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1、核动力工程与辐射科学,（上）,匡 波上海交通大学 核科学与工程学院 2012年,第一章 核能在能源结构中的地位和作用,1.1“能量”的来源和能源结构1.2 能源利用带来的污染 环境问题,人类生存与发展中最具决定意义的3个要素：物质、能量、信息。,一切能量来自能源，人类维持生命、从事发展的活动都要消耗能量 人类离不开能源；能源是人类生存、生活与发展的主要基础；能源科技、能源利用的发展在人类社会进步中一直扮演极其重要的角色。,何谓能源？能源的结构如何？能源储量如何？,核能利用,核潜艇,核动力航母,核电厂,氢弹,船用核动力,核电,原子弹,核武器,1.1“能量”的来源和能源结构,一、能源发展的里程碑和
2、未来能源需求,人类能源利用史上，大致经历了4个里程碑式的发展阶段：原始社会火的使用，使先祖们在火的照耀下迎来文明社会的曙光；18世纪蒸汽机发明与利用（1784），大大提高生产力，导致欧洲工业革命；19世纪电能使用（1866），极大促进社会经济发展，改变人类生活面貌；20世纪以核能为代表的新能源利用，核能利用使人类进入原子核的微观世界，开始利用原子内部的能量。,相对于其它化石能源，核能的和平利用已充分证明了：核能是重要的清洁能源之一。,未来对能源的要求不仅要储量充足，还必须清洁、安全。,二、能源及其初始来源,什么是“能源”？,科学技术百科全书：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。,日
3、本大百科全书：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”。,大英百科全书：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”。,我国能源百科全书：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”。,地球外部天体（如太阳）,地球本身,星球引力,能源,能源的3个初始来源,来自外部天体的能量,辐射,12/1000,现在全世界一年消耗的能量还不及其万分之一,999/1000,化学能贮存,太阳每秒钟辐射到地球上的能量相当于500多万吨煤燃烧放出的热量
4、；一年就有相当于170万亿吨煤的热量。,估计地热能资源总量相当于世界年能源消费量的400多万倍,所释放的能量比全世界现有能源总量放出的能量大千万倍“无穷的能源”,能源的分类,常规能源,替代能源,一次能源,二次能源,再生能源,化石燃料,三、能源结构及其储量,人工能源,天然存在且未加工或转换的能源,天然能源,热,一次能源转换成其他种类的能源,一次能源和二次能源,地热,风能,核能,太阳能,核能,人类能源消费的变革,18世纪,20世纪2060年代,煤,再生能源,20世纪末,21世纪,能核,天然气,石油,太阳能,煤,天然气,石油,新能源,2000年世界能源结构*,核能在世界能源消费中占8%（2000年）
5、,核电在世界电力能源中占17%（2000年）,电力,总能源,化石能源占总能源的87,化石能源占总电力能源的63。,能 源 储 量,化石能源,再生能源,核能,世界人口过60亿，比19世纪末增加 2倍多，能源消费增加 16 倍多。,化石能源储量有限！,能源消费不断增加！,再生能源,水力,风能,潮汐能,能利用的不足！,规模受环境、季节、地理位置等条件的限制,现有开发技术上的瓶颈,太阳能,核能“无穷的能源”,海洋,核裂变能,核聚变能,铀、钍矿石,如全部利用，能供使用：24002800年,氘（来自海水）、锂,40万亿吨,2千多亿吨,如实现可控核聚变，能供使用上千亿年,1.2 能源利用带来的污染 环境问题
6、,环境污染Environmental pollution,煤、石油等化石燃料的燃烧,汽车排放的尾气,工业生产（如各种化工厂、炼焦厂等）过程中产生的废气,二氧化硫（SO2）悬浮颗粒物（烟雾、粉尘等）氮氧化物（NOx）一氧化碳（CO）等,有害气体,大气污染对环境的影响,“污染大国”,我国大气污染属煤烟型污染。排入大气中90的SO2、70的烟尘、85的CO2来自于燃煤,核能对CO2释放减少的贡献,1.3 清洁的能源 核能,核能是清洁能源,二氧化碳CO2,氮氧化物NOx,二氧化硫SO2,核能没有污染气体排放！,核能：0,核能：0,核能：0,加拿大皮克灵核电厂,日本美滨核电站,中国秦山核电站（浙江海盐）
7、,中国大亚湾核电站（广东深圳）,中国田湾核电站（江苏连云港）,能量转换与核能利用,能源,例：碳或氢原子与氧原子之间的结合（化合反应）燃烧，combustion；来自太阳：极高温下氢原子4个核子结合（fusion，thermonuclear reaction,热核反应）；地球上各种能源，如：生物体（有机体）最终转变为化石燃料。来自于核子间反应：重核裂变（fission）为2个或多个稍轻的核 裂变核能，fission nuclear energy；来自放射性同位素核衰变能的利用（decay energy）；在研：2个轻核聚变（FUSION）为1个稍重的核，释放大量能量 寻找一种实用可行的方法来利用
8、聚变能。,能源本质上来自于原子或核子间各类反应引起的能量变化（释放或吸收）。,能量转换的反应过程,涉及原子的反应是化学反应 两个或多个原子结合（化合）或分离（分解）而形成新物质的过程。化学反应通过共用或交换其轨道电子进行，反应前后原子核并不受影响，反应物质量变化几乎可忽略（放热反应，减小；吸热反应，增加）。涉及核的反应是核反应 核反应过程中既有原子中核子的变化，也存在轨道电子数的变化。核反应的类型有多种：其中大规模产能：裂变与聚变；产能稍小但也很有用：放射性同位素衰变。,各类能量转换的量级,能量转换矩阵,能量可互相转换。下表：现有技术水平条件下各形式能量间转换关系的“能量转换矩阵”,核能转换与
9、应用,核能转化为电能是主要的工业化应用形式。这种转化可以是一步或多步的：单步法：用直接收集装置，直接由核能转化为电能，亦称核电池；两步法：核能通过裂变或聚变转化为热能，然后利用热电效应或热离子效应转化为电能；（如：空天热离子电源）三步法：核能通过裂变或聚变转化为热能，通过加热流体在汽轮机中的热膨胀转化为动能；最后通过发电机由动能转化为电能。（如：核电）第三种方法就是多数裂变型现代核电厂的主要能量转化方式。,1.4 生活中的核能与辐射,什么是辐射？,当原子核处于不稳定的激发状态时，它多余的能量将以放出粒子或电磁波的形式被带出该原子。这种带有能量输出的粒子或波称为核辐射或射线。,辐射是能量传递的一
10、种方式,辐射对人有哪些影响,一次全身大剂量辐射照射对身体的影响,允许标准：公众剂量不超过1mSv/年职业剂量不超过20mSv/年,西弗（又：希沃特，英文Sievert，缩写Sv），一个国际单位制导出单位，用来衡量辐射对生物组织的伤害（剂量当量）。定义：1Sv=1J（辐射能量）/kg。旧时剂量当量还用雷姆单位（又称人体伦琴当量，rem）衡量，1rem=0.01Sv。具体的生物组织伤害不只取决于能量密度，也和不同辐射来源、不同生物，或同一生物不同部分有关。计算时，要考虑进两个额外因子Q（考虑辐射来源）和N（考虑不同生物或同一不同部分），然后逐类按质量（dm）积分计算。,核电站工作危险吗？,允许标准
11、：公众剂量不超过1毫希/年职业剂量不超过20毫希/年（5年）；50毫希/年（1年）,1.5 核能史话,原子模型,原子,原子的尺寸：10-10m,原子核的尺寸：10-15m,原子的放射性,衰变,衰变,衰变,物质自发放出射线的性质叫天然放射性,X射线,天然放射性,质子和中子,强放射性物质,人工放射性,射线和射线,裂变反应,原子核的组成,核能,贝克勒耳,居里夫人,约里奥.居里夫妇,费米,查德威克,哈恩,爱因斯坦,卢瑟福,卢瑟福,伦琴,探知核能微观世界的里程碑,无意中的伟大发现-X射线,1895年11月8日伦琴无意中发现阴极射线管中有射线可以穿过许多物体透视到荧光物质上使其发光。12月22 日，伦琴为
12、夫人拍下了第一张X射线照片。未知的射线 X。,第一位诺贝尔物理学奖获得者（1901）,威廉伦琴,1896年，亨利贝克勒耳研究X射线时偶然发现铀盐能自发长久地放出一种神秘的射线。人们把这种自发放出射线的性质叫天然放射性。,天然放射性的发现,放射性物质,形形色色的天然铀矿石的形态,镭铍,亨利贝克勒耳,硫酸钾铀,极强天然放射性的物质-镭的发现,1898年，居里夫妇发现含有铀或钍的物质，都会有放射性，并发现了强放射性物质-镭。1902年，居里夫妇从沥青矿渣中提炼出钋、镭。,居里夫妇,镭的射线强度是纯铀的900倍,射线和射线的发现,1896年，卢瑟福发现铀和钍的辐射射线被磁场分成三股：,“核子科学之父”
13、卢瑟福,1899年，卢瑟福发现镭的两种辐射，其穿透本领不同：第一种辐射不能贯穿比1/50毫米更厚的铝片，但能产生显著的电离效应。命名为 射线；第二种辐射，能贯穿约半毫米厚的铝片，命名为 射线。,1934 年约里奥.居里夫妇用 射线打击镁、硼、铝，发现在停止打击后，这些元素还不断地放出射线。这些射线的强度逐渐减小，并遵守天然放射元素的衰变规律。,人工放射性的发现,约里奥.居里夫妇,人工制造新物质,稳定的硅；30Ps half life:2.5min,1902年，物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰变理论：有些原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线
14、和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这种特性即放射性。并提出了利用“原子能”的概念。,卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖。,卢瑟福、索迪元素衰变理论（1）,卢瑟福,以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变链系）的线索，发现如下衰变链：索迪也因此及其对同位素起源和性质的研究获1921年诺贝尔化学奖。元素衰变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念，而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。,卢瑟福、索迪元素衰变理论（2）,索 迪,原子核模型,1911年，卢瑟福用射线轰击原子，发现其中有个“原子核”存在。核很小、坚硬、很重并且
15、带正电。由此提出了原子核模型。在1932年发现中子后，前苏联伊凡宁柯和德国海森堡先后提出了原子核是由质子和中子组成的模型（质子和中子统称为核子）,原子核,“量子力学奠基者之一”VK海森堡,质子,中子,卢瑟福,质子的发现,1914年 卢瑟福以阴极射线轰击氢原子 发现质子（氢核）1919年 卢瑟福以加速了的高能 粒子轰击氮原子，发生下面的人工核反应 证实质子的存在：4 He+14 N 17 O+1 H,卢瑟福用镭发射的 粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获1个 粒子后放出1个氢核，同时变成了另一种原子核的结果，18N 17Op。这是人类历史上第一次实现原子核的
16、人工嬗变，使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为新炼金术。,人工嬗变,Transmutation,中子的发现,1920 卢瑟福预言：原子核=质子+“中性粒子”？1930 博特和贝克尔（德）：Be 产生穿透力强的射线（断言）1932 约里奥居里夫妇：Be 产生“中性射线”，以为是 射线。疑惑:射线能量很高?1932 查德威克读了居里夫妇文章，马上进行实验。指出：“中子可能存在”!42He+94Be 126C+n（中子）,查德威克,1932年，海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了“原子核由质子和中子组成”的核结构模型。由于中子不带电荷，不受静电作用
17、的影响，可以比较自由地接近以至进入原子核，容易引起核的变化，因此，它立即被用来作为轰击原子核的理想“炮弹”。中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工控制原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的钥匙，在开发原子能的伟大事业中大显身手。,探索原子核奥妙的钥匙中子,裂变的发现,费米,原子核吸收一个中子只会变成下一个元素。原子核结合力太大，不可能分裂,1944年，哈恩因为发现了“重核裂变反应”，荣获诺贝尔化学奖。,“原子的火花”链式核裂变反应,在铀核裂变释放出巨大能量的同时，还放出23个中子，这23个中子又继续产生另外2 3次裂变反应，放
18、出更多中子，以此类推，宛如雪崩，并释放出更大量的能量，此类反应称为链式反应。,巨大能量,第一颗原子弹的研制曼哈顿计划,1942年美国启动了取名为“曼哈顿计划”的制造原子弹计划，由奥本海默负责。1945年7月16日，美国在新墨西哥州的一个30米高的铁塔上，进行了人类第一次核试验。核爆炸腾起的烟尘若垂天之云，极为恐怖。在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。这颗原子弹的威力，要比科学家们原估计的大出了近20倍。,“原子弹之父”奥本海默,1939年，爱因斯坦写信给美国总统罗斯福，详细阐述了研制原子弹的重要性。,“比一千个太阳还亮”,漫
19、天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。,“原子弹之父”奥本海默,广岛的“小男孩”和长崎的“胖子”,1945年8月6日美国向日本广岛投下原子弹（铀弹），装料为10公斤铀235，当量1.25万吨TNT，因为该弹细长，被称为“小男孩”。,“小男孩”,8月9日，美国又在长崎扔下名为“胖子”的第二颗原子弹（钚弹）。,“胖子”,氢弹的诞生,第一次使用热核反应装置的核聚变试验，1952年11月1日,1952年11月1日，美国采用热核反应装置，进行了人类首次热核反应核聚变试验。1954年3月1日，代号为“城堡行动”的人类第一颗可投式氢弹试验成功。其爆炸力为千万吨级
20、TNT当量，几乎是广岛原子弹的1000倍。热核武器的能量规模及杀伤力远远超过了原子核裂变武器。,氢弹空中爆炸的冷凝云,埃尼威托克的核爆炸,核武器的发展状况,何谓核武器原子弹、氢弹和中子弹及其由它们组装起来的各种导弹统称为核武器。核武器的5种杀伤因素快如闪电、比太阳光还亮的光辐射；形同飓风的冲击波；早期可使人致命的核辐射；斩不断、理还乱的长期放射性污染；电磁脉冲。核武器发展经历了3代第一代为原子弹；第二代为氢弹；第三代是以中子弹为代表的、效应可转换的特种弹。,战略导弹的核弹头,冲击波,我国的第一颗原子弹1964年10月16日15时,核军备竞赛,我国的第一颗氢弹1967年6月17日,原子弹,氢弹,
21、世界上第一座核反应堆The Chicago Pile-1,1942年12月2日下午，美国费米实验室在芝加哥大学的足球场西看台下的网球场，世界上第一座原子核反应堆“芝加哥一号”（CP-1）开始运行，揭开了人类利用原子能的序幕。,“反应堆之父”费米,“芝加哥”一号,“人类于此首次完成自持链式反应的实验并因而肇始了可控的核能释放。”,核能和平利用的历程,1951年，美国利用一座生产钚的反应堆的余热试验发电,1954年，苏联建成世界上第一座核电站,美国、英国和法国相继建成一批核电站,我国秦山核电站于1991年并网发电。,核能的其它应用,宇航、卫星中的核电源,核电池,核能供热,火箭核推进发动机,空间核电站,核能海水淡化,利用核能冶炼钢铁,核能其它应用,宇航、卫星中的核电源,核电池,核电池是利用放射性同位素的射线被物质吸收产生热能，并通过热电转换设备获得电力。,空间核电站,空间热离子核反应堆,火箭核推进发动机,火箭核推进发动机,以热离子元件为发电元件的发电推进两用空间核反应堆动力系统,核能供热,低温核供热站,核能供热,壳式自然循环供热堆,核能海水淡化,海水淡化反应堆装置原理图,利用核能冶炼钢铁,人类的梦想可控聚变反应堆,地球上实现连续聚变反应的条件是温度必须超过82,000,000C,磁约束,托卡马克装置,人类的梦想,等离子体,可控聚变,不可控聚变,目前最高温度1,200,000C,
