1、1I I 为人类谋福的核为人类谋福的核核能的利用核能的利用我国的秦山核电站我国的秦山核电站2 一、一、 能源简介能源简介1.1.分类分类按来源按来源太阳能太阳能地球本身蕴地球本身蕴藏的能量藏的能量地球和其他地球和其他天体相互作天体相互作用而产生的用而产生的能量能量按基本按基本形态形态一次一次能源能源二次二次能源能源按性质按性质燃料性燃料性能源能源非燃料非燃料性能源性能源3 能源分类（按基本形态）能源分类（按基本形态）4不同形式能的品位熵值越小熵值越小的能品位的能品位越高，反越高，反之则越低。之则越低。 不同形式能的品位不同形式能的品位5二、二、 化石燃料的应用与污染化石燃料的应用与污染1.1.
2、煤：煤：存储量大且转存储量大且转化为热、电能等的技化为热、电能等的技 术相对简单。术相对简单。 大约平均每吨煤燃大约平均每吨煤燃烧排放出烧排放出二氧化硫二氧化硫 3030千克，颗粒尘千克，颗粒尘3030千克。千克。 北京的冬日，由北京的冬日，由于燃煤取暖，造于燃煤取暖，造成大气污染成大气污染67 密度小、容易开采、便于运密度小、容易开采、便于运输、输、 发热量比煤炭高发热量比煤炭高1 1倍。倍。石油燃烧的产物主要是石油燃烧的产物主要是COCO、 COCO2 2、氮氧化合物、二氧化、氮氧化合物、二氧化以及各种碳氢化合物。以及各种碳氢化合物。 2. 2. 石油：石油：8 3. 3. 天然气：天然气
3、：天然气燃烧产生的灰分极少，与煤、石油相比，天然气燃烧产生的灰分极少，与煤、石油相比，是一种较清洁的能源。是一种较清洁的能源。 天然气的大量开采会引起地表沉降。天然气的大量开采会引起地表沉降。 9 资源缺乏资源缺乏10三、21世纪核能时代 核能的优点：核能的优点： （1 1）可产生惊人能量；）可产生惊人能量； （2 2）核燃料储量丰富；）核燃料储量丰富； （3 3）核能发电较经济；）核能发电较经济； （4 4）核能是清洁的能源；）核能是清洁的能源； （5 5）核能能量密集，运输量小。）核能能量密集，运输量小。 11核能的广泛应用考古考古地质地质国防国防原子弹爆炸原子弹爆炸 12 医学医学交通运
4、输交通运输X X光照射下的光照射下的人手指人手指13II II 核是如何工作的核是如何工作的核能的产生与应用原理核能的产生与应用原理 14一、 核反应核反应则是外来粒子与核中的质子和中核反应则是外来粒子与核中的质子和中子相互作用，使原子核受到激烈的扰动。子相互作用，使原子核受到激烈的扰动。核反应可以为核衰变，核裂变和核聚变核反应可以为核衰变，核裂变和核聚变三类。三类。 15（一）（一） 核衰变核衰变1.1.定义：定义：原子核自发地发生核结构的改变称为原子核自发地发生核结构的改变称为 核衰变或放射性衰变。核衰变或放射性衰变。2. 2. 类型：类型： 衰变衰变 衰变衰变 衰变衰变正电子衰变正电子衰
5、变电子俘获电子俘获16(1) 衰变射线是氦射线是氦- -核（又称核（又称粒子），用粒子），用 或或 表示。表示。42He2422286Rn2184842PoHe+每次每次衰变后使质量数减少衰变后使质量数减少4 4，质子数，质子数减少减少2 2。 17(2) 衰变：粒子是电子，用粒子是电子，用 或或 表示，表示， 射射线是高速粒子流。线是高速粒子流。0 -1e0-110n11P0-1e+每次每次衰变后质量数都不变，而质子数衰变后质量数都不变，而质子数增加增加1 1。 18(3) 衰变：射线是波长很短的电磁辐射（高能量的射线是波长很短的电磁辐射（高能量的光子），用光子），用 表示。表示。 衰变表示
6、损失能量，既不改变质量数，衰变表示损失能量，既不改变质量数，也不改变质子数。也不改变质子数。0019 (4) (4)正电子衰变：正电子衰变： 正电子用正电子用 表示。表示。01e11P10n01e+(5)(5)电子俘获：电子俘获：核从内层俘获一个电子，使质子转变为中子。核从内层俘获一个电子，使质子转变为中子。11P0-1e+10n203. 3. 半衰期半衰期符号：符号：定义：半衰期是一放射性元素衰变到原定义：半衰期是一放射性元素衰变到原 来一半数量所需时间。来一半数量所需时间。公式：公式：T12N N0 0：放射性元素衰变之前的数目：放射性元素衰变之前的数目 N N：衰变到某一时刻：衰变到某一
7、时刻t t时剩下的该核的数目时剩下的该核的数目N=N0e-t （为衰变常数为衰变常数）21t=3.32T12lgN0N式式2T12=Ln2 =0.693 式1当当N=N02时，时， t=T1/222例题 例例1 1 通过分析测定某岩石，有通过分析测定某岩石，有1 1mgmg铀铀- -238238就有就有0.2750.275mgmg铅铅-206-206，试计算此岩石，试计算此岩石的年龄的年龄。23 解：解：假设现在岩石中铀假设现在岩石中铀-238-238总量为总量为1 1mgmg，则此岩石中，则此岩石中原有铀原有铀-238-238的总量为的总量为1 1mgmg加上衰变为铅加上衰变为铅-206-2
8、06的量：的量： 查 表 知查 表 知 半 衰 期半 衰 期 =4.5=4.51010 代入式代入式2 2计算：计算： 答：此岩石的年龄为答：此岩石的年龄为1.71.710109 9年。年。923892U = 1mg +238206 0.257mg=1.297mg23892UT12Nt=3.32T12lgN0=3.324.5 109lg0.2971.000=1.7109（年）（年）244. 4. 天然放射系天然放射系 钍系：母体是（钍系：母体是（T T1/21/2为为1.411.4110101010年）年）, ,系系列中有列中有1313种核素种核素25 铀系：母体是（铀系：母体是（T T1/2
9、1/2为为4.514.5110109 9年）年）, ,系列中系列中有有1919种核素；种核素；26 锕系：母体（锕系：母体（T T1/21/2为为7.17.110108 8年）年）, ,系列中有系列中有1717种核素。种核素。27（二）（二）核裂变、原子弹与核电站核裂变、原子弹与核电站1.1.定义：定义：用中子打击重原子核而使原子核用中子打击重原子核而使原子核 分裂的反应。分裂的反应。较重碎核较重碎核 + + 较轻碎核较轻碎核 + + 中子中子2352359292U U1 10 0n n+ +裂变产物一般仍具放射性。可裂变物质有U-235，U-233，Pu-239等。282.2.核裂变链式反应
10、核裂变链式反应中子诱发中子诱发U-235U-235裂裂变形成链式反应变形成链式反应链反应链反应的过程的过程“链收敛链收敛”幸存中子数平均不到幸存中子数平均不到1 1 “链发散链发散”幸存中子数平均大于幸存中子数平均大于1 1293.3.临界质量临界质量为什么金属铀在一般情为什么金属铀在一般情况下不会发生链式裂变况下不会发生链式裂变反应而自发爆炸反应而自发爆炸? ?天然铀块质量小且可裂变的天然铀块质量小且可裂变的U-235U-235只有只有0.711%,99%0.711%,99%以上均为不能发生连续裂变的以上均为不能发生连续裂变的U-U-238.238.在有中子反射层时在有中子反射层时, ,U-
11、235U-235的临界质量为的临界质量为1010kg.kg.304.4.原子弹原子弹 让裂变反应所让裂变反应所释放的能量不释放的能量不断积聚，则可断积聚，则可以在瞬间酿成以在瞬间酿成巨大的爆炸，巨大的爆炸，这就是制造原这就是制造原子弹的基本原子弹的基本原理理。 原子弹的基本构造原子弹的基本构造31核弹爆炸过程示意图 0秒秒爆炸爆炸11秒秒振波振波37秒秒对流风对流风110秒秒蘑菇云蘑菇云325. 5. 核电站核电站基本工作原理：基本工作原理： 控制幸存中子数恰好为控制幸存中子数恰好为1,1,使核裂变链式反使核裂变链式反应在一定程度上连续进行，反应产生的能量加应在一定程度上连续进行，反应产生的能
12、量加热反应堆核心的水，产生蒸汽推动发电机工热反应堆核心的水，产生蒸汽推动发电机工作作 。 33反应堆的结构： 控制棒控制棒中子反射层中子反射层核反应堆核反应堆冷却剂冷却剂壳体壳体轻水型轻水型 重水型重水型 石墨型石墨型 减速剂减速剂压缩的铀压缩的铀天然的铀天然的铀核燃料核燃料34v控制棒控制棒: : 控制链反应控制链反应, ,用中子吸用中子吸收截面大但本身又不发生裂变的收截面大但本身又不发生裂变的B,Cd,HfB,Cd,Hf等制成等制成; ;35v中子反射层中子反射层: :阻止中子逃到阻止中子逃到堆外，一般用石墨或铍做成；堆外，一般用石墨或铍做成；36慢中子引发链式反应慢中子引发链式反应慢中子
13、引慢中子引发的链式发的链式反应过程反应过程37轻水堆核电站 沸水反应堆核电站示意图沸水反应堆核电站示意图 压水反应堆核电站示意图压水反应堆核电站示意图 38增殖反应堆 在可裂变的在可裂变的U-235U-235燃料外面放一燃料外面放一层不裂变的物质层不裂变的物质U-238U-238和和Th-232Th-232，里面，里面的的U-235U-235作为中子源，作为中子源，U-235U-235产生的中子产生的中子使使U-238U-238和和Th-232Th-232发生链反应，分别转发生链反应，分别转变为可裂变的变为可裂变的PU-239PU-239和和U-233,U-233,将将U-238U-238增殖
14、成增殖成PU-239PU-239。 39核电站的冷却设备 裂变核电站裂变核电站的发电效率约的发电效率约为为303033%33%，大约大约67%67%的热的热能的废热形式能的废热形式出现。出现。 核电站的冷却塔核电站的冷却塔40( (三三) ) 核聚变、氢弹与核聚变、氢弹与聚变电站聚变电站1.1.定义：定义：由由2 2个或多个轻原子核聚合成个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程为核聚变。一个较重的原子核的过程为核聚变。2.2.太阳中的氢核聚变：太阳中的氢核聚变：聚变反应示意图聚变反应示意图41 3.3.核聚变的条件：核聚变的条件： 需要高能量以克服两个带正电核之间需要高能量以克服两个带正电
15、核之间 的巨大排斥力。的巨大排斥力。4.4.氢弹的制造原理氢弹的制造原理: : 利用一个小的原子弹作为引爆装置，产利用一个小的原子弹作为引爆装置，产生瞬间的高温引发上述聚变反应发生强生瞬间的高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。不控制的聚变反应是氢弹的基烈爆炸。不控制的聚变反应是氢弹的基础。础。42 5.5.聚变电站聚变电站: : 燃料为氘，氚燃料为氘，氚受控核聚变反应点火的条件：受控核聚变反应点火的条件：1 1）高温）高温2 2）等离子体的约束）等离子体的约束3 3）耐高温容器）耐高温容器43核聚变的优点：核聚变的优点： (1) (1)释放能量巨大释放能量巨大 (2) (2)无放射性污染，无难于
16、处理的废料无放射性污染，无难于处理的废料 (3) (3)原料丰富。原料丰富。44二、二、 放射量及其单位放射量及其单位1.1.放射性活度：放射性活度： 贝可勒尔（贝可勒尔（BqBq） 1Bq=1s1Bq=1s 居里（居里（CiCi） 1Ci=3.71Ci=3.71010-110Bq2.2.照射量与照射量率：照射量与照射量率：照射量：库仑每千克空气（照射量：库仑每千克空气（C/kgC/kg） 伦琴（伦琴（R) 1R=2.58R) 1R=2.5810 C/kg10 C/kg照射量率：照射量率： C/kgC/kgs R/ss R/s-445 3.3.吸收剂量与吸收剂量率：吸收剂量与吸收剂量率：吸收剂
17、量：吸收剂量： 焦尔每千克（焦尔每千克（J/kg） 戈瑞（戈瑞（Gy） 1 Gy=1 J/kg 拉德（拉德（Rad） 1 Rad=10 Gy吸收剂量率：吸收剂量率：Gy/s Rad/s-246 4.4.剂量当量与剂量当量率：剂量当量与剂量当量率： 剂量当量：剂量当量： 希沃特（希沃特（Sv） 1Sv=1J/kg 雷姆（雷姆（Ram） Ram=0.01Sv 剂量当量率（剂量当量率（H）：）：Sv/h Ram/h47三、 核反应的能量1.1.爱因斯坦质爱因斯坦质- -能公式：能公式：E=E=mcmc2例例2 2试计算试计算1 1克克U-235U-235按下式裂变时所产按下式裂变时所产生的能量：生的
18、能量：nKrBanU109136142561023592348 解：解：nKrBanU1091361425610235923摩尔质量摩尔质量（g/mol）235.0439 1.00867 141.9092 90.9056m=(141.9092+90.9056+31.00867)- (235.0439+1.00857) =-0.2118g/mol=-0.211810-3kg/mol49molKJmolJmolsmkgsmmolkgmcE/109035. 1/109035. 11009035. 1)109979. 2()/102118. 0(101312213218321克克U-235放出的能量放
19、出的能量:gKJE/101 . 80439.2351109035. 171050化石燃料放出的能量化石燃料放出的能量: :gKJKHgmolKJHgCOgOCrmr/44. 5)15.298(:1/5 .393),()()(22石墨v1 1克煤完全燃烧克煤完全燃烧: :v1 1克石油完全燃烧克石油完全燃烧: :gKJKHgmolKJKHlOHgCOgOlHCrmr/7 .47)15.298(:1/1044.5)15.298()(9)(8)(225)(32228851v1 1克天然气完全燃烧克天然气完全燃烧: :gKJKHgmolKJKHlOHgCOgOgCHrmr/6 .55)15.198(:
20、1/890)15.298()(2)()(2)(222452 例例3 3 试计算试计算1 1克克H-2 H-2 和和 H-3 H-3 按下式按下式发生聚变时放出的能量发生聚变时放出的能量: :nHHH10423121摩尔质量摩尔质量g/mol2.01355 3.01550 4.00150 1.00867 53解解:m=(4.00150+1.00867)-(2.01355+3.01550) =-0.01888g/mol =-0.0188810-3kg/molE=mc2=(-0.0188810-3kg/mol) (2.998108ms-1)2 =-1.6971012kgm2s-2mol-1 =-1.
21、697109kj/mol1g:KJmolggmolKJE891037. 3/)016. 3014. 2(1/10697. 1542.核平均生成能核的平均生成能核的平均生成能核平均生成能是指中子与质子形成核时所放核平均生成能是指中子与质子形成核时所放出的能量。出的能量。55v最稳定的核是质量数接近最稳定的核是质量数接近6060的核；质量数的核；质量数大于大于6060的核能量较高，不稳定；小于的核能量较高，不稳定；小于6060，则，则进入高能量区。进入高能量区。v裂变：能量较高的重核分裂成质量中等，裂变：能量较高的重核分裂成质量中等，能量也低的核，核中的每个核子都从较高的能量也低的核，核中的每个核
22、子都从较高的能量状态降到较低能量状态而释放能量；能量状态降到较低能量状态而释放能量；v聚变：将较轻的核合成质量中等的核，从聚变：将较轻的核合成质量中等的核，从而释放更多的能量。而释放更多的能量。56 例例3 3使用核的平均生成能图，粗略计算使用核的平均生成能图，粗略计算1 1克克U-235U-235按下式裂变释放出的能量按下式裂变释放出的能量。57 解解：从图可查知核的平均生成能为从图可查知核的平均生成能为 可按照求化学反应的生成热的方法计算可按照求化学反应的生成热的方法计算HmHm 1g1g铀裂变的焓变为：铀裂变的焓变为：答：答：1 1g g铀铀-235-235裂变放出能量裂变放出能量858
23、5GJGJ。58III III 核核 一柄双刃剑一柄双刃剑 放射性对环境的危害放射性对环境的危害海湾战争中装束海湾战争中装束奇异而又无奈的奇异而又无奈的沙特平民沙特平民59一、无形杀手一、无形杀手放射性污染放射性污染1. 1. 放射性污染的特点放射性污染的特点 (1)(1)持续性持续性(2)(2)难以消除难以消除(3)(3)滞后性滞后性602. 2. 射线射线 (1)(1)射线射线: : 穿透力较小，在空气中易被吸收，外照穿透力较小，在空气中易被吸收，外照射对人的伤害不大，但其电离能力强，进入人体后射对人的伤害不大，但其电离能力强，进入人体后会因内照射造成较大的伤害会因内照射造成较大的伤害(2
24、)(2)射线射线: :是带负电的粒子，穿透能力较是带负电的粒子，穿透能力较 强；强；(3)(3)射线射线: :是波长很短的电磁波，穿透能力极强对是波长很短的电磁波，穿透能力极强对人的危害最大。人的危害最大。613. 3. 放射性物质进入人体的途径放射性物质进入人体的途径放射性物质主要通过食物链经消化道进入人体；其次是放射性尘埃给呼吸道进入人体；通过皮肤吸收的可能性很小。 放射性物质进入人体的途径放射性物质进入人体的途径 624. 4. 放射性物质的机体效应放射性物质的机体效应急性效应急性效应 : :慢性效应慢性效应: : 癌症、白血病、皮肤、肺、卵巢、造血器官出现恶性肿瘤、免疫能力降低、遗传障
25、碍等。在妊娠期间受到辐射极易使胚胎死亡或形成畸胎。 头痛、头晕、食欲不振，睡眠 障碍等神经系统和消化系统的 症状，继而出现白细胞和血小 板减少甚至导致死亡。635.5.不同辐射量及其后果不同辐射量及其后果 64二、放射性污染的来源二、放射性污染的来源1. 1. 天然辐射来源：天然辐射来源： 天然辐射源是自然界中天然存在的放射性物质。天然辐射所产生的总辐射水平称为天然本底放射，它是判断环境是否受到放射性污染的基本准则。65 地球上存在于土壤、岩石、水和大气中的放射性 物质； 宇宙间高能粒子构成的宇宙线，以及在这些粒子 进入大气层后与大气中的氧、氮原子碰撞产生的 次级宇宙线。662. 2. 人工辐
26、射源人工辐射源 (1) (1) 核工业核工业核燃料生产过程：包括铀矿的开采、冶 炼、精制和加工过程。 核反应堆运行过程 :一是反应堆材料中 的某 些元素在中子照射下生成的放射性活化物； 二是由于封闭裂变产物的燃料元件盒由于包 壳微小破坏而产生的裂变产物 67 核燃料后处理过程：含有裂变产物的废气和含有放射性物质的废水以及不能再使用的放射性固体废物，其包括有半衰期长、毒性大的核素。 意外事故:1979年的美国三里岛核泄漏 1986年的前苏联的切尔诺贝利核爆炸事故 倒塌的切尔诺贝利倒塌的切尔诺贝利68迄今最严重核事故一览v1957年9月29日，前苏联乌拉尔山中的秘密核工厂“车里雅宾斯克65号”一个
27、装有核废料的仓库发生大爆炸，迫使苏联当局紧急撤走当地11000名居民；v1957年10月7日：英国东北岸的温德斯凯尔一个核反应堆发生火灾，这次事故产生的放射性物质污染了英国全境，至少有39人患癌症死亡；v1967年夏天：前苏联“车里雅宾斯克65号”用于储存核废料的”卡拉察湖“干枯，结果风将许多放射性微料吹往各地，当局不得不撤走了9000名居民；69v1971年11月9日：美国明尼苏达州”北方州电力公司“的一座核反应堆的废水储存设施发生超库存事件，结果导致5000加仑放射性废水流入密西西比河，其中一些水甚至流入圣保罗的城市饮水系统；v1979年3月28日：美国三里岛核反应堆因为机械故障和人为的失
28、误而使冷却水和放射性颗料外逸，但没有人员伤亡；v1979年8月7日：美国田纳西州浓缩铀外泄，结果导致1000人受伤；70v1986年1月6日：美国俄克拉马一座核电站因错误加热发生爆炸，结果造成一名工人死亡，100人住院；v1986年4月26日：前苏联切尔诺贝利核电站发生大爆炸，其放射性云团直抵西欧，造成约8000人死于辐射导致的各种疾病。71 2. 2. 核试验核试验 3.3.医疗照射医疗照射 72 核并不可怕核并不可怕 核污染的防护与治理核污染的防护与治理73一、人体中的天然放射性一、人体中的天然放射性 一些放射性核素所在的重要器官和组织74二、辐射防护二、辐射防护1. 1. 辐射防护标准辐
29、射防护标准我国放射性防护规定中有关剂量当量的规定752. 2. 辐射防护方法辐射防护方法(1)(1)时间防护：时间防护：人体受照射时间越长，所人体受照射时间越长，所 接受的辐射量越大。接受的辐射量越大。(2)(2)距离防护：距离防护：人距离辐射源越近，受照量越大人距离辐射源越近，受照量越大76(3)(3)屏蔽防护：屏蔽防护：射线的防护射线的防护 ：几张纸或薄的：几张纸或薄的铝膜，即可将其吸收。铝膜，即可将其吸收。 射线的防护：有机玻璃、烯基射线的防护：有机玻璃、烯基塑料及铝板等。塑料及铝板等。射线的防护：高密度物质，如射线的防护：高密度物质，如足够厚度的铝、铁、钢、混凝土等足够厚度的铝、铁、钢
30、、混凝土等材料。材料。 773.3.核电站的保护衣核电站的保护衣核电站的选址核电站的选址 核电站的选址要求非常严格，必须是地震强度低和地壳稳定的“安全岛”，必须符合环境保护的要求。78v核电站反应堆核电站反应堆 燃料：燃料：3%3%的的U-235U-235和和97%97%的的U-238U-238，且分成小块，且分成小块分散放置；分散放置； 控制棒：使能量释放有控制地缓慢进行；控制棒：使能量释放有控制地缓慢进行； “负反应性温度系数负反应性温度系数”：温度超过一定限度，：温度超过一定限度，反应自行停止；反应自行停止； 燃料装卸和反应均用计算机控制。燃料装卸和反应均用计算机控制。79v三道屏障三道
31、屏障第一道是高强度的锆第一道是高强度的锆 金包壳金包壳第二道是压力壳第二道是压力壳第三道是安全壳第三道是安全壳秦山核电站核反应堆秦山核电站核反应堆穹顶合龙穹顶合龙80三、三、放射性废物的治理放射性废物的治理1. 1. 放射性废物的分类放射性废物的分类 812.2.放射性废物的处理方法放射性废物的处理方法 (1) (1) 放射性废液的处理放射性废液的处理稀释排放稀释排放 浓缩贮存浓缩贮存 回收利用回收利用 82(2) (2) 放射性固体废物的处理放射性固体废物的处理对铀矿渣的处理对铀矿渣的处理: :对废铀矿渣目前采用的是对废铀矿渣目前采用的是 土地堆放或回填矿井的处理方法。土地堆放或回填矿井的处
32、理方法。 固化法固化法。放射性固体废物在处置前一般须加。放射性固体废物在处置前一般须加 以固定，以防止放射性物质的浸出和迁移。以固定，以防止放射性物质的浸出和迁移。 83 天葬: 把核废料固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，在棺材外穿上隔热外套。航天飞机把棺材带入预定的轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推火箭把它送入3000米的轨道上。84水葬 将核废料装入密封的合金棺，通过液压传动装置将棺材由海底管道输送到海床上的某一个管道系统，转向装置把它推进到一个预先钻好的竖井内，当竖井装满核废料后，就用混凝土密封起来。85火葬 把放射性物质放入深坑内，用特制的盖子盖好。空气净化器上的一根导管从盖子插入坑内，坑内装4个碳电极，电极接通后，电极之间就会产生一股强大的电流，使坑内泥土在高温下开始熔化，核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。当熔化的泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质。最后用泥土把坑封死。 863.放射性废气的处理 对于低放射性废气，特别是含有半衰期短的放射性物质的废气，一般可通过高烟筒，直接稀释排放。 对于含有粉尘或半衰期长的放射性物质的废气，则需经过一定的处理，再通过高烟筒稀释排放。
