1、 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。核释放的能量。太阳太阳原子弹爆炸原子弹爆炸1.1 什么是核能爱因斯坦能质定理爱因斯坦能质定理释放原子能的两种方法：释放原子能的两种方法：l核聚变（核聚变（fusion）l核裂变（核裂变（fission）核能的来源核能的来源2mcE 核聚变（核聚变（Nuclear fusion）l指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（
2、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。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的两大优点l核聚变能可为人类提供核聚变能可为人类提供“取之不尽用之不竭取之不尽用之不竭”的能源。的能源。地球上仅在海水中就有地球上仅在海水中就有45万亿吨氘，万亿吨氘，1升海水中所含的氘，经过升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于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
3、出的全部核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裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然万倍，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。有大量锂。l核聚变不会产生污染环境的放射性物质。核聚变不会产生污染环境的放射性物质。核聚变的实现方式核聚变的实现方式l聚变反应需要非常高的温度（上亿摄氏度），以克服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两个带正电的氘核之间的巨大排斥力 l目前主要的几种可控核聚变方式：目
4、前主要的几种可控核聚变方式：超声波核聚变超声波核聚变激光约束（惯性约束）核聚变激光约束（惯性约束）核聚变磁约束核聚变（托卡马克）磁约束核聚变（托卡马克）l目前，实现受控核聚变还存在许多困难，核聚变能的目前，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尚需时日。大规模和平利用还尚需时日。全超导非圆截面托卡马克全超导非圆截面托卡马克 中国新一代热核聚变装置中国新一代热核聚变装置EAST国际热核实验反应堆国际热核实验反应堆ITER 负责这一项目的中国科学院等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离子体所所长李建刚研究员是我校我校78级学员级学员 核裂变（核裂变（Nuclea
5、r fission）l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。形式。l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。一定的能量。l常用的易裂变核：常用的易裂变核：U-233，U-235，Pu-239，Pu-241EEgeEkXXn3BaKrnUn2BaKrnU.nnU10139569436102359210144569036102359210
6、211023592U-235核裂变反应式核裂变反应式lU-235每次裂变平均放出每次裂变平均放出2.43个中子。个中子。12核裂变释放的能量核裂变释放的能量l如何使如何使U235U235原子核中蕴藏的能量释放出来原子核中蕴藏的能量释放出来呢？呢？科学家经过实验和研究发现，当一个铀科学家经过实验和研究发现，当一个铀235原子核在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片），这种现象叫作核裂变。每次
7、核裂变可释放出约200兆电子伏能量和兆电子伏能量和2-3个新的中子。个新的中子。核裂变释放的能量核裂变释放的能量l1个个U-235原子核裂变平均释放的总能量：原子核裂变平均释放的总能量：200MeVl1kgU-235完全裂变释放的能量：完全裂变释放的能量：19,600,000,000 kcal【比较】【比较】化石燃料完全燃烧放出的化学能（化石燃料完全燃烧放出的化学能（4.1eV）：）：1kg标准煤标准煤 7,000 kcal1L重油重油 9,900 kcal1m3天然气天然气 9,800 kcal1kgU-235裂变释放的能量相当于裂变释放的能量相当于2800吨标准煤燃烧释放吨标准煤燃烧释放的
8、能量的能量14核裂变链式反应核裂变链式反应l裂变反应中放出的裂变反应中放出的中子与其它可裂变中子与其它可裂变核碰撞，引起新的核碰撞，引起新的核裂变，放出第二核裂变，放出第二代中子，再引起核代中子，再引起核裂变反应，放出第裂变反应，放出第三代中子，如此持三代中子，如此持续下去的过程。续下去的过程。15维持链式反应的条件维持链式反应的条件l飞走飞走l被吸收，不引起新的裂变被吸收，不引起新的裂变l被裂变核吸收，引起新的裂变被裂变核吸收，引起新的裂变中子数中子数=1，就可使裂变反应持续下去。，就可使裂变反应持续下去。自持型自持型中子数中子数1，裂变反应越来越强。，裂变反应越来越强。发散型发散型中子数中
9、子数1，裂变反应越来越弱。，裂变反应越来越弱。收敛型收敛型16核能特点及其军事应用l核裂变反应放出巨大的能量；核裂变反应放出巨大的能量；l核裂变反应不需要氧气；核裂变反应不需要氧气；l核裂变过程伴随放射性物质的产生。核裂变过程伴随放射性物质的产生。核裂变能利用的特点核裂变能利用的特点 适于作为动力系统；适于作为动力系统；需要采取严格的辐射防护措施；需要采取严格的辐射防护措施；运行管理要求很高。运行管理要求很高。17核动力的军事应用核动力的军事应用核能系统核能系统潜艇核动力装置潜艇核动力装置水面舰船水面舰船核动力装置核动力装置空间核能装置空间核能装置攻击型核潜艇攻击型核潜艇弹道导弹核潜艇弹道导弹
10、核潜艇航空母舰航空母舰巡洋舰巡洋舰驱逐舰驱逐舰核商船核商船空间核电源空间核电源空间核推进装置空间核推进装置核武器核武器18原子弹及核爆原子弹及核爆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q 1896年，发现放射性q 1897年，发现电子 q 1905年，建立质能转换方程q 1911年，提出原子核概念q 1932年，发现中子 q 1938年，发现核裂变。确定自持链
11、式反应核科学的发现是人类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 v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。v冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲 v原子弹、氢弹，特殊性能弹1）核武器种类及原理 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核物理中子物理凝聚态物理计算物理爆轰与冲击波物理等离子体物理流体力学辐射输运理论材料科学与工程
12、加工工艺与制造环境工程实验工程诊断技术与工程总体设计工程电子学工程核武器物理核武器物理+核武器工程核武器工程2）核武器技术及发展 洲际弹道导弹 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q 比威力q 核装料利用率q 干净化程度q 突防能力q 可靠性q 安全性q 生存能力2）核武器技术及发展德国 美国 日本美1056 俄715 英45 法209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
13、家使用核武器。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。国家安全与国防政策的基础，是主权自由发挥和维护重要利益的保障
14、，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 2019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)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
15、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 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）核电站原理稳压器稳压器反应堆反应堆汽轮机汽轮机主泵主泵蒸汽发生器蒸汽发生器发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器循环泵循环泵控制棒控制棒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 美国，Shippingport 原型压水堆核电站、Dresden原型沸
16、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。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
17、 考古3.7 同辐公司及未来发展核技术应用(民用)动力非动力 热中子（常规核电，海陆空天）快中子 同位素 同位素生产 同位素仪表 同位素直接应用反应堆生产加速器生产 辐照 钴源(）加速器辐照（电子）反应堆辐照（中子辐照）加速器产业 电子加速器 质子、重离子加速器3.1概述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 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u环境污染分析,PM2.5u生活/工业废水处理u火电厂烟气脱硫脱硝u垃圾处理厂
18、二恶英 碳碳-14-14考古年代考古年代耶稣基督耶稣基督“裹尸布裹尸布”的传说的传说拿破仑死亡之谜拿破仑死亡之谜三星堆另一支史前文化？三星堆另一支史前文化？微量元素的定性及定量测定微量元素的定性及定量测定第4章 核能在世界能源中的地位与作用4.1 为人类提供长期稳定的能源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v人类生存发展面临能源的严峻挑战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化石燃料资源有限，不可能长期满足人类生存发 展展需要。需要。常规能源有限，几十或数百年将耗尽！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
19、严重威胁直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁 排放大量有害物质：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）。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，天然气相对干净煤污染最严重，石油次之，天然气相对干净v核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！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的经济性v核电站：核电站：建造成本高，燃料成本低建造成本高，燃料成本低 100万千瓦，万千瓦，每年每年30
20、吨吨核燃料（核燃料（235U消耗消耗 1吨）吨）v 煤电站煤电站：低能、耗料量大：低能、耗料量大 建造成本低，燃料成本高建造成本低，燃料成本高 100万千瓦，每年万千瓦，每年330万吨优质煤万吨优质煤(每天每天150节节60吨车皮吨车皮)v在一定条件下，核电成本比煤电低在一定条件下，核电成本比煤电低 2019年美国核电成本每度年美国核电成本每度1.88美分，煤电是美分，煤电是2.07 美分，油电是美分，油电是3.18美分，天然气是美分，天然气是3.52美分。美分。发达国家环保要求，煤电要加脱硫装置，增加煤电发达国家环保要求，煤电要加脱硫装置，增加煤电成本。成本。核电的清洁性核电的清洁性v没有化
21、学燃烧、没有化学燃烧、不排放有害物质不排放有害物质，对保护环，对保护环境有重要意义。境有重要意义。v世界每年排放世界每年排放200多亿吨多亿吨CO2，引起，引起“温室效温室效应应”，给环境造成严重后果（气温上升、生，给环境造成严重后果（气温上升、生态平衡）态平衡）v2019.12:177国参加的日本会京都议，签署了国参加的日本会京都议，签署了削减温室气体排放的削减温室气体排放的京都议定书京都议定书2019-2019：美减：美减7%；欧减；欧减8%；日减；日减6%；100多多个国家批准（中、俄、欧盟、日）个国家批准（中、俄、欧盟、日）v京都议定书京都议定书2019.2.16生效，有生效，有141国批国批准准 核电的安全性核电的安全性 反应堆不是原子弹，决不会发生核爆炸！反应堆不是原子弹，决不会发生核爆炸！v核电站的安全运行在技术上有保障：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。采取多重措施，防止放射性泄漏事故。v 四道屏障保护四道屏障保护：耐高温陶瓷块（包容：耐高温陶瓷块（包容98%放射性产物）；燃料包壳；一回路压力边放射性产物）；燃料包壳；一回路压力边界；安全壳。界；安全壳。谢谢大家！50
