对太阳定向，小巧紧凑，使用寿命长。,放射性示踪剂以某种化合物的形式给药.诊断是根据这些放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力。,h.核医学诊断与癌症放射性治疗,放射性药物,99Mo,99mT

13、c,131I,125I,192Ir,153Sm,美国 99mTc 销售 1996年 5.31 亿美元 2000年 7 亿美元 2020年 60 亿美元,全世界每年耗用放射性药物,131I,甲状腺,BNCT,治疗肿瘤,放射性的应用,射线疗法(radiation therapy)是指用高能射线治疗疾病的方法，它是人类战胜癌症的一种重要武器。,32P 60Co 90Sr 125I 131I,14.3 d 5.26 a 28.8 a 60.25 d 8.06 d,137Cs 192Ir 198Au 222Ra 226Rn,30 a 74.2 d 2.7 d 3.82 d 1 622 a,辐射源,半衰期

14、,辐射源 半衰期,医疗设备,加速器、钴源、PET、CT、NMR,发达国家每100万人拥有12台,医用电子直线加速器,全世界1万台，美国900台，年产值180亿美元,我国400万癌症患者，不到100台,“刀”精度 0.1mm,2.2核裂变与核聚变,(1)原子核的结合能 Average binding energy of nuclide,(2) 核裂变 Nuclear fission,(3) 核聚变 Nuclear fusion,在原子核中，中子不带电，质子带正电，同性要相斥，把中子和质子紧箍在一个非常小的空间存在着一股巨大的力，科学家称为核力（比电磁力大130倍）。它只在原子核直径（10-13c

15、m）的很小范围内起作用。 当质子和中子重新组成新原子核时，核力的强大作用使核子间排列的更加紧密，会出现质量减少和放出能量的情况，这种放出的能量被称为原子核结合能。,（1）原子核结合能,核素的平均结合能,核子之间靠核力(nuclear force)结合成原子核，核力是核子之间的短程强吸引力，作用范围为2 fm (10-15 m) 。,质量亏损 (mass defect) 用m表示,E = mc2,减少的能量即核的结合能(nuclear binding energy), 符号用EB,例如, 2H核的结合能为: EB(2H) = mc2 = 931.5 MeVu-1 0.002 389 3 u 2.

16、225 6 MeV,=,Question 2,计算反应 + + 的放射能。 原子量： =58.9332， =2.01410， =59.9529， =1.00783。,平均结合能(average binding energy) 指核子结合为原子核时每个核子平均释放的能量(结合能除以质量数）。例如 2H 核的值为1.112 8 MeV。,Solution,m = 59.9529 + 1.00783 58.9332 2.01410 = 0.01343 (g mol-1) E =mc2 = 1.343 10-5 kg mol-1 (3.00 108 m s-1)2 =1.21 109 kJ mol-1

17、,(2) 核裂变,核裂变(nuclear fission)是大核分裂为小核的过程. 普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。,铀-235的裂变与核武器,发生链反应,爆炸,足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。,任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。,核反应堆,通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数, 以形成所谓的自持链反应(self-sustaining chain r

18、eaction)。,（3 ） 核聚变,核聚变(nuclear fusion) 由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。,热核武器 以聚变反应为基础的核武器,氢弹就是利用装在其内部的一个小型铀原子弹爆炸产生的高温引爆的。,核裂变能：将某个重核分裂，变成中等质量核，中等质量核的结合能要比重核大，因此这个重核的每个核子就要继续发生质量亏损而放出能量。,聚变能：几个轻核相互结合起来变成中等质量核，同样该过程中的核子将继续发生一部分质量亏损，变成能量放出。,由于重核裂变为较轻核和轻核聚变为较重核的过程都是放能反应, 这种趋势就奠定了核能利用的基础。,这是美国对日本投掷的两颗原子弹,全世界第一次知道了什么是

19、原子弹！,前苏联于1954建成世界上第一座核电站；至今已有30多个国家和地区的400多座核电站处在运行之中。 右图列出1995年一些国家核电占各自总电力的百分率。,第二次世界大战结束后，科学家迅速将原子能的利用转向和平用途。,全球核电现状及展望- IAEA报告（2007）,全世界运行中的核电机组有435台，另有29台正在建设之中。美国运行中的核电机组最多，达到103台。法国居次，有59 台。日本紧随其后，有55台，另外还有一台在建。俄罗斯运行中的核电机组为31台，另有七台在建。 在拥有核电的30个国家中，核电所占比例差别很大：法国高达78%、比利时为54%、韩国为39%、瑞士为37%、日本为3

20、0%、美国为19%、俄罗斯为16%、南非为4%和中国为2%。 核电厂的发展目前集中在亚洲：2006年底在建的29台核电机组中有15台在亚洲。最近并网的36台核电机组中有26台在亚洲。,印度目前核电在其总电力中所占份额不到3%，但到2006年底却占到世界核电建设的四分之一，即占世界在建的29座反应堆中的七座。印度的计划到2022年增长8倍，在电力供应中所占比例达到10%；到2052年增长75倍，在电力供应中所占比例达到26%。增长75倍意味着年平均增长9.4%，约与1970年至2004年全球平均核增长率持平。 日本有55座运行中的反应堆和一座在建的反应堆，并计划在未来10年内将核电的电力份额从2

21、006 年的30%提高到40%以上。 韩国刚刚于去年将其第20座反应堆并网，还有一座反应堆在建，另外两座反应堆也已破土动工建造。核电已经占其电力供应的39%。,世界核电发展的几个个阶段,19541960 试验阶段 19611969 实用化阶段 1969上世纪70年代末：大发展阶段 上世纪80年代上世纪末： 低潮阶段 1979年美国三哩岛（TMI）事故 1986年 前苏切尔诺贝利事故 这个阶段，核能仍在持续增长，而且是各种能源中增长速度最快的。同时在法国，日本，韩国，中国等国家，这个阶段仍坚持发展核电。 本世纪初：美国、德国等国家重新修正自己的核电方针，布什政府提出了核电复苏计划，发展中国家也在

22、积极准备筹建核电站，核能在本世纪必将大放异彩。,中国核能发展,自1991年我国第一座核电站秦山一期并网发电以来，我国有6座核电站共11台机组906.8万千瓦先后投入商业运行，8台机组790万千瓦在建(岭澳二期、秦山二期扩建、红沿河一期)。 发展目标: 到2020年，核电运行装机容量争取达到4000万千瓦；核电年发电量达到2600-2800亿千瓦时。在目前在建和运行核电容量1696.8万千瓦的基础上，新投产核电装机容量约2300万千瓦。考虑核电的后续发展，2020年末在建核电容量应保持1800万千瓦左右。,秦山一期核电厂,秦山三期核电厂,大亚湾核电厂厂区,大亚湾核电厂厂区,大亚湾核电厂厂区,田湾

23、核电厂,浙江三门核电厂,安全方面的担心,核废料处理,核动力发电算得上一种清洁能源,舰船核动力,舰船：用于国防、交通、运输、生产、科研和贸易的工具,核动力非常适合于需要长期海上航行而不必更换燃料或者要求有力的水下推进力的舰船。 核动力航空母舰 核潜艇 民用舰船,航空母舰,航空母舰是一种以舰载机为主要作战武器的大型水面舰只。是国家军事、工业、科技水平与综合国力的象征。,目前世界上现役航空母舰共26艘，在建4艘； 建造过的有8个国家，即英国、日本、美国、法国、德国、意大利、西班牙和俄罗斯（前苏联）； 拥有过国家达14个，加上正建造的泰国，总计将达15个； 建成服役的各种类型的航空母舰总数，据统计为3

24、00余艘； 大型的航空母舰长度可达330米，宽度达80米，高度达70米，相当于两个足球场的面积，20层楼的高度 航母可运载100余架飞机以3040节的速度航行。 航母是一个武器库，包括各种歼击机、攻击机、反潜机、预警机、侦察机、加油机、直升机等，而且还包括各种导弹、高炮、高射机枪等武器，以及雷达、声纳及卫星通讯等设备。航母是一个小社会，其中的飞行员、船员、机械师等约有5000到6000人，称为“一片流动的国土” 。,核潜艇,1、续航力大、续航时间长； 2、隐蔽性好； 3、航速高；,世界上在役核潜艇约艘，集中在美、俄、英、法、中五国，但主要由美、俄两国拥有，约艘，其中弹道导弹核潜艇约艘，攻击核潜

25、艇约艘。 核潜艇的排水量约吨，个别的达吨，水下航速多为节，下潜深度一般为米，自给力昼夜。,1954年9月，美国第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号建成服役。,鱼雷攻击型核潜艇,前苏联 “N”级核潜艇,美 “鳐鱼”级核潜艇 穿越北极,美 “洛杉矶”级高速鱼雷攻击型核潜艇,导弹攻击型核潜艇,美 “拉菲特”级核潜艇,中国海军夏级弹道导弹核潜艇出艇,夜色下的国产“汉”级(091型)攻击型核潜艇,1958年，我国开始设计核潜艇， 1968年，中国第艘攻击型核潜艇开工建造。 1970年12月26日，第一艘攻击型核潜艇下水。试航3年多后， 1974年8月1日，中央军委发布命令，将第艘核潜艇命名为“长征一号”，正式编

26、入海军序列。 1982年5月我国建成导弹核潜艇，并从水下成功地发射了弹道导弹。 1988年核潜艇水下导弹发射成功。 09X系列战略核潜艇,核潜艇发射导弹,原子能破冰船,航行在北极海域上的“列宁”号破冰船,“列宁”号破冰船动力回路,周游世界核动力客货船,“萨凡娜”号核商船的强大动力是由一座热功率为8万千瓦的核反应堆提供。压水型反应堆，堆内采用平均浓度为4.4%U5的核燃料，32个燃料组件，初始装料7100公斤的铀（含铀235约312公斤）。一次装料能在时速为20海里航行30万海里。相当于烧地球转12圈。,美 “萨凡娜”号核动力商船,没有常规商船必不可少的冒烟的烟囱,3 放射性污染及控制技术 3.

27、1放射性污染 放射性污染通常是指对人体健康带来危害的人工放射性污染。,（1）放射性污染源 a.核试验的沉降物 自1963年后美国、前苏联等国家将核试验转入地下，由于发生“冒顶”和其它泄漏事故，仍然对人类环境造成污染。 核电站的放射性逸出事故，也会给环境带来散落物而造成污染。由于不充分的实验和设计，美国三里岛核电站于1979年发生严重的技术事故，逸出的散落物相当于一次大规模的核试验。 1986年4月苏联切尔诺贝利核电站泄露事故，污染涵盖了欧洲大部分地区。10年后放射性仍威胁着800万人的声明及健康，后果将延续100年,b.核工业的“三废”排放 核燃料的生产过程产生的放射性废物包括铀矿开采，铀水法

28、冶炼工厂，核燃料精制与加工过程。 核反应堆运行过程产生的放射性废物包括生产性反应堆、核电站与其它核动力装置的运行过程。 核燃料处理过程产生的放射性废物，包括废燃料元件的切割、脱壳、酸溶与燃料的分离与净化过程。,c. 其它各方面的放射性污染 使用医用射线源对癌症进行诊断和医治过程中，患者所受的局部剂量差别较大，大约比通过天然源所受的年平均剂量高出几十倍，甚至上千倍。 一般居民消费用品，包括含有天然或人工放射性核素的产品，如放射性发光表盘、夜光表及彩电产生的照射等。,（2）放射性污染的特点 a.单位质量放射性核素毒性大。损伤效应可能影响遗传，给后代带来隐患。 b.放射性剂量的大小非人的感觉器官所能感知。 c.射线的辐照具有穿透性。 d.放射性核素具有蜕变能力，当形态变化时，可使污染范围扩散。 e.放射性活度只能通过自然衰变而减弱。 f. 种类多，差异大，在处理上相当复杂。,（3）放射性危害 a.放