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1、二、核能应用,2014年10月,核能应用原理 核能的应用 核技术应用,目 录,第 1 章 核能应用原理,1.1 什么是核能1.2 核科学技术的发展,核能（或称原子能）是通过转化原子核质量而从原子核释放的能量。,太阳,原子弹爆炸,1.1 什么是核能,爱因斯坦能质定理,释放原子能的两种方法：,核聚变（fusion）核裂变（fission）,核能的来源,核聚变（Nuclear fusion）,指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。,核聚变的两大优点,核聚变能可为人类提供“取之不尽用之
2、不竭”的能源。地球上仅在海水中就有45万亿吨氘，1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。核聚变不会产生污染环境的放射性物质。,核聚变的实现方式,聚变反应需要非常高的温度（上亿摄氏度），以克服两个带正电的氘核之间的巨大排斥力 目前主要的几种可控核聚变方式： 超声波核聚变激光约束（惯性约束）核聚变磁约束核聚变（托卡马克） 目前，实现受控核聚变还存在许多困难，核聚变能的大规模和平利用还
3、尚需时日。,全超导非圆截面托卡马克,中国新一代热核聚变装置EAST,国际热核实验反应堆ITER,负责这一项目的中国科学院等离子体所所长李建刚研究员是我校78级学员,核裂变（Nuclear fission）,又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。一般由重的原子（主要是指铀或钚）分裂成较轻的原子的一种核反应形式。一个重核吸收一个中子分裂成两个轻核，同时放出数个中子和一定的能量。常用的易裂变核：U-233，U-235，Pu-239，Pu-241,U-235核裂变反应式,U-235每次裂变平均放出2.43个中子。,12,核裂变释放的能量,如何使U235原子核中蕴藏的能量释放出来呢？ 科学家经
4、过实验和研究发现，当一个铀235原子核在吸收了一个能量适中的中子后，这个原子核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的原子核（裂变碎片），这种现象叫作核裂变。每次核裂变可释放出约200兆电子伏能量和2-3个新的中子。,核裂变释放的能量,1个U-235原子核裂变平均释放的总能量：200MeV1kgU-235完全裂变释放的能量：19,600,000,000 kcal【比较】化石燃料完全燃烧放出的化学能（4.1eV）：1kg标准煤 7,000 kcal1L重油 9,900 kcal1m3天然气 9,800 kcal1kgU-235裂变释放的能量相当于2800吨标准煤燃烧释放的能量,14,核裂变链式
5、反应,裂变反应中放出的中子与其它可裂变核碰撞，引起新的核裂变，放出第二代中子，再引起核裂变反应，放出第三代中子，如此持续下去的过程。,15,维持链式反应的条件,飞走被吸收，不引起新的裂变被裂变核吸收，引起新的裂变,中子数=1，就可使裂变反应持续下去。自持型中子数1，裂变反应越来越强。发散型中子数1，裂变反应越来越弱。收敛型,16,核能特点及其军事应用,核裂变反应放出巨大的能量；核裂变反应不需要氧气；核裂变过程伴随放射性物质的产生。, 核裂变能利用的特点 适于作为动力系统；需要采取严格的辐射防护措施；运行管理要求很高。,17,核动力的军事应用,核能系统,潜艇核动力装置,水面舰船核动力装置,空间核
6、能装置,攻击型核潜艇,弹道导弹核潜艇,航空母舰,巡洋舰,驱逐舰,核商船,空间核电源,空间核推进装置,核武器,18,原子弹及核爆,The mushroom cloud of the atomic bombing of Nagasaki, Japan in 1945 rose some 18 kilometers (11miles) above the bombs hypocenter.,1.2 核科学技术的发展,1896年，发现放射性 1897年，发现电子 1905年，建立质能转换方程 1911年，提出原子核概念 1932年，发现中子 1938年，发现核裂变。确定自持链式反应,核科学的发现是人类
7、认识世界的重大进步核科学的应用是人类在20世纪的重要创造,20,第 2 章 核能的应用,2.1 核武器 1）核武器种类及原理 2）核武器技术及发展 3）核武器现状及未来,核武器,利用原子核反应在瞬间释放的巨大能量而起杀伤破坏作用的武器。 冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲 原子弹、氢弹，特殊性能弹,1）核武器种类及原理,核武器研制的关键问题核材料材料的生产原子弹的临界质量、临界与裂变点火的技术途径、高能炸药爆轰规律等氢弹聚变材料的点燃、利用适当的材料和构形实现热核爆炸等,2）核武器技术及发展,核武器技术：核武器物理 + 核武器工程,2）核武器技术及发展,核武器的投射,洲际弹道导弹
8、 战略轰炸机 陆、海、空“三位一体” 现代核威慑力量,2）核武器技术及发展,核武器的性能评价及技术发展方向 比威力 核装料利用率 干净化程度 突防能力 可靠性 安全性 生存能力,2）核武器技术及发展,核武器分代及新型核武器,核武器的出现德国 美国 日本核试验美1056 俄715 英45 法209,3）核武器的现状及未来,可部署核弹头的最新统计美2150 俄2430 英185法、中、印、巴、以、朝,2018年前美俄可部署战略核弹头限制在1550枚,美 国,核武器作用：核威慑、核实战并重，保持战略稳定， 对盟国延伸保护。使用原则： 拒绝承诺不首先使用核武器，承诺不对缔结并遵守NPT无核国家使用核武
9、器。发展趋势： 核与非核结合，进攻与防御结合，陆海空天一体化、信息化作战，从精确打击向全球快速打击发展。主要机构： 能源部下属的洛斯阿拉莫斯、劳伦斯里弗莫尔、圣迪亚等3个国家实验室以及5个核军工厂,3）核武器的现状及未来,俄罗斯。确保国家安全的最重要因素，维持国际战略平衡和保持大国地位。放弃“不首先使用”，转到“先发制人”的核打击。主要研究机构是俄罗斯联邦核中心-全俄试验物理科学研究院,3）核武器的现状及未来,英国。防止潜在侵略者威胁国家关键利益。最低限度核威慑战略，与美国和北约核战略联系紧密。911事件后从强调第二次核打击能力转向先发制人。主要机构是埃德玛斯顿原子武器院。,法国。国家安全与国
10、防政策的基础，是主权自由发挥和维护重要利益的保障，是大国地位的象征和体现。主要机构是原子能委员会军事应用部，负责研制、试验和生产，下设里梅尔-凡伦顿中心负责核弹头设计研究。,中国。保持有限的核反击力量，遏制他国可能的核攻击。不首先使用核武器，自卫防御核战略，在国家遭受核袭击时，使用导弹核武器或联合其他军种核力量，实施反击。主张全面禁止和彻底销毁核武器。,不扩散核武器条约NPT 1968年开放，70年生效全面禁止核试验条约CTBT 1996年联大通过 核裁军进程 国际原子能机构（IAEA）的作用 核出口供应集团（NSG）与核出口委员会(Zangger),国际社会消除核武器的努力,3）核武器的现状
11、及未来,国际热点核问题 印度、巴基斯坦、以色列、朝鲜的核问题 伊拉克、伊朗、日本的核问题 核走私与恐怖主义威胁,2.2 核 电,1）核电站原理2）世界核电发展的三个阶段3）核电站反应堆技术的发展,定义：装配了核燃料以实现大规模可控链式核裂变反应的装置。reactor,反应堆,分类：用途、中子能量、核燃料、慢化剂、冷却剂。,1）核电站原理,应用：海、陆、空、天。,核电站，又称核电厂，以铀、钚等作燃料，将裂变反应中产生的能量转变为电能的发电厂。,1）核电站原理,1951年世界第一次核能发电,1954年世界第一座试验核电站,2）世界核电发展的三个阶段,试验示范阶段（19461965） 美国，Ship
12、pingport 原型压水堆核电站、Dresden原型沸水堆核电站；苏联，100MW原型石墨沸水堆和265MW原型压水堆；英、法、加、西德等选择使用天然铀核电站路线。,高速发展阶段（19661980）欧美日经济快速发展，担心石油供应+核电经济性，制定庞大核电计划。美国于19661973年签约170GW。美国开始大规模出口经济性占优的浓缩铀反应堆技术，法、瑞、日、西德等国先后改变技术路线；苏联及东欧核电快速发展；发展中国家购买核电厂，引进技术。,2）世界核电发展的三个阶段,滞缓发展阶段（1981）石油危机使经济发展减缓；大规模采用节能措施；天然气的大规模使用；核电经济性下降；核电管理滞后；核事故
13、的影响。,3）核电站反应堆技术的发展,第3章 核技术应用,3.1 概述3.2 工业3.3 农业3.4 医疗3.5 环保3.6 考古3.7 同辐公司及未来发展,3.1概述,油田测井技术烟雾报警仪辐照交联接枝改性辐照轮胎料位计X射线探伤等离子束辐射加工集装箱检测等安防系统,3.2 工 业,辐射育种示踪剂昆虫不育技术种子太空照射食品保鲜辐照灭菌,3.3 农 业,同位素造影术,肿瘤放射治疗,放射性诊断医学示踪剂技术消毒灭菌药物作用机理研究生物医学研究,核医学,3.4 医 疗,环境污染分析, PM2.5生活/工业废水处理火电厂烟气脱硫脱硝垃圾处理厂二恶英,3.5 环 境,碳-14考古年代,耶稣基督“裹尸
14、布”的传说拿破仑死亡之谜三星堆另一支史前文化？,微量元素的定性及定量测定,3.6 考 古,英 国 Isotron辐照公司，Amersham 阿默萨姆（全球同位素药物标记物等最大的生产商）加拿大 MDS Nordion 诺迪安 （最大的60Co生产商）美 国 Sterigenics辐照公司， Steris Isomedix辐照公司， Canberra 核仪器公司，Raychem（世界首家辐射加工高技术跨国公司）比利时 IBA （世界上最大的辐照加速器成套设备生产公司）中 国 中国同位素与辐射公司同辐技术的发展趋势,3.7 同辐公司及未来发展,第4章 核能在世界能源中的地位与作用,4.1 为人类提
15、供长期稳定的能源4.2 核电是经济清洁安全的新能源,4.1 为人类提供长期稳定的能源,人类生存发展面临能源的严峻挑战 化石燃料资源有限，不可能长期满足人类生存发 展需要。 常规能源有限，几十或数百年将耗尽！ 直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁 排放大量有害物质： 一氧化碳、烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳（温室效应）；三、四苯芘（强致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。 煤污染最严重，石油次之，天然气相对干净核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！,4.2 核电是经济清洁安全的新能源,核电的经济性核电站：建造成本高，燃料成本低 100万千瓦，每年30吨核燃料（235U消耗 1吨） 煤电站：低能、耗
16、料量大 建造成本低，燃料成本高 100万千瓦，每年330万吨优质煤 (每天150节60吨车皮)在一定条件下，核电成本比煤电低 1999年美国核电成本每度1.88美分，煤电是2.07 美分，油电是3.18美分，天然气是3.52美分。 发达国家环保要求，煤电要加脱硫装置，增加煤电成本。,核电的清洁性没有化学燃烧、不排放有害物质，对保护环境有重要意义。世界每年排放200多亿吨CO2，引起“温室效应”，给环境造成严重后果（气温上升、生态平衡）1997.12: 177国参加的日本会京都议，签署了削减温室气体排放的京都议定书2006-2010：美减7%；欧减8%；日减6%；100多个国家批准（中、俄、欧盟、日）京都议定书2005.2.16生效，有141国批准,核电的安全性 反应堆不是原子弹，决不会发生核爆炸！核电站的安全运行在技术上有保障： 采取多重措施，防止放射性泄漏事故。 四道屏障保护：耐高温陶瓷块（包容98%放射性产物）；燃料包壳；一回路压力边界；安全壳。,谢谢大家！,50,
