精第十五講-核化學的發(fā)展與原子彈

1、軍事化學導論軍事化學導論6 6 核化學的發(fā)展與原核化學的發(fā)展與原子彈子彈3/18/20221前言前言1945.07.16凌晨凌晨5:2945” ，這是一個值得世界上所有愛好，這是一個值得世界上所有愛好和平的人們應該記住的日子：世界上第一枚原子彈爆炸成功。和平的人們應該記住的日子：世界上第一枚原子彈爆炸成功。核爆炸核爆炸 http:/ （Little Boy)原原子彈鈾彈）。子彈鈾彈）。相當相當18000000kg的的TNT爆炸當量爆炸當量3/18/202231945年年8月月9日，一顆名為日，一顆名為“胖子胖子”（Fat Man)的原子彈（钚彈）在長崎落下。的原子彈（钚彈）在長崎落下。3/18

2、/20224原子彈爆炸形成的蘑菇云原子彈爆炸形成的蘑菇云3/18/20225幾個問題幾個問題核武器爆炸的能量是從哪里來的？核武器爆炸的能量是從哪里來的？核爆炸基于什么樣的原理？核爆炸基于什么樣的原理？核武器的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的？核武器的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的？核武器的結(jié)構(gòu)為什么是現(xiàn)在這種樣子？核武器的結(jié)構(gòu)為什么是現(xiàn)在這種樣子？在核武器問世至今的半個多世紀里，關(guān)于核在核武器問世至今的半個多世紀里，關(guān)于核武器發(fā)生了什么故事？武器發(fā)生了什么故事？目前世界上服役核武器的狀況如何？目前世界上服役核武器的狀況如何？全面禁止核試驗后核武器又將如何發(fā)展？全面禁止核試驗后核武器又將如何發(fā)展？3/18/20226萬物生長

3、靠太陽萬物生長靠太陽 太陽中心P(0.1MPa) 1011T(K) 107由里向外分別為太陽核反應區(qū)、太陽對流層、太陽大氣層。其中心區(qū)不停地進行熱核反應，所產(chǎn)生的能量以輻射方式向宇宙空間發(fā)射。其中二十二億分之一的能量輻射到地球，成為地球上光和熱的主要來源。 3/18/202271. 原子及原子核原子及原子核 世界上的一切物質(zhì)都是由帶正電的原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的帶負電的電子構(gòu)成的。原子核包括質(zhì)子和中子，質(zhì)子數(shù)決定了該原子屬于何種元素，原子的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。如一個鈾-235原子是由原子核（由92個質(zhì)子和143個中子組成）和92個電子構(gòu)成的。如果把原子看作是我們生活的地球，那么原子核就

4、相當于一個乒乓球的大小。雖然原子核的體積很小，但在一定條件下它卻能釋放出驚人的能量。3/18/20228原子核的更精細結(jié)構(gòu)原子核的更精細結(jié)構(gòu)3/18/202292. 同位素同位素 質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同或者說原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量數(shù)不同的一些原子被稱為同位素，它們在化學元素周期表上占據(jù)同一個位置。簡單的說同位素就是指某個元素的各種原子，它們具有相同的化學性質(zhì)。按質(zhì)量不同通?？梢苑譃橹赝凰睾洼p同位素。3/18/2022103. 鈾的同位素鈾的同位素鈾是自然界中原子序數(shù)最大的元素。天然鈾的同位素主要是鈾-238和鈾-235，它們所占的比例分別為99.3%和0.。除此之外，自然界中還有微量的鈾-2

5、34。鈾-235原子核完全裂變放出的能量是同量煤完全燃燒放出能量的2700000倍。3/18/2022114.重核裂變重核裂變裂變反應多指核裂變，是一個重原子的原子核分裂為兩個或更多較輕原子核、并在分裂時兩到三個自由中子并釋放巨大能量的過程。裂變時釋放的能量是相當巨大的，1千克鈾全部裂變釋放的能量超過2000噸煤完全燃燒時釋放的熱量。 3/18/2022124. 重核裂變重核裂變裂變反應3/18/2022133/18/2022145. 輕核聚變輕核聚變聚變反應熱核反應，或原子核的聚變反應，是當前很有前途的新能源。參與核反應的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反

6、應（參見核聚變）。熱核反應是氫彈爆炸的基礎，可在瞬間產(chǎn)生大量熱能，但目前尚無法加以利用。如能使熱核反應在一定約束區(qū)域內(nèi)，根據(jù)人們的意圖有控制地產(chǎn)生與進行，即可實現(xiàn)受控熱核反應。這正是目前在進行試驗研究的重大課題。受控熱核反應是聚變反應堆的基礎。聚變反應堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。 3/18/202215核能應用歷史核能應用歷史 核能是人類歷史上的一項偉大發(fā)明，這離不開早期西方科學家的探索發(fā)核能是人類歷史上的一項偉大發(fā)明，這離不開早期西方科學家的探索發(fā)現(xiàn)，他們?yōu)楹四艿膽玫於嘶A?，F(xiàn)，他們?yōu)楹四艿膽玫於嘶A。19世紀末世紀末 英國物理學家英國物理學家湯姆遜湯姆遜

7、發(fā)現(xiàn)了電子。發(fā)現(xiàn)了電子。1895年年 德國物理學家德國物理學家倫琴倫琴發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了X射線。射線。1896年年 法國物理學家法國物理學家貝克勒爾貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性。發(fā)現(xiàn)了放射性。1898年年 居里夫人居里夫人發(fā)現(xiàn)新的放射性元素釙。發(fā)現(xiàn)新的放射性元素釙。1902年年 居里夫人居里夫人經(jīng)過經(jīng)過4年的艱苦努力又發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳。年的艱苦努力又發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳。1905年年 愛因斯坦愛因斯坦提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式。提出質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式。1914年年 英國物理學家英國物理學家盧瑟福盧瑟福通過實驗，確定氫原子核是一個正電通過實驗，確定氫原子核是一個正電荷單元，稱為質(zhì)子。荷單元，稱為質(zhì)子。1932年年 英國物理學

8、家英國物理學家查得威克查得威克發(fā)現(xiàn)了中子。發(fā)現(xiàn)了中子。1938年年 德國科學家德國科學家奧托哈恩奧托哈恩用中子轟擊鈾原子核，發(fā)現(xiàn)了核裂變用中子轟擊鈾原子核，發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象?，F(xiàn)象。1942年年12月月2日日 美國芝加哥大學成功啟動了世界上第一座核反應堆。美國芝加哥大學成功啟動了世界上第一座核反應堆。1945年年8月月6日和日和9日日 美國將兩顆原子彈先后投在了日本的廣島和長美國將兩顆原子彈先后投在了日本的廣島和長崎。崎。1954年年 蘇聯(lián)建成了世界上第一座核電站蘇聯(lián)建成了世界上第一座核電站-奧布靈斯克核電站。奧布靈斯克核電站。3/18/202216 一九三八年十二月，一九三八年十二月，德國科學

9、家哈恩發(fā)現(xiàn)了德國科學家哈恩發(fā)現(xiàn)了鈾被中子轟擊后發(fā)生核鈾被中子轟擊后發(fā)生核裂變反應。裂變反應。核武器核武器3/18/2022171939年年1月，月，德國女科學德國女科學家梅特涅對家梅特涅對原子核裂變原子核裂變作出了解釋，作出了解釋，估算出一個估算出一個鈾核裂變會鈾核裂變會釋放出釋放出2億電億電子伏特的巨子伏特的巨大能量。大能量。3/18/202218原子彈原子彈 原子彈是利用鈾原子彈是利用鈾-235或钚或钚-239等重原子核裂等重原子核裂變反應，瞬間釋放巨大能量達到破壞效果的核變反應，瞬間釋放巨大能量達到破壞效果的核武器，也稱裂變彈。根據(jù)核裝料的不同，可分武器，也稱裂變彈。根據(jù)核裝料的不同，可

10、分為鈾彈和钚彈。以鈾為鈾彈和钚彈。以鈾-235作為核裝料的稱鈾彈，作為核裝料的稱鈾彈，以钚以钚-239作為核裝料的稱為钚彈。作為核裝料的稱為钚彈。1千克的鈾千克的鈾-235或钚或钚-239如果完全裂變，裂變?nèi)绻耆炎?，裂變和衰變過程中總共可釋放約兩萬噸和衰變過程中總共可釋放約兩萬噸TNT當量的當量的能量。能量。 3/18/202219原子彈的結(jié)構(gòu)原子彈的結(jié)構(gòu)3/18/202220原子彈的結(jié)構(gòu)原子彈的結(jié)構(gòu)3/18/202221原子彈的結(jié)構(gòu)原子彈的結(jié)構(gòu)3/18/202222氫彈是利用氫的同位素氘、氚等輕原子氫彈是利用氫的同位素氘、氚等輕原子核的聚變反應瞬時釋放出巨大能量而實現(xiàn)核的聚變反應瞬時釋放

11、出巨大能量而實現(xiàn)爆炸的核武器，亦稱聚變彈或熱核彈。氫爆炸的核武器，亦稱聚變彈或熱核彈。氫彈的殺傷破壞因素與原子彈相同，但威力彈的殺傷破壞因素與原子彈相同，但威力比原子彈大得多。原子彈的威力通常為幾比原子彈大得多。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸梯恩梯當量，氫彈的威力則可百至幾萬噸梯恩梯當量，氫彈的威力則可大至幾千萬噸。還可通過設計增強或減弱大至幾千萬噸。還可通過設計增強或減弱其些破壞因素，其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能比原子彈其些破壞因素，其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能比原子彈更好。更好。氫氫 彈彈3/18/202223氫彈的結(jié)構(gòu)氫彈的結(jié)構(gòu)3/18/202224氫彈的結(jié)構(gòu)氫彈的結(jié)構(gòu)3/18/202225氫彈空中爆炸氫彈空中爆炸

12、的火球的火球 3/18/202226核爆炸方式核爆炸方式空中核爆炸高空核爆炸地面核爆炸地下核爆炸水下核爆炸http:/ 永備工事個人防護 主要是利用地形地物，采取正確的動作。3/18/202230世界上首批核武器的研制歷史世界上首批核武器的研制歷史美國的曼哈頓計劃蘇聯(lián)的原子彈研制美蘇核軍備競賽英國的原子彈研制法國的原子彈研制德國的早期核科學研究印度奉行的核武器政策核爆下的軍演http:/ 朝鮮核問題朝鮮核問題，是指朝鮮開發(fā)核應用能力而引起的地區(qū)安全和外交等一系列問題，相關(guān)方為美國、中國、韓國、俄羅斯和日本。朝核問題始于20世紀90年代初。當時，美國根據(jù)衛(wèi)星資料懷疑朝鮮開發(fā)核武器，揚言要對朝鮮的

13、核設施實行檢查。朝鮮則宣布無意也無力開發(fā)核武器，同時指責美國在韓國部署核武器威脅它的安全。第一次朝鮮半島核危機由此爆發(fā)。 3/18/202233朝鮮核問題朝鮮核問題1994年5月30日，聯(lián)合國安理會提出對朝鮮進行核項目調(diào)查并對其進行制裁。1994年6月，美國前總統(tǒng)卡特前往平壤斡旋，與朝鮮政府達成了朝核問題框架協(xié)定，此一協(xié)議是朝鮮核危機的直接淵源。按照朝核問題框架協(xié)定的要求，朝鮮必須凍結(jié)其各種核項目，并在所有核設施上加裝監(jiān)控系統(tǒng)，禁止一切關(guān)閉項目的重啟。 因擔心朝鮮發(fā)展核武器，1994年10月21日，美國與朝鮮在日內(nèi)瓦簽署了一項關(guān)于朝核問題的朝美核框架協(xié)議，朝鮮凍結(jié)其核設施，美國牽頭成立朝鮮半島

14、能源開發(fā)組織，負責為朝鮮建造輕水反應堆并提供重油，以彌補朝鮮停止核能計劃造成的電力損失。此后，寧邊5兆瓦反應堆中8000根乏燃料棒被取出封存。3/18/202234朝鮮核問題朝鮮核問題2001年，美國總統(tǒng)喬治沃克布什（George Walker Bush）上臺后，美國對朝政策變?yōu)閺娪?，并?002年初將朝鮮與伊朗、伊拉克一起稱為“邪惡軸心”，媒體披露的美國核態(tài)勢審議報告也將朝鮮列為使用核武器的對象之一。2002年10月美國總統(tǒng)特使、助理國務卿凱利訪問平壤后，美國宣布朝鮮“已承認”鈾濃縮計劃，并指控朝鮮正在開發(fā)核武器。朝鮮則表示，朝鮮“有權(quán)開發(fā)核武器和比核武器更厲害的武器”。同年12月，美國以朝

15、鮮違反朝美核框架協(xié)議為由停止向朝提供重油。隨后，朝鮮宣布解除核凍結(jié)，拆除國際原子能機構(gòu)（IAEA）在其核設施上安裝的監(jiān)控設備，重新啟動用于電力生產(chǎn)的核設施。2003年1月10日，朝鮮政府發(fā)表聲明，宣布再次退出不擴散核武器條約，但同時朝鮮表示無意開發(fā)核武器。朝鮮核危機正式爆發(fā)。 3/18/202235朝鮮核問題朝鮮核問題為使朝核問題和平解決，中國政府積極斡旋，于2003年4月促成有朝鮮、中國、美國參加的朝核問題三方會談。2003年8月，中國在北京舉行有中國、朝鮮、韓國、美國、日本、俄羅斯參加的朝核問題六方會談，并確立了通過談判和平解決朝核問題的原則。截至2008年6月，六方會談已進行到第6輪。

16、3/18/202236核武器技術(shù)的和平利用核武器技術(shù)的和平利用核爆聚變電站人工造湖改變氣候3/18/202237核能發(fā)電核能發(fā)電 核能發(fā)電的過程核能發(fā)電的過程核能核能水和水蒸氣的內(nèi)能水和水蒸氣的內(nèi)能發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能電能。電能。優(yōu)點：優(yōu)點： 1.核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。 2.核能發(fā)電不會產(chǎn)生加重地球溫室效應的二氧化碳。核能發(fā)電不會產(chǎn)生加重地球溫室效應的二氧化碳。 3.核能發(fā)電所使用的鈾燃料，除了發(fā)電外，沒有其他的用途。核能發(fā)電所使

17、用的鈾燃料，除了發(fā)電外，沒有其他的用途。 4.核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，故核能電廠所使用核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，故核能電廠所使用的燃料體積小，運輸與儲存都很方便，一座的燃料體積小，運輸與儲存都很方便，一座1000百萬瓦的核能電廠一年百萬瓦的核能電廠一年只需只需30公噸的鈾燃料，一航次的飛機就可以完成運送。公噸的鈾燃料，一航次的飛機就可以完成運送。 5.核能發(fā)電的成本中，燃料費用所占的比例較低，核能發(fā)電的成本核能發(fā)電的成本中，燃料費用所占的比例較低，核能發(fā)電的成本較不易受到國際經(jīng)濟情勢影響，故發(fā)電成本較其他發(fā)電方法為穩(wěn)定。較不易受到國際經(jīng)濟情勢影響，故發(fā)電成本較其他

18、發(fā)電方法為穩(wěn)定。 3/18/202238核能發(fā)電核能發(fā)電 核能發(fā)電的過程核能發(fā)電的過程核能核能水和水蒸氣的內(nèi)能水和水蒸氣的內(nèi)能發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能電能。電能。缺點：缺點： 1.核能電廠會產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過之核燃料，雖核能電廠會產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過之核燃料，雖然所占體積不大，但因具有放射線，故必須慎重處理，且需面對相當大然所占體積不大，但因具有放射線，故必須慎重處理，且需面對相當大的政治困擾。的政治困擾。 2.核能發(fā)電廠熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱核能發(fā)電廠熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環(huán)境裏，故核能電廠的熱污染較嚴重。到環(huán)境裏，故核能電廠的熱污染較嚴重。 3.核能電廠投資成本太大，電力公司的財務風險較高。核能電廠投資成本太大，電力公司的財務風險較高。 4.核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉(zhuǎn)。核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉(zhuǎn)。 5.興建核電廠較易引發(fā)政治歧見紛爭。興建核電廠較易引發(fā)政治歧見紛爭。 6.核電廠的反應器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，如果在事故中釋放到外核電廠的反應器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，如果在事故中釋放到外界環(huán)境，會對生態(tài)及民眾造成傷害。界環(huán)境，會對生態(tài)及民眾造成傷害。 3/18/202239核能是可持續(xù)發(fā)展的能源核能