2021年春九年級物理全冊22.2核能教學課件（新版）新人教版

1、核能二、獲得核能的途徑（2）聚變一、核能 原子核是可以改變的，且在有些改變的過程中還會釋放出巨大的能量，這種能量叫做核能. （1）裂變不受控的鏈式反應(yīng)原子彈氫彈受控的鏈式反應(yīng)核電站裂變重核裂變 質(zhì)量較大的原子核在中子轟擊下分裂成2個質(zhì)量相近的新核，并釋放出能量的過程。 原子彈根據(jù)核裂變的原理制成。屬于不受控制的鏈式反應(yīng)的結(jié)果！ 用中子轟擊鈾核，使鈾核發(fā)生裂變，放出能量. 鈾核分裂時，還同時放出23個中子，又可以轟擊其它鈾核，使它們也發(fā)生裂變. 這些鈾核分裂時，同樣放出中子，從而引起更多的鈾核發(fā)生裂變.于是裂變反應(yīng)便會鏈鎖式地自行持續(xù)下去.這種現(xiàn)象叫做鏈式反應(yīng)。 鏈式反應(yīng)輕核聚變2個質(zhì)量較小的原

2、子核在高溫高壓條件下聚合成質(zhì)量較大的新核，同時釋放出能量的過程。 氫彈根據(jù)核聚變的原理制成。威力比原子彈還大。自然界中，太陽內(nèi)部的溫度高達攝氏1千萬度以上，在那里就進行著大規(guī)模的聚變反應(yīng).太陽輻射出的光和熱，正是由聚變反應(yīng)釋放的核能轉(zhuǎn)化而來的.可以說，地球上的人類每天都享用著聚變釋放出的能量。年10月16日15時（北京時間），中國第一顆原子彈在新疆羅布泊爆炸成功，中國從此成為核俱樂部的第五個成員。 196年 6月17日，中國第一顆氫彈爆炸成功。 設(shè)疑： 核能巨大，難道只能用于戰(zhàn)爭嗎?如何才能有效地控制核能的釋放？核彈頭核能的和平利用核電站使原子核的裂變在可控制的條件下緩慢進行，釋放的核能就可有

3、效地利用。 核能的和平利用核電站 思考：在電站工作過程中，能量是如何轉(zhuǎn)化的？ 核能內(nèi)能機械能電能 田灣核電站秦山核電站嶺奧核電站大亞灣核電站湖北咸寧大畈核電站7月動工 為我國首座內(nèi)陸核電站 效果圖核動力潛艇核動力巡洋艦核動力航母使原子核的裂變在可控制的條件下緩慢進行核地獄切爾諾貝利核電站為防止放射性灰塵沉降時隨呼吸道吸入人體內(nèi)和降落到皮膚上，污染區(qū)的人要及時戴好防毒面具或口罩。也可用濕毛巾捂住口鼻，扎好褲口、袖口、領(lǐng)口，用雨衣、塑料布及床單等就便物品把暴露皮膚遮蓋起來，轉(zhuǎn)入安全地帶。防核幅射：2處于放射性物質(zhì)沉降地區(qū)，應(yīng)關(guān)閉門窗，防止放射性灰塵進入室內(nèi)，盡量減少室外活動，這樣可以減輕核輻射傷害

4、。 國際熱核計劃國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（簡稱國際熱核計劃，英文縮寫為ITER）早在1985年就由原蘇聯(lián)在美蘇日內(nèi)瓦峰會上提出，1986年開始設(shè)計和籌建，1998年基本完成前期工作。國際熱核計劃將歷時35年，總投資額將超過100億美元。目前，該計劃共有7方參與，分別是歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度。歐盟承擔40的研發(fā)費用，其他6方各承擔10 。該計劃是為驗證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設(shè)計的，其原理類似太陽發(fā)光發(fā)熱，即在上億攝氏度的高溫條件下，利用氫的同位素氘、氚的聚變反應(yīng)釋放出核能。核聚變使用的氘、氚可從海水中提取，而且不產(chǎn)生溫室氣體及高放射性核廢料，因此被認為是未來人類能源的希

5、望所在。 與目前的核電站不同，聚變反應(yīng)堆從本質(zhì)上講不會發(fā)生泄漏，所以國際熱核實驗反應(yīng)堆和下一代核聚變反應(yīng)堆不會發(fā)生重大事故。另外，它也不對環(huán)境和周圍居民構(gòu)成威脅。 核聚變發(fā)電的優(yōu)點：能量巨大資源豐富成本低謙安全清潔無染污目前輕核聚變不可控制核能 “核能”來源于保持在原子核中的一種非常強的作用力核力。 核力和人們熟知的電磁力以及萬有引力完全不同，它是一種非常強大的短程作用力。取得核能的方式有兩種：一是目前已達到實用階段的核裂變方式，二是目前還處于研究試驗階段的核聚變方式。 自然界中的所有物質(zhì)，將它們進行化學分解，就能分出氫、氧、鈾等多種元素。這些元素結(jié)合起來便形成物質(zhì)。保持物質(zhì)性質(zhì)的最小單位為分

6、子。分子還可以分成原子，原子是代表元素的最小單位。原子由一個帶正電荷的原子核和圍繞該原子核周圍的帶負電荷的電子組成。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。圖3-1-5 核裂變反應(yīng)示意圖1）核裂變2）核聚變 把一個氘核(質(zhì)量數(shù)為2的氫核)和一個氚核(質(zhì)量數(shù)為3的氫核)在高溫、高壓的環(huán)境下結(jié)合成一個氦核時，也會釋放出核能，這就是所謂的氫核聚變，見圖3-1-6。氫彈就是利用這個原理制成的。氫彈的威力比原子彈要大得多。我們最熟悉的太陽其內(nèi)部就在不斷地進行著大規(guī)模的核聚變反應(yīng)，由此釋放出的巨大核能以電磁波的形式從太陽輻射出來，地球上的人類自古以來，每天都享用著這種聚變釋放出的核能。圖3-1-6 核聚變反應(yīng)示意圖 磁約

7、束是前蘇聯(lián)科學家塔姆和薩哈羅夫提出的，他們期望用環(huán)行磁場這一“無形的河床來約束河水”。磁約束就是利用磁場將高溫等離子體約束在一定的范圍內(nèi)。由于高溫等離子體是由高速運動的荷電粒子（離子、電子）組成，如果利用設(shè)計的磁場來約束高溫等離子體，使帶電粒子只能沿著一個螺旋形的軌道運動，這樣磁場的作用就相當于一個容器了（見圖）。這就是磁約束系統(tǒng)的思想。 受這一思想的啟發(fā)，前蘇聯(lián)物理學家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們在環(huán)形陶瓷真空室外套多匝線圈，利用電容器放電使真空室形成環(huán)形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產(chǎn)生極向磁場。后來又利用不銹鋼真空室代替陶瓷真空室，還改進了線圈的工藝，增加了匝

8、數(shù)，改進了磁場位形，最后成功地建成了一個高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克。托卡馬克(TOKAMAK)在俄語中是“環(huán)形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞的組合，即環(huán)流磁真空室的縮寫。磁約束原理圖螺線管極向場環(huán)形場全超導托卡馬克EAST（原名HT7U）核聚變實驗裝置 核反應(yīng)堆是一個能維持和控制核裂變鏈式反應(yīng)，從而實現(xiàn)核能熱能轉(zhuǎn)換的裝置。核反應(yīng)堆是核電廠的心臟，核裂變鏈式反應(yīng)在其中進行。反應(yīng)堆由堆芯、冷卻系統(tǒng)、慢化系統(tǒng)、反射層、控制與保護系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等組成。 壓水反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng) 核電站 核電站和火電站的系統(tǒng)示意圖 20世紀50年代美蘇等工業(yè)

9、發(fā)達國家在進行核軍備競賽的同時,也競相發(fā)展核電站,前蘇聯(lián)于1954年建成的電功率僅五千千瓦的試驗性的第一所原子能電站和美國于1957年建成的電功率為九萬千瓦的希平港原型核電站等證明了利用核能發(fā)電的技術(shù)可行性,國際上把這些試驗性和原型核電機組稱為第一代核電機組。在這些機組取得的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,20世紀60年代中期以來陸續(xù)建成了一些電功率在30萬千瓦以上的如壓水堆、沸水堆、重水堆等核電機組。不僅進一步證明了核能發(fā)電的技術(shù)可行性,而且也證明了核電的經(jīng)濟性,即在經(jīng)濟上能與火電、水電相競爭。 20世紀70年代因石油漲價引發(fā)的能源危機促進了核電的發(fā)展,當時核電發(fā)展的速度遠大于火電和水電,目前世界上正在商業(yè)運

10、行發(fā)電的四百多座核電機組,絕大部分是在這段時期建成的,稱為第二代核電機組。 目前,國際上開發(fā)的第三代核電堆型都是熱中子堆,如壓水堆、沸水堆、高溫氣冷堆;因為目前還只有熱中子堆能有把握在近期實現(xiàn)商用化,我國第三代核電的堆型是電功率百萬千瓦以上的壓水堆。 熱中子反應(yīng)堆，它是用慢化劑把快中子速度降低，使之成為熱中子（或稱慢中子），再利用熱中子來進行鏈式反應(yīng)的一種裝置。由于熱中子更容易引起鈾235等裂變，這樣，用少量裂變物質(zhì)就可獲得鏈式裂變反應(yīng)。慢化劑是一些含輕元素而又吸收中子少的物質(zhì)，如重水、鈹、石墨、水等。熱中子堆一般都是把燃料元件有規(guī)則地排列在慢化劑中，組成堆芯。鏈式反應(yīng)就是在堆芯中進行的。 反

11、應(yīng)堆必須用冷卻劑把裂變能帶出堆芯。冷卻劑也是吸收中子很少的物質(zhì)。熱中子堆最常用的冷卻劑是輕水（普通水）、重水、二氧化碳和氦氣。 自從核電站問世以來，在工業(yè)上成熟的發(fā)電堆主要有以下三種：輕水堆、重水堆和石墨汽冷堆。 輕水堆又分為壓水堆和沸水堆 。壓水堆：高壓冷卻劑送入反應(yīng)堆，一般冷卻劑保持在120160個大氣壓。在高壓情況下，冷卻劑的溫度即使300多也不會汽化。冷卻劑把核燃料放出的熱能帶出反應(yīng)堆，并進入蒸汽發(fā)生器，通過數(shù)以千計的傳熱管，把熱量傳給管外的二回路水，使水沸騰產(chǎn)生蒸汽 。沸水堆核電站工作流程是：冷卻劑（水）從堆芯下部流進，在沿堆芯上升的過程中，從燃料棒那里得到了熱量，使冷卻劑變成了蒸汽

12、和水的混合物，經(jīng)過汽水分離器和蒸汽干燥器，將分離出的蒸汽來推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。 沸水反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng) 重水堆按其結(jié)構(gòu)型式可分為壓力殼式和壓力管式兩種。 壓力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷卻和重水慢化、沸騰輕水冷卻兩種反應(yīng)堆。這兩種堆的結(jié)構(gòu)大致相同。 重水堆的突出優(yōu)點是能最有效地利用天然鈾。由于重水慢化性能好，吸收中子少，這不僅可直接用天然鈾作燃料，而且燃料燒得比較透。重水堆比輕水堆消耗天然鈾的量要少，如果采用低濃度鈾，可節(jié)省天然鈾38%。在各種熱中子堆中，重水堆需要的天然鈾量最小。此外，重水堆對燃料的適應(yīng)性強，能很容易地改用另一種核燃料。它的主要缺點是，體積比輕水堆大。建造費用高，重水昂貴

13、，發(fā)電成本也比較高。 石墨氣冷堆核電站 所謂石墨氣冷堆就是以氣體（二氧化碳或氦氣）作為冷卻劑的反應(yīng)堆。這種堆經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，產(chǎn)生了三種堆型：天然鈾石墨氣冷堆、改進型氣冷堆和高溫氣冷堆。 天然鈾石墨氣冷堆 是天然鈾作燃料，石墨作慢化劑，二氧化碳作冷卻劑的反應(yīng)堆。 高溫氣冷堆 是石墨作為慢化劑，氦氣作為冷卻劑的堆。它的簡單工作過程是，氦氣冷卻劑流過燃料體之間，變成了高溫氣體；高溫氣體通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，蒸汽帶動汽輪發(fā)電機發(fā)電。 高溫氣冷堆有特殊的優(yōu)點：由于氦氣是惰性氣體，因而它不能被活化，在高溫下也不腐蝕設(shè)備和管道；由于石墨的熱容量大，所以發(fā)生事故時不會引起溫度的迅速增加；由于用混凝土做成

14、壓力殼，這樣，反應(yīng)堆沒有突然破裂的危險，大大增加了安全性；由于熱效率達到40%以上，這樣高的熱效率減少了熱污染。但是高溫氣冷堆技術(shù)較復雜。 2000年1月,在美國能源部的倡議下,10個有意發(fā)展核能利用的國家派專家聯(lián)合組成了“第四代國際核能論壇”(generation nuclear Energy International Forum,簡稱GIF),于2001年7月簽署了合約(Charter),約定共同合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)(Gen)。這10個國家是:美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷。第四代核能系統(tǒng)開發(fā)的目標是到2030年或更早的時間里創(chuàng)新地開發(fā)出新一代核能系

15、統(tǒng),使其在安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展性、防核擴散以及防恐怖襲擊等方面都有顯著的先進性和競爭能力;它不僅要考慮用于發(fā)電或制氫等的核反應(yīng)堆裝置,還應(yīng)把核燃料循環(huán)也包括在內(nèi),組成完整的核能利用系統(tǒng)。 GIF在2002年5月巴黎舉行的研討會上,選定了六種反應(yīng)堆型的概念設(shè)計,作為第四代核能系統(tǒng)優(yōu)先研究開發(fā)的對象。這六種堆型中,有三種是熱中子堆,有三種是快中子堆。屬于熱中子堆的是:超臨界水冷堆;很高溫氣冷堆;熔鹽堆。屬于快中子堆的是:帶有先進燃料循環(huán)的鈉冷快堆;鉛冷快堆;氣冷快堆。 可控熱核聚變堆的前景展望 太陽之所以有這樣大的高溫高壓,是因為它的質(zhì)量是地球的33萬倍,所以它的物質(zhì)之間的相互引力特別大,足

16、以克服帶正電的氫原子核之間的正電斥力,使四個氫原子核聚合成一個氦原子核,就發(fā)出了能量。所以,太陽能本質(zhì)上是核聚變能。 但是,在地球上我們就沒有這樣的條件。由于原子核都帶正電,它們相互間的正電斥力遠遠大于質(zhì)量引力,所以在地球上只能靠人工條件來實現(xiàn)聚變。多年的研究說明把原子核約束到一起的主要途徑有二:磁約束和慣性約束。80年代以來,一些大型托卡馬克(磁約束)裝置取得的試驗成果證明了這些聚變裝置的輸出能量能大于輸入能量,宣告了磁約束受控熱核聚變的科學可行性已被證實。 在此基礎(chǔ)上,歐、美、日、俄四方聯(lián)合開發(fā)的國際熱核試驗反應(yīng)堆ITER已于1988年完成了工程設(shè)計,預期在2020年前建成,其設(shè)計功率為5

17、00MW,等離子體持續(xù)時間大于500s。如果這樣一座大功率的聚變核反應(yīng)堆能如期建成運行,將使聚變發(fā)電的工程可行性得到證實。我國核能發(fā)展戰(zhàn)略 核電燃燒料鏈和煤電燃燒料鏈影響產(chǎn)生的危害比較 廢物量比較上述數(shù)據(jù)的對比分析表明，核電與目前我國能源構(gòu)成中的主體燃煤發(fā)電相比，可以明顯減少二氧化碳的排放，對于環(huán)境保護和生命安全更為有利。當然前提是核電場必須保證安全運行，不發(fā)生核素向環(huán)境超劑量的核事故。核能發(fā)展存在兩個制約因素：一是核事故，二是放射性廢物對生態(tài)和環(huán)境的影響。與燃煤火電廠相比，核電站對環(huán)境的影響主要是放射性污染。核電站排入環(huán)境中的放射性污染物的數(shù)量與反應(yīng)堆類型、電站功率大小、凈化能力、反應(yīng)堆運行

18、狀況等因素有關(guān)。在早期，核電站每年排出的廢水放射性強度較高，一般為幾居里到幾十居里。但20世紀70年代后期以來，年排放的放射性強度大大降低，一般小于5居里。在正常情況下由于核電站采用多重屏障保護，其對環(huán)境的放射性污染很輕微。即使生活在核電站周圍的居民，從核電站排放的放射性核素中接受的輻射劑量，一般也不超過本底輻射劑量的1。只有在核電站反應(yīng)堆發(fā)生堆芯熔化等罕見事故時，才可能對環(huán)境造成嚴重的污染。目前我國使用的核反應(yīng)堆為壓水堆，它有4道安全屏障，在設(shè)計上層層把關(guān)，縱深設(shè)防，萬無一失。因此，盡管反應(yīng)堆有較大的潛在危險，但由于采取了一系列特殊的安全措施，相對而言它比火電更安全。自民用核電站誕生以來，全

19、世界也只發(fā)生過2起較大的事故：1979年美國的三里島和1986年前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故，而且這2起事故均系人為操作失誤引起的。核能1945年8月6日名為“小男孩”的原子彈。這個“小男孩”的巨大毀滅力，令日本廣島核爆中心方圓2公里內(nèi)所有建筑物全部被夷為平地。1964年10月16日15時，我國第一顆原子彈爆炸成功。你知道原子彈為什么會突然放出那么大的能量的呢？隨后，1967年6月17日上午8時20分，我國西部地區(qū)新疆羅布泊上空，我國第一顆氫彈爆炸試驗獲得完全的成功，氫彈和原子彈的原理相同嗎？第二節(jié) 核能 一、核能：在原子核發(fā)生變化時放出的能量。二、獲得核能的兩條途徑是：（1）重核的裂變（2）

20、輕核的聚變對鏈式反應(yīng)不加控制原子彈控制鏈式反應(yīng)速度核反應(yīng)堆不加控制氫彈可控實驗裝置中國環(huán)流器1號裂變 科學家們發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾235時，鈾核會分裂成大小差不多的兩部分，這種現(xiàn)象叫做裂變。 1kg鈾中的鈾核如果全部發(fā)生裂變，釋放出的能量大約相當于2500t的標準煤完全燃燒所放出能量。 用中子轟擊鈾核,鈾核發(fā)生裂變，放出能量。 鈾核分裂的同時放出23個中子，又可以轟擊其它鈾核，使它們也發(fā)生裂變。于是裂變反應(yīng)便會鏈鎖式地自行持續(xù)下去。這種現(xiàn)象叫做鏈式反應(yīng)。鏈式反應(yīng)原子彈就是根據(jù)裂變鏈式反應(yīng)制成的。 核電站 聚變科學家們發(fā)現(xiàn)，某些質(zhì)量較小的原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核時，也能釋放出核能，這種現(xiàn)象叫做核

21、聚變，簡稱聚變。 聚變是獲得大量核能的另一重要途徑氫彈利用輕核聚變現(xiàn)象制成的聚變又叫熱核反應(yīng) 一個氘核由一個質(zhì)子和一個中子組成，一個氚核由一個質(zhì)子和二個中子組成，它們發(fā)生聚變反應(yīng)結(jié)合成由二個質(zhì)子和二個中子組成的氦核時，要放出一個中子，并釋放出核能。 一定質(zhì)量的氘核和氚核聚變時放出的能量要比等量的鈾核裂變時放出的能量大幾倍。 聚變需要在幾百萬攝氏度的高溫下才能發(fā)生，因此聚變又叫熱核反應(yīng)。自然界中的熱核反應(yīng) 自然界中，太陽內(nèi)部的溫度高達攝氏1千萬度以上，在那里就進行著大規(guī)模的聚變反應(yīng)。太陽輻射出的光和熱，正是由聚變反應(yīng)釋放的核能轉(zhuǎn)化而來的?？梢哉f，地球上的人類每天都享用著聚變釋放出的能量。 練習：

22、俄羅斯的切爾諾貝利的核電站事故造成的輻射污染波及了白俄羅斯、俄羅斯及烏克蘭的大片領(lǐng)土。各類輻射病、癌癥、神經(jīng)緊張、居民被迫疏散等后斯影響還深深的留在人們的心中。有的同學提出，既然核電站有這么大的危害，就不用建造核電站。你認為這種觀點合理嗎？提出你的看法。核 能 第二十二章 第節(jié)1原子結(jié)構(gòu)H2O分子以水分子為例：它由一個氧原子和兩個氫原子組成。一、核能H原子由原子核和核外電子組成。（1）氫原子由原子核和一個核外電子組成。原子核有一個質(zhì)子，質(zhì)子帶正電荷，核外電子帶負電荷。二者電荷量相同。O（2） 氧原子由原子核和八個核外電子組成。原子核有八個質(zhì)子和八個中子，由于中子不帶電，所以正負電荷量仍然相同。質(zhì)量較大的原子核發(fā)生分裂或者質(zhì)量較小的原子核相互結(jié)合