核能原理及應(yīng)用

核能原理及應(yīng)用演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/291能源與環(huán)境學(xué)院（優(yōu)選）核能原理及應(yīng)用當(dāng)前2頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/292能源與環(huán)境學(xué)院

目錄核能發(fā)展史核裂變和核聚變?cè)砗四艿膽?yīng)用總結(jié)與展望當(dāng)前3頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/293能源與環(huán)境學(xué)院41核能發(fā)展史1897年湯姆孫的原子模型；盧瑟福的糟糕模型；波爾原子理論；質(zhì)子中子的發(fā)現(xiàn)；愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程1919年盧瑟福實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)；1934年里約奧-居里發(fā)現(xiàn)人工放射性；1939年費(fèi)米首次提出裂變的概念匈牙利的西拉德提出鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；1939里約奧-居里再用中子轟擊鈾時(shí)發(fā)現(xiàn)中子；1941年費(fèi)米簡(jiǎn)歷首個(gè)原子核反應(yīng)堆2H與2H、3H、3He聚變海水中儲(chǔ)存有35萬(wàn)億噸的，可用幾百億年

1895年倫琴射線、貝克拉爾和居里夫婦發(fā)現(xiàn)天然放射性；盧瑟福和維拉德發(fā)現(xiàn)了α、β、γ射線放射性的發(fā)現(xiàn)原子核結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)核反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和核能核聚變研究當(dāng)前4頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/294能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)?.1裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（核裂變）

裂變中子和裂變能的增長(zhǎng)迅猛，從而產(chǎn)生核爆。但是，中子存在泄露和有害吸收，實(shí)際上不一定能夠?qū)崿F(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)前5頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/295能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)懋?dāng)前6頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/296能源與環(huán)境學(xué)院2.2.1中子增殖的可能性：中子從系統(tǒng)中泄露（包括碰撞）中子被裂變核吸收，但不發(fā)生反應(yīng)中子被裂變核吸收，并且發(fā)生裂變，放出裂變中子中子被系統(tǒng)中國(guó)其他結(jié)構(gòu)材料或雜質(zhì)吸收2.2中子增殖系數(shù)與自持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)條件2核裂變和核聚變?cè)懋?dāng)前7頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/297能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)?.2.2假設(shè)條件：初始中子為1，若不泄露幾率為P(P<1)，中子被235U吸收的幾率為q；若中子被235U吸收并裂變的幾率為f；每次釋放平均中子數(shù)為v。則1個(gè)中子經(jīng)過(guò)一代后產(chǎn)生新中子為：k=pqfv當(dāng)前8頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/298能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)韐=1臨界狀態(tài)，中子數(shù)不變，裂變數(shù)始終保持下去k>1超臨界狀態(tài)，中子數(shù)暴增，產(chǎn)生核爆k<1次臨界狀態(tài)，反應(yīng)將會(huì)終止對(duì)k值的三點(diǎn)討論思考：核電站最需要的理論k值是多少？核武器的最佳k值呢？核電站事故處理時(shí)的k值最好是多少？當(dāng)前9頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/299能源與環(huán)境學(xué)院核燃料系統(tǒng)達(dá)到臨界(k=1)時(shí)，相應(yīng)的體積為臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量為臨界質(zhì)量。裸球系統(tǒng)

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們研究純金屬鈾-235(或純钚-239)構(gòu)成的裸球系統(tǒng)。這時(shí),除鈾-235外，沒(méi)有任何其他核素，則q=1。引入η=fν，于是η的意義是裂變核吸收一個(gè)中子放出的平均中子數(shù)，則增殖系數(shù)k簡(jiǎn)化為：2核裂變和核聚變?cè)韰?shù)η由核材料性質(zhì)確定，它是代表裂變核增殖性能的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)前10頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2910能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)斫?jīng)試驗(yàn)測(cè)得：核素vfη鈾-2352.60.8482.21鈾-2382.60.3730.97钚-2392.980.8772.61

上述數(shù)據(jù)表明，鈾-235和钚-239的η值大于2，即它們都是增殖性能很好的核裂變材料，所以它們是制造核武器的重要材料，相比而言，钚-239更好。鈾-238的η<1，它不可能引起中子增殖，因此鈾-238不能作為核武器的裂變材料。當(dāng)前11頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2911能源與環(huán)境學(xué)院1.中子總是從核材料體系的表面泄露出去，所以對(duì)于相同質(zhì)量的核材料，p與形狀有關(guān)。（原子彈彈型為球形）2裂變中子產(chǎn)生率與體積成正比，中子泄露與表面積成正比。增大核材料的體積，也可以減少中子泄露率。3增加反射層4壓縮體積和增大密度(臨界質(zhì)量與核材料的密度平方成反比)2核裂變和核聚變?cè)聿恍孤稁茁蕄的討論：當(dāng)前12頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2912能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)?/p>

式中n是中子,235U為鈾-235,239Pu為钚-239,A1,A2為兩個(gè)中等質(zhì)量的裂變后的核碎片,ν是每次裂變放出的中子數(shù),E是每次裂變釋放出的能量。當(dāng)前13頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2913能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)?.2核聚變?cè)?/p>

核聚變是指由質(zhì)量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦），并釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)11000噸煤炭。但是，分子間的斥力作用很大，在常溫狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生核反應(yīng)的！當(dāng)前14頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2914能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)?、質(zhì)量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）2、需要在幾百萬(wàn)攝氏度到上億攝氏度的高溫下才能發(fā)生核聚變的反應(yīng)條件當(dāng)前15頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2915能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)碓雍说木圩兎磻?yīng),最重要的聚變反應(yīng)為D+D→3He+n+3.27MeVD+3He→4He+p+18.35MeVD+D→T+p+4.03MeVD+T→4He+n+17.59MeV.其中D是氘核(重氫2H)，T是氚核(超重氫3H)，p為質(zhì)子，3He和4He為氦-3和氦-4，以上兩組反應(yīng)總的效果是6D→24He+2p+2n+43.24MeV當(dāng)前16頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2916能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)砗司圩兗夹g(shù)手段磁約束慣性約束慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出原子核所蘊(yùn)藏的能量。當(dāng)前17頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2917能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)砗司圩兊膬?yōu)點(diǎn)一是地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多。

據(jù)測(cè)算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬(wàn)億噸氘。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是既干凈又安全。

因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。當(dāng)前18頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2918能源與環(huán)境學(xué)院2核裂變和核聚變?cè)鞥AST解決了幾個(gè)重要問(wèn)題：第一次采用了非圓型垂直截面，目的是在不增加環(huán)形直徑的前提下增加反應(yīng)體的體積，提高磁場(chǎng)效率。第一次全部采用了液氦無(wú)損耗的超導(dǎo)體系。此外，EAST還是世界上第一個(gè)具有主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的托卡馬克，證明了冷卻塔換成汽輪機(jī)是可以發(fā)電的。中國(guó)全超導(dǎo)托卡馬克裝置（合肥）當(dāng)前19頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2919能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.1核燃料的儲(chǔ)量世界鈾礦開(kāi)采業(yè)處于鼎盛時(shí)期。核電需求強(qiáng)勁、鈾價(jià)飆升，使鈾礦地勘公司和鈾礦開(kāi)采業(yè)步入一個(gè)新的發(fā)展階段。鈾礦的投資熱潮，使現(xiàn)有的鈾礦山得到擴(kuò)大和改造，一系列后備鈾礦床也迅速投產(chǎn)。在澳大利亞、加拿大、蒙古和非洲一些家，鈾礦普查評(píng)價(jià)和勘探工作十分活躍。2005年和2007年主要國(guó)家可采鈾儲(chǔ)量的分布情況當(dāng)前20頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2920能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用主要國(guó)家鈾礦開(kāi)采情況當(dāng)前21頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2921能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用中國(guó)鈾礦分布情況當(dāng)前22頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2922能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用中國(guó)鈾礦分布情況中國(guó)是鈾礦資源不甚豐富的一個(gè)國(guó)家。據(jù)近年我國(guó)向國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)陸續(xù)提供的一批鈾礦田的儲(chǔ)量推算，我國(guó)鈾礦探明儲(chǔ)量居世界第10位之后，不能適應(yīng)發(fā)展核電的長(zhǎng)遠(yuǎn)需要。礦床規(guī)模以中小為主(占總儲(chǔ)量的60%以上)。礦石品位偏低，通常有磷、硫及有色、稀有金屬礦產(chǎn)與之共生或伴生。礦床類型主要有花崗巖型、火山巖型、砂巖型、碳硅泥巖型鈾礦床4種；其所擁有的儲(chǔ)量分別占全國(guó)總儲(chǔ)量的38%、22%、19.5%、16%。含煤地層中鈾礦床、堿性巖中鈾礦床及其他類型鈾礦床在探明儲(chǔ)量中所占比例很少，但具有找礦潛力。中國(guó)鈾礦成礦時(shí)代的時(shí)間跨度為距今1900~3Ma之間，即古元古代到第三紀(jì)之間，以中生代的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)成礦最為集中?？臻g分布上我國(guó)鈾礦床分南、北兩個(gè)大區(qū)，北方鈾礦區(qū)以火山巖型為主，南方鈾礦區(qū)則以花崗巖型力量重要。當(dāng)前23頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2923能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用鈾235的生產(chǎn)當(dāng)前24頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2924能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用核材料——武器級(jí)鈾（鈾235含量90%以上，钚239）地殼中鈾含量0.0004%，鈾235不到1%。金屬裸球臨界質(zhì)量：鈾235-50千克鈾235富集（鈾235與鈾238分離）電磁分離法氣體擴(kuò)散法——六氟化鈾（氣體）離心機(jī)分離法激光分離法核武器關(guān)鍵技術(shù)-鈾濃縮當(dāng)前25頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2925能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用核武器關(guān)鍵技術(shù)-钚生產(chǎn)當(dāng)前26頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2926能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.2核武器A、第一代核武器（原子彈）B、第二代核武器（氫彈）C、第三代核武器-特殊效能核武器

（中子彈、沖擊波彈shock

weapon、增強(qiáng)X射線彈、核電磁脈沖彈、等離子體武器、感生放射彈

)D、第四代核武器（聚變彈、反物質(zhì)彈、粒子束武器、金屬氫武器）核武器的發(fā)展及分類：當(dāng)前27頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2927能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.2.1原子彈原子彈的核原料：235U和239Pu原子彈的設(shè)計(jì)原理：使最初處于次臨界狀態(tài)的核裂變材料在瞬間達(dá)到超臨界狀態(tài)，并適時(shí)用中子源提供適量中子，觸發(fā)裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生核爆。當(dāng)前28頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2928能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用原子彈的彈型主要包括：槍法原子彈內(nèi)爆法原子彈助爆法原子彈當(dāng)前29頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2929能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用

“槍式”原子彈是把次臨界質(zhì)量的圓柱形鈾塊(“鈾子彈”)和另一個(gè)次臨界質(zhì)量、帶有圓柱形凹槽的鈾球分開(kāi)放置，這樣“彈”中的兩個(gè)鈾塊都不會(huì)引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。(1)槍法原子彈若要引發(fā)核爆炸,要通過(guò)“點(diǎn)火”，即通過(guò)雷管點(diǎn)燃“鈾子彈”上方的烈性炸藥，由化學(xué)爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大推力使“鈾子彈”迅速射向鈾球并進(jìn)入圓柱形凹槽內(nèi)，瞬息之間使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到臨界和超臨界，并適時(shí)地由中子引爆器產(chǎn)生的中子觸發(fā)，立即發(fā)生強(qiáng)烈的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。當(dāng)前30頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2930能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用(1)槍法原子彈優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需試驗(yàn)；直徑做的較小，適合發(fā)射缺點(diǎn)：“射彈”需要加速距離，武器比較長(zhǎng)；裂變裝料未經(jīng)壓縮利用率低。

當(dāng)前31頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2931能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用(1)槍法原子彈“小男孩”槍式原子彈長(zhǎng)3米，直徑0.71米，重約4噸，裝64千克濃縮鈾-235?；鹚幫苿?dòng)的“射彈”為圓柱形濃縮鈾塊，長(zhǎng)16厘米，直徑10厘米，重38.4千克?！吧鋸棥迸c“靶”相距25厘米時(shí)系統(tǒng)就達(dá)到臨界。合攏速度為300米/秒，總合攏時(shí)間1.35毫秒。裂變材料利用率1.2%。當(dāng)前32頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2932能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用原子彈破壞力巨大的原因：強(qiáng)沖擊波、光輻射、早期核輻射、放射性沾染和核電磁脈沖等殺傷破壞作用。當(dāng)前33頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2933能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用(2)內(nèi)爆法原子彈爆炸波：火焰面是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)區(qū)，可燃物穿過(guò)這個(gè)面立即變成燃燒產(chǎn)物在觀察一個(gè)管內(nèi)的可燃?xì)怏w火焰的火焰面?zhèn)鞑r(shí)，由于點(diǎn)火條件不同，有兩種截然不同的情況火焰面以每秒幾米的速度傳播——燃燒火焰面以每秒幾千米的速度傳播——爆炸以每秒幾千米傳播的火焰面就叫爆炸波當(dāng)前34頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2934能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用(2)內(nèi)爆法原子彈它是把一塊處于次臨界狀態(tài)的裂變裝料(鈾-235或钚-239)的球體放于原子彈的中心,四周擺放化學(xué)炸藥做成的楔子,平時(shí)也不會(huì)引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng).若要引發(fā)核爆炸,也是通過(guò)點(diǎn)火,先點(diǎn)燃高能化學(xué)炸藥,利用化學(xué)爆炸產(chǎn)生的內(nèi)聚沖擊波和高壓力,壓縮中心處于次臨界狀態(tài)的裂變?nèi)剂锨?使其密度急劇升高,由于臨界質(zhì)量與密度平方成反比,因而達(dá)到超臨界狀態(tài),這時(shí)中心的中子引爆器適時(shí)地產(chǎn)生大量中子,引發(fā)劇烈的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng),產(chǎn)生核爆炸.當(dāng)前35頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2935能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用(2)內(nèi)爆法原子彈優(yōu)點(diǎn)：核材料經(jīng)過(guò)壓縮，用料較少，效率高；缺點(diǎn)：需要龐大的炸藥系統(tǒng)“胖子”原子彈：炸藥內(nèi)爆系統(tǒng)外徑70厘米，內(nèi)徑23厘米，厚47厘米；重約2.5噸，有32個(gè)炸藥透鏡。由于主炸藥球面加了一層炸藥透鏡，橫向尺寸增加，所以叫“胖子”。使用6.2千克钚材料，威力2萬(wàn)噸TNT當(dāng)量，裂變材料利用率20%，為小男孩的“16倍”當(dāng)前36頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2936能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用(3)助爆型原子彈

助爆型原子彈設(shè)計(jì)原理：把熱核材料放在裂變裝料的中心。當(dāng)裂變裝料發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，放出的裂變能使中心的熱核材料達(dá)到高溫、高密度狀態(tài)并發(fā)生熱核反應(yīng)，熱核反應(yīng)產(chǎn)生的大量中子又使更多的裂變裝料發(fā)生裂變反應(yīng)，從而提高了利用效率。當(dāng)前37頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2937能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.2.2氫彈

氫彈是利用氘(重氫)、氚(超重氫)等輕原子核的聚變反應(yīng)瞬時(shí)釋放出巨大能量而實(shí)現(xiàn)爆炸的核武器,也稱熱核彈或聚變彈。

氫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百至幾萬(wàn)噸級(jí)TNT當(dāng)量，氫彈的威力則可大至幾千萬(wàn)噸級(jí)TNT當(dāng)量。當(dāng)前38頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2938能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.2.2氫彈(1)氫彈核原料反應(yīng)原理

首先引爆其中的原子彈，核裂變釋放出的能量使熱核裝料(氘化鋰-6)加熱達(dá)到高溫，而且裂變釋放的中子轟擊氘化鋰-6中的鋰-6產(chǎn)生氚，然后產(chǎn)生的氚與氘，以及氘與氘發(fā)生熱核聚變反應(yīng)，釋放巨大能量。在氫彈中燒掉1kg氘化鋰-6,釋放的能量可達(dá)4~5萬(wàn)噸TNT當(dāng)量。當(dāng)前39頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2939能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用氫彈有兩種構(gòu)型：中國(guó)的于敏-鄧稼先構(gòu)型和美國(guó)的T-U構(gòu)型（泰勒構(gòu)型）A：爆炸前基本結(jié)構(gòu)B：高能炸藥引爆初級(jí)裂變，產(chǎn)生X射線C：X射線沿著聚苯乙烯泡沫結(jié)構(gòu)傳播D：聚苯乙烯等離子體壓縮次級(jí)裂變材料產(chǎn)生裂變，提供熱量E：鋰6-氘在高溫高壓聚變反應(yīng)當(dāng)前40頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2940能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.2.3中子彈

中子彈是一種以高能中子輻射為主要?dú)Φ牡彤?dāng)量小型氫彈。只殺傷敵方人員，對(duì)建筑物和設(shè)施破壞很小，也不會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)期放射性污染。特點(diǎn)：中子彈的特點(diǎn)是爆炸時(shí)核輻射效應(yīng)大、穿透力強(qiáng)，釋放的能量不高，沖擊波、光輻射、熱輻射和放射性污染比一般核武器小。當(dāng)前41頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2941能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用中子彈結(jié)構(gòu)：1、微型原子彈2、高密度的聚苯乙烯3、儲(chǔ)氚器4、鈹反射層當(dāng)前42頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2942能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.2.4核武器的作用及未來(lái)核武器的殺傷破壞因素:瞬時(shí)殺傷因素：（1）光輻射

（2）沖擊波

（3）早期核輻射

（4）核電磁脈沖剩余核輻射：（5）放射性沾染核冬天：美國(guó)科學(xué)家提出核冬天的概念，日本還專門拍攝了《地球凍結(jié)》當(dāng)前43頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2943能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用核武器的作用1軍事打擊

廣島和長(zhǎng)崎的核打擊2震懾作用

不戰(zhàn)而屈人之兵，抑制大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)生3大國(guó)象征

5個(gè)常任理事國(guó)均有核武器當(dāng)前44頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2944能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用世界核武器分布目前，世界上有5萬(wàn)多個(gè)核彈頭，約達(dá)200億噸TNT當(dāng)量的核武器當(dāng)前45頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2945能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.3核能發(fā)電鏈反應(yīng)爆炸不可控的核反應(yīng)可控反應(yīng)堆核電站原子彈

核電站又稱核電廠，它指用鈾、钚等作核燃料，將它在裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電廠。當(dāng)前46頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2946能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用一回路與核島二回路與常規(guī)島安全注射系統(tǒng)主蒸汽系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)安全殼噴淋系統(tǒng)化學(xué)和容積控制系統(tǒng)凝結(jié)水給水系統(tǒng)事故給水系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)主蒸汽排放系統(tǒng)當(dāng)前47頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2947能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用當(dāng)前48頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2948能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用當(dāng)前49頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2949能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.3.1核電站的發(fā)展

核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？煽刂屏炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。第一代第二代第三代第四代和平利用核能研發(fā)階段的實(shí)驗(yàn)堆和原型堆20世紀(jì)70年代至今，包括：壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆非動(dòng)能壓水堆法國(guó)壓水堆先進(jìn)沸水堆先進(jìn)壓水堆通過(guò)化學(xué)方法等將核廢料溶解，加入核燃料中可以繼續(xù)使用。當(dāng)前50頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2950能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用總體特點(diǎn)a.以凈化的普通水作冷卻劑和慢化劑b.輕水慢化性能好堆芯較小、吸收截面大低富集度加濃鈾c.一回路冷卻劑壓力一般為15.5MPa(1)壓水堆d.壓水堆核電站有放射性的一回路和二回路系統(tǒng)分開(kāi)，放射性冷卻劑不會(huì)進(jìn)入二污染二回路設(shè)備，運(yùn)行和維護(hù)方便，需要處理的廢氣、廢水、廢物量較少。當(dāng)前51頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2951能源與環(huán)境學(xué)院沸水堆特點(diǎn):a.以輕水作為冷卻劑和慢化劑b.用富集度為3-4%的低加濃鈾做燃料c.堆芯在一個(gè)壓力殼內(nèi)，裂變能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電(2)沸水堆3核能的利用當(dāng)前52頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2952能源與環(huán)境學(xué)院(3)重水堆以天然鈾為燃料，重水為慢化劑，重水作冷卻劑。代表性重水堆核電廠:CANDU(CANadianDeuteriumUraniumReactor)ACR-1000(AdvancedCANDUReactor)3核能的利用當(dāng)前53頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2953能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用CANDU型反應(yīng)堆

加拿大發(fā)展起來(lái)的坎杜型（CANDU型）壓力管式重水堆核電站。特點(diǎn)：反應(yīng)堆為一水平放置的筒形容器（稱排管容器），里面盛低溫低壓的重水慢化劑。燃料棒：重水堆的燃料是天然的二氧化鈾壓制、燒結(jié)而成的圓柱形心塊。若干個(gè)心塊裝入一根鋯合金包殼管內(nèi)，兩端密封形成一根燃料元件。當(dāng)前54頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2954能源與環(huán)境學(xué)院(4)氣冷堆氣冷堆是以石墨作為慢化劑，二氧化碳或氦氣作為冷卻的反應(yīng)堆。3核能的利用a實(shí)現(xiàn)核燃料增殖。b核燃料裂變主要由快中子引起，堆內(nèi)不需要慢化劑，堆芯有害吸收減少，轉(zhuǎn)換比增大。c使用傳熱能力強(qiáng)而慢化能力小的鈉為冷卻劑。(5)鈉冷快堆當(dāng)前55頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2955能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用氣冷快堆

GFR(GasCooledFastReactor)鉛冷快堆

LFR(LeadCooledFastReactor)熔鹽堆

MSR(MoltenSaltReactor)超臨界水冷堆

SCWR(SupercriticalWaterCooledReactor)超高溫堆

VHTR(VeryHighTemperatureReactor)第四代反應(yīng)堆:當(dāng)前56頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2956能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用超臨界水冷堆特點(diǎn)：1)熱效率高達(dá)38%~45%；2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；3)安全性好：超臨界壓力水無(wú)相變，堆芯無(wú)燒毀現(xiàn)象；4)良好的經(jīng)濟(jì)性；5)有利于核燃料利用。當(dāng)前57頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2957能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用3.3.2核電站的防護(hù)和核廢料的處理日本福島核電站4級(jí)切爾諾貝利核電站7級(jí)三里島核電站5級(jí)當(dāng)前58頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2958能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用而且：核電站的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行均采用縱深防御的原則，從設(shè)備、措施上提供多等級(jí)的重迭保護(hù)，以確保核電站對(duì)功率能有效控制，對(duì)燃料組件能充分冷卻，對(duì)放射性物質(zhì)不發(fā)生泄漏。因?yàn)椋汉朔磻?yīng)堆的燃料鈾不純，它們沒(méi)有能力產(chǎn)生原子彈式的爆炸。生產(chǎn)核彈時(shí)，你需要付出昂貴的代價(jià)去除雜質(zhì)鈾238，要求鈾235的純度在90%以上，而反應(yīng)堆中一般只需要稍微3%左右提純的鈾。核電站真的是個(gè)原子彈嗎？當(dāng)前59頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2959能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用第一道屏障燃料芯塊核然料放在氧化鈾陶瓷芯塊中，并使得大部分裂變產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物90%以上保存在芯塊內(nèi)。第二道屏障：嫌料包殼，燃料芯塊密封在鉛合金制造的包殼中構(gòu)成核燃料芯棒錯(cuò)合金，具有足夠的強(qiáng)度且在高溫下不與水發(fā)生反應(yīng)。第三道屏障：壓力管道和容器冷卻劑系統(tǒng)將核燃料芯棒封閉在20cm以上的鋼質(zhì)耐高壓系統(tǒng)中避免放射性物質(zhì)泄漏到反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)。第四道屏障：反應(yīng)堆安全殼用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)筑壁厚近100cm，內(nèi)表面加有0.6cm的鋼襯，可以抗御來(lái)自內(nèi)部或外界的飛出物，防止放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境。當(dāng)前60頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2960能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用核電站配置的外設(shè)安全系統(tǒng)包括：①隔離系統(tǒng)，用來(lái)將反應(yīng)堆廠房隔離開(kāi)來(lái)，主要有自動(dòng)關(guān)閉穿過(guò)廠房的各條運(yùn)行管道的閥門收集廠房?jī)?nèi)泄漏物質(zhì)將其過(guò)濾后再排出廠外。②注水系統(tǒng)在反應(yīng)堆可能“失水時(shí)，向堆芯注水，以冷卻燃料組件避免包殼破裂，注入水中含有硼，用以制止核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。注水系統(tǒng)使用壓力氮?dú)?，在無(wú)電流和無(wú)人操作情況下在一定壓力下可自動(dòng)注水③事故冷卻器和噴淋系統(tǒng)，用來(lái)冷卻廠房以降低廠房的壓力。在廠房壓力上升時(shí)先啟動(dòng)空氣冷卻（風(fēng)機(jī)—換熱器）的事故冷卻器;再進(jìn)一步可以啟動(dòng)廠房噴淋系統(tǒng)將冷水或含翻水噴入廠房，以降熱和降壓。當(dāng)前61頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2961能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用核廢料的處理核廢料：泛指在核燃料生產(chǎn)、加工和核反應(yīng)堆用過(guò)的不再需要的并具有放射性的廢料。也專指核反應(yīng)堆用過(guò)的乏燃料，經(jīng)后處理回收钚-239等可利用的核材料后，余下的不再需要的并具有放射性的廢料。核廢料的特點(diǎn)：放射性射線危害熱能釋放處理方法：陸地掩埋深海掩埋當(dāng)前62頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2962能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用世界核電站分布圖當(dāng)前63頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2963能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用當(dāng)前64頁(yè)，總共69頁(yè)。2023/3/2964能源與環(huán)境學(xué)院3核能的利用遼寧