新型能源-化學與社會-核能考試重點

1、n 第二講 核能及其利用n 核能概述n 原子與原子核n 核能的來源n 核能的安全性n 反應堆n 核電站核能概述n 1896年，發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性（貝克勒爾，法國）n 40多位諾貝爾物理學獎或化學獎n 核能相關的核技術：n 加速器技術、同位素制備技術、核輻射探測技術、核成像技術、輻射防護技術及應用核技術等n “小男孩”和“胖子”n 原子彈與核電站n 全面銷毀核武器呼喚和平利用核能原子和原子核n 構成元素的最小單位是原子 n 原子及原子核的構成n 元素符號與核狀態(tài)n 同位素n 放射現(xiàn)象n 半衰期放射現(xiàn)象：1896年法國科學家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾元素能自動地放射出一種穿透力很強的射線，它能透過黑紙使底片感

2、光一九零六年盧瑟福實驗，射線在磁場中被分成三束 核能的原料n 鈾 : 1896年法國物理學家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾具有天然放射性。 1896年法國物理學家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾具有天然放射性以來，由于近百年來世界各國科學家的辛勤探索，人類對物質的微觀結構有了更深刻的了解，而且還掌握了開發(fā)核能的技術，這種清潔、高效的能源在能源短缺的時代也應運而生了。每一種元素的同位素在受到中子或質子轟擊后，多半都會變成一種特定的放射性元素放射性同位素，該同位素是不穩(wěn)定的，會自發(fā)放出a、b、g射線，稱為衰變，這些射線具有一定的穿透力 半衰期： 描述衰變過程的快慢，定義放射性元素的原子核數(shù)因衰變而減少到原有原子核數(shù)一半時所需的時間

3、為半定期；特定常數(shù)，基本不隨外界條件的變動和元素所處狀態(tài)的改變而改變。？有什么應用？ 核能的來源n 人類生活中利用的大多是化學能?；剂先紵龝r燃料中的碳原子與空氣中的氧原子結合，同時放出一定的能量。這種原子結合和分離使得電子的位置和運動發(fā)生變化，從而釋放出的能量稱之為化學能。顯然它與原子核無關。n 如果設法使原子核結合或分離是否也能釋放出能量呢？ n 核能”來源于將核子(質子和中子)保持在原于核中的一種非常強的作用力核力。 n 核力和人們熟知的電磁力以及萬有引力完全不同n 近程作用 & 強大無比 n 原子結合時通常將產生質量虧損 (結合能不同)原子核的結合質量虧損n 科學家在研究原子

4、核結合時發(fā)現(xiàn)，原子核結合前后核子質量相差甚遠。例如氦核是由4個核子(2個質子和2個中子)組成，對氦核的質量測量時發(fā)現(xiàn)，其質量為4.002663原子質量單位；而若將4個核子的質量相加則應為4.032980原子質量單位。這說明氦核結合后的質量發(fā)生了“虧損”，即單個核的質量要比結合成核的核子質量數(shù)大。這種“質量虧損現(xiàn)象”正是緣于核于間存在的強大核力。核力迫使核子間排列得更緊密，從而引發(fā)質量減少的“怪”現(xiàn)象。原子核結合的結合能n 由于各種原子核結合的緊密程度不同，原子核中核子數(shù)不同，因此總結合能也會隨之變化。由于結合能上的差異，于是產生了兩種利用核能的不同途徑：核裂變與核聚變。 n 中等原子質量的核的

5、結合能最大，最穩(wěn)定n 兩種引出核能的方式n 核裂變n 核聚變n 核裂變n 核裂變又稱核分裂將平均結合能比較小的重核設法分裂成兩個或多個平均結合能大的中等質量的原于核，同時釋放出核能。n 重核裂變一般有自發(fā)裂變和感生裂變兩種方式。n 自發(fā)裂變是重核本身不穩(wěn)定造成的因此其半定期都很長。n 如純鈾自發(fā)裂變的半定期約為45億年，因此要利用自發(fā)裂變釋放出的能量是不現(xiàn)實的，100萬kg的鈾自發(fā)裂變發(fā)出的能量一天還不到1kw·h電能。n 感生裂變是重核受到其他粒子(主要是中子)轟擊時裂變成兩塊質量略有不同的較輕的核，同時釋放出能量和中子。核感生裂變釋放出的能量才是人們可以加以利用的核能。 n 定義

6、：n 核聚變又稱熱核反應，它是將平均結合能較小的輕核，例如氘和氚在一定條件下將它們聚合成一個較重的平均結合能較大的原子核，同時釋放出巨大的能量。n 條件：n 由于原子核間有很強的靜電排斥力，因此一般條件下發(fā)生核聚變的幾率很小，只有在幾千萬度的超高溫下，輕核才有足夠的動能去克服靜電斥力而發(fā)生持續(xù)的核聚變。由于超高溫是核聚變發(fā)生必須的外部條件，所以又稱核聚變?yōu)闊岷朔磻?。核素?H氚3H氦3He氦4He中等質量核鈾或钚比結合能(MeV)1.1122.8272.5737.074»8.5»7.6n 可見當鈾或钚裂變?yōu)橹械荣|量核時，每個原子質量約可放出1MeV的能量（裂變能）；當氘、氚

7、或氦3聚合成氦4時，每個原子質量單位約可放出5MeV的能量（聚變能）。最有希望的聚合反應n 由于原子核的靜電斥力與其所帶電荷的乘積成正比，所以原子序數(shù)越小，質子數(shù)越少，聚合所需的動能(即溫度)就越低。因此只有一些較輕的原子核，如氫、氘、氚、氦、鋰等才容易釋放出聚變能。最有希望的聚合反應是氘和氚的反應：  n 它釋放的能量是鈾裂變反應的5倍。2 幾個著名的核反應n 第一次人工核反應（盧瑟福1919）n 第一次引起人工放射性的核反應（居里夫婦1934）n 導致中子發(fā)現(xiàn)的核反應（查德威克1932） （ ）n 第一次由中子引起的核反應（費米1934） 發(fā)現(xiàn) 律，1938年獲諾貝爾獎

8、。n 首次產生超鈾元素（麥克米倫和艾貝爾森，1939） （镎） （钚） 反應堆1. 鏈式反應n 20世紀最激動人心的科學成果之一就是核裂變的利用。鏈式反應是實現(xiàn)大規(guī)?？煽睾肆炎兊年P鍵。n 控制中子數(shù)的多寡就能控制鏈式反應的強弱。最常用的控制中子數(shù)的方法就是用善于吸收中子的材料制成控制棒，并通過控制棒位置的移動來控制維持鏈式反應的中子數(shù)目，從而實現(xiàn)可控核裂變。鎘、硼、鉻等材料吸收中子能力強，常用來制作控制棒。 2. 鏈式反應示意圖每個鈾核裂變時會產生2-3個中子，這些中子又會轟擊其他鈾核，使其裂變并產生更多的中子，這種連續(xù)不斷的核裂變過程就稱之為鏈式反應。n 實現(xiàn)大規(guī)?？煽睾肆炎冩準椒磻难b置稱

9、為核反應堆，簡稱為反應堆，它是向人類提供核能的關鍵設備。n 根據(jù)反應維的用途、所采用的燃料、冷卻劑與慢化劑的類型以及中子能量的大小，反應堆有許多分類的方法。反應堆的分類1. 按反應堆的用途分類：2. 按反應堆采用的冷卻劑分類 3. 按反應堆采用的核燃料分類 4. 按反應堆采用的慢化劑分類 5. 按核燃料的分布分類均勻堆非均勻堆 6. 按中子的能量分類熱中子堆快中子堆 按反應堆的用途分類1. 生產堆：專門用來生產易裂變或易聚變物質。其主要目的是生產核武器的裝料钚和氚2動力堆用作發(fā)電和艦船的動力3試驗堆用于試驗研究它既可進行核物理、輻射化學、生物、醫(yī)學等方面的基礎研究，也可用于反應堆材料、釋熱元件

10、、結構材料以及堆本身的靜、動態(tài)特性的應用研究4供熱堆主要用作大型供熱站的熱源。 按反應堆采用的冷卻劑分類1. 水冷堆它采用水作為反應堆的冷卻劑。2. 氣冷堆采用氦氣作為反應堆的冷卻劑。3. 有機介質堆采用有機介質作反應堆的冷卻劑。4. 液態(tài)金屬冷卻堆采用液態(tài)金屬鈉作反應堆的冷卻劑 按反應堆采用的核燃料分類1)天然鈾堆：以天然鈾作核燃料；2)濃縮鈾堆：以濃縮鈾作核燃料；3)釷堆：以釷作核燃料。 按反應堆采用的慢化劑分類1)石墨堆：以石墨作慢化劑；2)輕水堆：以普通水作慢化劑；3)重水堆：以重水作慢化劑。 動力堆 n 在核能的利用中動力堆最為重要。動力堆主要有輕水堆、重水堆、氣冷堆和快中子增殖堆。

11、n (1)輕水堆 輕水堆是動力堆中最主要的堆型。在全世界的核電站中輕水堆約占85.9。普通水(輕水)在反應堆中既作冷卻劑又作慢化劑。輕水堆又有兩種堆型：沸水堆和壓水堆。前者的最大特點是作為冷卻劑的水會在堆中沸騰而產生蒸汽，故叫沸水堆。后者反應堆中的壓力較高，冷卻劑水的出口溫度低于相應壓力下的飽和溫度，不會沸騰，因此這種堆又叫壓水堆。 n 現(xiàn)在壓水堆是核電站應用最多的堆型，在核電站的各類堆型中約占61.3。通常以濃縮鈾作燃料 重水堆n 重水堆以重水作為冷卻劑和慢化刑。由于重水對中子的慢化性能好，吸收中子的幾率小，因此重水堆可以采用天然鈾作燃料。這對天然鈾資源豐富，又缺乏濃縮鈾能力的國家是一種非常

12、有吸引力的堆型。在核電站中重水堆約占4.5。重水堆中最有代表性的加拿大坎杜堆 氣冷堆n 氣冷堆是以氣體作冷卻劑，石墨作慢化劑。n 氣冷堆經歷了三代:第一代氣冷堆是以天然鈾作燃料，石墨作慢化劑，二氧化碳作冷卻劑。這種堆最初是為生產核武器裝料钚，后來才發(fā)展為產钚和發(fā)電兩用。這種堆型早已停建。第二代稱之為改進型氣冷堆，它是采用低濃縮鈾作燃料，慢化劑仍為石墨，冷卻劑亦為二氧化碳，但冷卻劑的出口溫度已由第一代的400提高到650。第三代為高溫氣冷堆。與前兩代的區(qū)別是采用高濃縮鈾作燃料，并用氦作為冷卻劑。由于氦冷卻效果好，燃料為彌散型無包殼，堆芯石墨又能承受高溫，所以堆芯氣體出口溫度可高達800°

13、;C，故稱之為高溫氣冷堆。n 核電站的各種堆型中氣冷堆約占2-3。除發(fā)電外高溫氣冷堆的高溫氦氣還可直接用于需要高溫的場合，如煉鋼、煤的氣化和化工過程等。 核電站n 1、核電站的組成n 核能的優(yōu)點能量密度高n 核電站和火電站的主要區(qū)別是熱源不同n 核電站的系統(tǒng)和設備通常由兩大部分組成：核的系統(tǒng)和設備，又稱核島；常規(guī)的系統(tǒng)和設備，又稱常規(guī)島。n 目前核電站中占比例最大的是輕水堆核電站，即壓水堆核電站和沸水準核電站。 n 核電與火力發(fā)電的比較核電站的系統(tǒng)以壓水堆核電站為例，有以下主要系統(tǒng)。(1)核島的核蒸汽供應系統(tǒng)1)一回路主系統(tǒng)。2)化學和容積控制系統(tǒng)。3)余熱排出系統(tǒng)。4)安全注射系統(tǒng)5)控制、

14、保護和檢測系統(tǒng)。(2)核島的輔助系統(tǒng)1)設備冷卻水系統(tǒng)2)硼回收系統(tǒng)3)反應堆的安全殼及噴淋系統(tǒng)4)核燃料的裝換料及貯存系統(tǒng)5)安全殼及核輔助廠房通風和過濾系統(tǒng)。6)柴油發(fā)電機組。3)常規(guī)島的系統(tǒng)常規(guī)島系統(tǒng)與火電站的系統(tǒng)相似，它通常包括：1)二回路系統(tǒng)。又稱汽輪發(fā)電機系統(tǒng)，它由蒸汽系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組、凝汽器、蒸汽排放系統(tǒng)、給水加熱系統(tǒng)及輔助結水系統(tǒng)等組成。2)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。3)電氣系統(tǒng)。核電站的安全運行技術1)三道屏障 為防止放射性物質外逸設置了三道屏障：n 燃料芯塊和密封的燃料包殼；n 堅固的壓力容器和密閉的一回路系統(tǒng)；n 安全殼。(2)多重保護n 進行正常停堆。n 因任何原因未能正常停堆

15、時，控制棒自動落入堆內，實行自動緊急停堆。n 如因任何原因控制棒未能插入，高深度硼酸水自動噴入堆內，實現(xiàn)自動緊急停堆。(3)專設安全設施核電站對環(huán)境和人體的影響n 人體能夠耐受一次0.25希沃特的集中照射而不致遭到損傷n 國家規(guī)定:n 從事放射性工作的人員每年不超過0.05希沃特，n 核設施周圍居民每年不超過0.001希沃特，也就是每年不超過1毫希沃特，核電站對人造成的實際劑量比上述限量要小得多。n 中國核工業(yè)集團公司為核電站規(guī)定的管理標準，對周圍居民的照射不得超過0.25毫希沃特/年。 在壓水堆核電廠中， 235U是以一種二氧化鈾（UO2）陶瓷燃料芯塊的形式密封在通常稱作“包殼”的鋯合金管內，然后組裝成