第八章核能及其風(fēng)險(xiǎn)利弊

第五章核能的風(fēng)險(xiǎn)利弊1第一頁(yè)，共八十八頁(yè)。I為人類謀福的核——核能的利用我國(guó)的秦山核電站2第二頁(yè)，共八十八頁(yè)。

一、能源簡(jiǎn)介1.分類按來(lái)源太陽(yáng)能地球本身蘊(yùn)藏的能量地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量按基本形態(tài)一次能源二次能源按性質(zhì)燃料性能源非燃料性能源3第三頁(yè)，共八十八頁(yè)。

能源分類（按基本形態(tài)）4第四頁(yè)，共八十八頁(yè)。不同形式能的品位熵值越小的能品位越高，反之則越低。

不同形式能的品位5第五頁(yè)，共八十八頁(yè)。二、化石燃料的應(yīng)用與污染1.煤：存儲(chǔ)量大且轉(zhuǎn)化為熱、電能等的技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單。大約平均每噸煤燃燒排放出二氧化硫30千克，顆粒塵30千克。北京的冬日，由于燃煤取暖，造成大氣污染6第六頁(yè)，共八十八頁(yè)。7第七頁(yè)，共八十八頁(yè)。

密度小、容易開采、便于運(yùn)輸、發(fā)熱量比煤炭高1倍。石油燃燒的產(chǎn)物主要是CO、CO2、氮氧化合物、二氧化以及各種碳?xì)浠衔铩?.石油：8第八頁(yè)，共八十八頁(yè)。

3.天然氣：天然氣燃燒產(chǎn)生的灰分極少，與煤、石油相比，是一種較清潔的能源。天然氣的大量開采會(huì)引起地表沉降。

9第九頁(yè)，共八十八頁(yè)。

資源缺乏10第十頁(yè)，共八十八頁(yè)。三、21世紀(jì)—核能時(shí)代

核能的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可產(chǎn)生驚人能量；（2）核燃料儲(chǔ)量豐富；（3）核能發(fā)電較經(jīng)濟(jì)；（4）核能是清潔的能源；（5）核能能量密集，運(yùn)輸量小。

11第十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。核能的廣泛應(yīng)用考古地質(zhì)國(guó)防原子彈爆炸

12第十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。

醫(yī)學(xué)交通運(yùn)輸X光照射下的人手指13第十三頁(yè)，共八十八頁(yè)。II核是如何工作的—核能的產(chǎn)生與應(yīng)用原理14第十四頁(yè)，共八十八頁(yè)。一、核反應(yīng)核反應(yīng)則是外來(lái)粒子與核中的質(zhì)子和中子相互作用，使原子核受到激烈的擾動(dòng)。核反應(yīng)可以為核衰變，核裂變和核聚變?nèi)悺?5第十五頁(yè)，共八十八頁(yè)。（一）核衰變1.定義：原子核自發(fā)地發(fā)生核結(jié)構(gòu)的改變稱為核衰變或放射性衰變。2.類型：α衰變?chǔ)滤プ儲(chǔ)盟プ冋娮铀プ冸娮臃@16第十六頁(yè)，共八十八頁(yè)。(1)α衰變?chǔ)辽渚€是氦-核（又稱α粒子），用或表示。42αHe2422286Rn2184842PoHe→+每次α衰變后使質(zhì)量數(shù)減少4，質(zhì)子數(shù)減少2。17第十七頁(yè)，共八十八頁(yè)。(2)β衰變：β粒子是電子，用或表示，β射線是高速粒子流。0

-1e0-1β10n→11P0-1e+每次β衰變后質(zhì)量數(shù)都不變，而質(zhì)子數(shù)增加1。

18第十八頁(yè)，共八十八頁(yè)。(3)

γ衰變：γ射線是波長(zhǎng)很短的電磁輻射（高能量的光子），用表示。

γ衰變表示損失能量，既不改變質(zhì)量數(shù)，也不改變質(zhì)子數(shù)。00γ19第十九頁(yè)，共八十八頁(yè)。

(4)正電子衰變：

正電子用表示。01e11P→10n01e+(5)電子俘獲：核從內(nèi)層俘獲一個(gè)電子，使質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印?1P0-1e+→10n20第二十頁(yè)，共八十八頁(yè)。3.半衰期符號(hào)：定義：半衰期是一放射性元素衰變到原來(lái)一半數(shù)量所需時(shí)間。公式：T12N0：放射性元素衰變之前的數(shù)目N：衰變到某一時(shí)刻t時(shí)剩下的該核的數(shù)目N=N0e-λt（λ為衰變常數(shù)）21第二十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。t=3.32T12lgN0N式2T12=Ln2=0.693式1當(dāng)N=N02時(shí)，t=T1/222第二十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。例題[例1]通過(guò)分析測(cè)定某巖石，有1mg鈾-238就有0.275mg鉛-206，試計(jì)算此巖石的年齡。23第二十三頁(yè)，共八十八頁(yè)。

解：假設(shè)現(xiàn)在巖石中鈾-238總量為1mg，則此巖石中原有鈾-238的總量為1mg加上衰變?yōu)殂U-206的量：

查表知半衰期=4.5×10代入式2計(jì)算：

答：此巖石的年齡為1.7×109年。923892U=1mg+238206×0.257mg=1.297mg23892UT12Nt=3.32T12lgN0=3.32×4.5×109×lg0.2971.000=1.7×109（年）24第二十四頁(yè)，共八十八頁(yè)。4.天然放射系

釷系：母體是（T1/2為1.41×1010年）,系列中有13種核素25第二十五頁(yè)，共八十八頁(yè)。

鈾系：母體是（T1/2為4.51×109年）,系列中有19種核素；26第二十六頁(yè)，共八十八頁(yè)。

錒系：母體（T1/2為7.1×108年）,系列中有17種核素。27第二十七頁(yè)，共八十八頁(yè)。（二）核裂變、原子彈與核電站1.定義：用中子打擊重原子核而使原子核分裂的反應(yīng)。較重碎核+較輕碎核+中子23592U10n+裂變產(chǎn)物一般仍具放射性。可裂變物質(zhì)有U-235，U-233，Pu-239等。28第二十八頁(yè)，共八十八頁(yè)。2.核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中子誘發(fā)U-235裂變形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈反應(yīng)的過(guò)程“鏈?zhǔn)諗俊毙掖嬷凶訑?shù)平均不到1“鏈發(fā)散”幸存中子數(shù)平均大于129第二十九頁(yè)，共八十八頁(yè)。3.臨界質(zhì)量為什么金屬鈾在一般情況下不會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)而自發(fā)爆炸?天然鈾塊質(zhì)量小且可裂變的U-235只有0.711%,99%以上均為不能發(fā)生連續(xù)裂變的U-238.在有中子反射層時(shí),U-235的臨界質(zhì)量為10kg.30第三十頁(yè)，共八十八頁(yè)。4.原子彈

讓裂變反應(yīng)所釋放的能量不斷積聚，則可以在瞬間釀成巨大的爆炸，這就是制造原子彈的基本原理。原子彈的基本構(gòu)造31第三十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。核彈爆炸過(guò)程示意圖

0秒爆炸11秒振波37秒對(duì)流風(fēng)110秒蘑菇云32第三十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。5.核電站基本工作原理：控制幸存中子數(shù)恰好為1,使核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在一定程度上連續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生的能量加熱反應(yīng)堆核心的水，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。

33第三十三頁(yè)，共八十八頁(yè)。反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)：

控制棒中子反射層核反應(yīng)堆冷卻劑殼體輕水型

重水型

石墨型

減速劑壓縮的鈾天然的鈾核燃料34第三十四頁(yè)，共八十八頁(yè)?？刂瓢?

控制鏈反應(yīng),用中子吸收截面大但本身又不發(fā)生裂變的B,Cd,Hf等制成;35第三十五頁(yè)，共八十八頁(yè)。中子反射層:阻止中子逃到堆外，一般用石墨或鈹做成；36第三十六頁(yè)，共八十八頁(yè)。慢中子引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)慢中子引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程37第三十七頁(yè)，共八十八頁(yè)。輕水堆核電站

沸水反應(yīng)堆核電站示意圖

壓水反應(yīng)堆核電站示意圖

38第三十八頁(yè)，共八十八頁(yè)。增殖反應(yīng)堆在可裂變的U-235燃料外面放一層不裂變的物質(zhì)U-238和Th-232，里面的U-235作為中子源，U-235產(chǎn)生的中子使U-238和Th-232發(fā)生鏈反應(yīng)，分別轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兊腜U-239和U-233,將U-238增殖成PU-239。39第三十九頁(yè)，共八十八頁(yè)。核電站的冷卻設(shè)備裂變核電站的發(fā)電效率約為30～33%，大約67%的熱能的廢熱形式出現(xiàn)。

核電站的冷卻塔40第四十頁(yè)，共八十八頁(yè)。(三)核聚變、氫彈與

聚變電站1.定義：由2個(gè)或多個(gè)輕原子核聚合成一個(gè)較重的原子核的過(guò)程為核聚變。2.太陽(yáng)中的氫核聚變：聚變反應(yīng)示意圖41第四十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。

3.核聚變的條件：

需要高能量以克服兩個(gè)帶正電核之間的巨大排斥力。4.氫彈的制造原理:利用一個(gè)小的原子彈作為引爆裝置，產(chǎn)生瞬間的高溫引發(fā)上述聚變反應(yīng)發(fā)生強(qiáng)烈爆炸。不控制的聚變反應(yīng)是氫彈的基礎(chǔ)。42第四十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。

5.聚變電站:燃料為氘，氚受控核聚變反應(yīng)點(diǎn)火的條件：1）高溫2）等離子體的約束3）耐高溫容器43第四十三頁(yè)，共八十八頁(yè)。核聚變的優(yōu)點(diǎn)：(1)釋放能量巨大(2)無(wú)放射性污染，無(wú)難于處理的廢料(3)原料豐富。44第四十四頁(yè)，共八十八頁(yè)。二、放射量及其單位1.放射性活度：

貝可勒爾（Bq）1Bq=1s

居里（Ci）1Ci=3.7×10-110Bq2.照射量與照射量率：照射量：庫(kù)侖每千克空氣（C/kg）

倫琴（R)1R=2.58×10C/kg照射量率：C/kg﹒sR/s-445第四十五頁(yè)，共八十八頁(yè)。

3.吸收劑量與吸收劑量率：吸收劑量：焦?fàn)柮壳Э耍↗/kg）

戈瑞（Gy）1Gy=1J/kg

拉德（Rad）1Rad=10Gy吸收劑量率：Gy/sRad/s-246第四十六頁(yè)，共八十八頁(yè)。

4.劑量當(dāng)量與劑量當(dāng)量率：

劑量當(dāng)量：希沃特（Sv）1Sv=1J/kg

雷姆（Ram）Ram=0.01Sv

劑量當(dāng)量率（H）：Sv/hRam/h47第四十七頁(yè)，共八十八頁(yè)。三、核反應(yīng)的能量1.愛因斯坦質(zhì)-能公式：△E=△mc2〔例2〕試計(jì)算1克U-235按下式裂變時(shí)所產(chǎn)生的能量：48第四十八頁(yè)，共八十八頁(yè)。

解：摩爾質(zhì)量（g/mol）235.04391.00867141.909290.9056△m=(141.9092+90.9056+3×1.00867)-(235.0439+1.00857)=-0.2118g/mol=-0.2118×10-3kg/mol49第四十九頁(yè)，共八十八頁(yè)。1克U-235放出的能量:50第五十頁(yè)，共八十八頁(yè)?；剂戏懦龅哪芰?1克煤完全燃燒:1克石油完全燃燒:51第五十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。1克天然氣完全燃燒:52第五十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。[例3]試計(jì)算1克H-2和H-3按下式發(fā)生聚變時(shí)放出的能量:摩爾質(zhì)量g/mol2.013553.015504.001501.0086753第五十三頁(yè)，共八十八頁(yè)。解:△m=(4.00150+1.00867)-(2.01355+3.01550)=-0.01888g/mol=-0.01888×10-3kg/mol△E=△mc2=(-0.01888×10-3kg/mol)×(2.998×108m﹒s-1)2=-1.697×1012kg﹒m2﹒s-2﹒mol-1=-1.697×109kj/mol1g:54第五十四頁(yè)，共八十八頁(yè)。2.核平均生成能核的平均生成能核平均生成能是指中子與質(zhì)子形成核時(shí)所放出的能量。55第五十五頁(yè)，共八十八頁(yè)。最穩(wěn)定的核是質(zhì)量數(shù)接近60的核；質(zhì)量數(shù)大于60的核能量較高，不穩(wěn)定；小于60，則進(jìn)入高能量區(qū)。裂變：能量較高的重核分裂成質(zhì)量中等，能量也低的核，核中的每個(gè)核子都從較高的能量狀態(tài)降到較低能量狀態(tài)而釋放能量；聚變：將較輕的核合成質(zhì)量中等的核，從而釋放更多的能量。56第五十六頁(yè)，共八十八頁(yè)。

〔例3〕使用核的平均生成能圖，粗略計(jì)算1克U-235按下式裂變釋放出的能量。57第五十七頁(yè)，共八十八頁(yè)。

解：從圖可查知核的平均生成能為

可按照求化學(xué)反應(yīng)的生成熱的方法計(jì)算ΔHm

1g鈾裂變的焓變?yōu)椋捍穑?g鈾-235裂變放出能量85GJ。58第五十八頁(yè)，共八十八頁(yè)。III核——一柄雙刃劍——放射性對(duì)環(huán)境的危害海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中裝束奇異而又無(wú)奈的沙特平民59第五十九頁(yè)，共八十八頁(yè)。一、無(wú)形殺手——放射性污染1.放射性污染的特點(diǎn)(1)持續(xù)性(2)難以消除(3)滯后性60第六十頁(yè)，共八十八頁(yè)。2.射線(1)α射線:

穿透力較小，在空氣中易被吸收，外照射對(duì)人的傷害不大，但其電離能力強(qiáng)，進(jìn)入人體后會(huì)因內(nèi)照射造成較大的傷害(2)β射線:是帶負(fù)電的粒子，穿透能力較強(qiáng)；(3)γ射線:是波長(zhǎng)很短的電磁波，穿透能力極強(qiáng)對(duì)人的危害最大。61第六十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。3.放射性物質(zhì)進(jìn)入人體的途徑放射性物質(zhì)主要通過(guò)食物鏈經(jīng)消化道進(jìn)入人體；其次是放射性塵埃給呼吸道進(jìn)入人體；通過(guò)皮膚吸收的可能性很小。放射性物質(zhì)進(jìn)入人體的途徑

62第六十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。4.放射性物質(zhì)的機(jī)體效應(yīng)◆急性效應(yīng):◆慢性效應(yīng):

癌癥、白血病、皮膚、肺、卵巢、造血器官出現(xiàn)惡性腫瘤、免疫能力降低、遺傳障礙等。在妊娠期間受到輻射極易使胚胎死亡或形成畸胎。

頭痛、頭暈、食欲不振，睡眠障礙等神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的癥狀，繼而出現(xiàn)白細(xì)胞和血小板減少甚至導(dǎo)致死亡。63第六十三頁(yè)，共八十八頁(yè)。5.不同輻射量及其后果

64第六十四頁(yè)，共八十八頁(yè)。二、放射性污染的來(lái)源1.天然輻射來(lái)源：

天然輻射源是自然界中天然存在的放射性物質(zhì)。天然輻射所產(chǎn)生的總輻射水平稱為天然本底放射，它是判斷環(huán)境是否受到放射性污染的基本準(zhǔn)則。65第六十五頁(yè)，共八十八頁(yè)。

①地球上存在于土壤、巖石、水和大氣中的放射性物質(zhì)；②宇宙間高能粒子構(gòu)成的宇宙線，以及在這些粒子進(jìn)入大氣層后與大氣中的氧、氮原子碰撞產(chǎn)生的次級(jí)宇宙線。66第六十六頁(yè)，共八十八頁(yè)。2.人工輻射源(1)核工業(yè)①核燃料生產(chǎn)過(guò)程：包括鈾礦的開采、冶煉、精制和加工過(guò)程。

②核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程:一是反應(yīng)堆材料中的某些元素在中子照射下生成的放射性活化物；二是由于封閉裂變產(chǎn)物的燃料元件盒由于包殼微小破壞而產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物67第六十七頁(yè)，共八十八頁(yè)。

③核燃料后處理過(guò)程：含有裂變產(chǎn)物的廢氣和含有放射性物質(zhì)的廢水以及不能再使用的放射性固體廢物，其包括有半衰期長(zhǎng)、毒性大的核素。④意外事故:1979年的美國(guó)三里島核泄漏1986年的前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核爆炸事故倒塌的切爾諾貝利68第六十八頁(yè)，共八十八頁(yè)。迄今最嚴(yán)重核事故一覽1957年9月29日，前蘇聯(lián)烏拉爾山中的秘密核工廠“車?yán)镅刨e斯克65號(hào)”一個(gè)裝有核廢料的倉(cāng)庫(kù)發(fā)生大爆炸，迫使蘇聯(lián)當(dāng)局緊急撤走當(dāng)?shù)?1000名居民；1957年10月7日：英國(guó)東北岸的溫德斯凱爾一個(gè)核反應(yīng)堆發(fā)生火災(zāi)，這次事故產(chǎn)生的放射性物質(zhì)污染了英國(guó)全境，至少有39人患癌癥死亡；1967年夏天：前蘇聯(lián)“車?yán)镅刨e斯克65號(hào)”用于儲(chǔ)存核廢料的”卡拉察湖“干枯，結(jié)果風(fēng)將許多放射性微料吹往各地，當(dāng)局不得不撤走了9000名居民；69第六十九頁(yè)，共八十八頁(yè)。1971年11月9日：美國(guó)明尼蘇達(dá)州”北方州電力公司“的一座核反應(yīng)堆的廢水儲(chǔ)存設(shè)施發(fā)生超庫(kù)存事件，結(jié)果導(dǎo)致5000加侖放射性廢水流入密西西比河，其中一些水甚至流入圣保羅的城市飲水系統(tǒng)；1979年3月28日：美國(guó)三里島核反應(yīng)堆因?yàn)闄C(jī)械故障和人為的失誤而使冷卻水和放射性顆料外逸，但沒有人員傷亡；1979年8月7日：美國(guó)田納西州濃縮鈾外泄，結(jié)果導(dǎo)致1000人受傷；70第七十頁(yè)，共八十八頁(yè)。1986年1月6日：美國(guó)俄克拉馬一座核電站因錯(cuò)誤加熱發(fā)生爆炸，結(jié)果造成一名工人死亡，100人住院；1986年4月26日：前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生大爆炸，其放射性云團(tuán)直抵西歐，造成約8000人死于輻射導(dǎo)致的各種疾病。71第七十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。

2.核試驗(yàn)

3.醫(yī)療照射72第七十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。Ⅳ核并不可怕

——核污染的防護(hù)與治理73第七十三頁(yè)，共八十八頁(yè)。一、人體中的天然放射性

一些放射性核素所在的重要器官和組織74第七十四頁(yè)，共八十八頁(yè)。二、輻射防護(hù)1.輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)放射性防護(hù)規(guī)定中有關(guān)劑量當(dāng)量的規(guī)定75第七十五頁(yè)，共八十八頁(yè)。2.輻射防護(hù)方法(1)時(shí)間防護(hù)：人體受照射時(shí)間越長(zhǎng)，所 接受的輻射量越大。(2)距離防護(hù)：人距離輻射源越近，受照量越大76第七十六頁(yè)，共八十八頁(yè)。(3)屏蔽防護(hù)：①α射線的防護(hù)：幾張紙或薄的鋁膜，即可將其吸收。②β射線的防護(hù)：有機(jī)玻璃、烯基塑料及鋁板等。③γ射線的防護(hù)：高密度物質(zhì)，如足夠厚度的鋁、鐵、鋼、混凝土等材料。77第七十七頁(yè)，共八十八頁(yè)。3.核電站的保護(hù)衣核電站的選址

核電站的選址要求非常嚴(yán)格，必須是地震強(qiáng)度低和地殼穩(wěn)定的“安全島”，必須符合環(huán)境保護(hù)的要求。78第七十八頁(yè)，共八十八頁(yè)。核電站反應(yīng)堆燃料：3%的U-235和97%的U-238，且分成小塊分散放置；控制棒：使能量釋放有控制地緩慢進(jìn)行；“負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)”：溫度超過(guò)一定限度，反應(yīng)自行停止；燃料裝卸和反應(yīng)均用計(jì)算機(jī)控制。79第七十九頁(yè)，共八十八頁(yè)。三道屏障第一道是高強(qiáng)度的鋯金包殼第二道是壓力殼第三道是安全殼秦山核電站核反應(yīng)堆穹頂合龍80第八十頁(yè)，共八十八頁(yè)。三、放射性廢物的治理1.放射性廢物的分類

81第八十一頁(yè)，共八十八頁(yè)。2.放射性廢物的處理方法(1)放射性廢液的處理①稀釋排放②濃縮貯存

③回收利用82第八十二頁(yè)，共八十八頁(yè)。(2)放射性固體廢物的處理①對(duì)鈾礦渣的處理:對(duì)廢鈾礦渣目前采用的是土地堆放或回填礦井的處理方法。

②固化法。放射性