第一章-核能史話

1、核工程導(dǎo)論,第一章 核能在能源結(jié)構(gòu)中的地位和作用,楊燕華 上海交通大學(xué)核科學(xué)與系統(tǒng)工程系 2009年,核能,能源消費(fèi)變革的主線,18世紀(jì)的煤炭,20世紀(jì)2060年代,煤,再生能源,20世紀(jì)末,21世紀(jì),核能,天然氣,石油,太陽能,煤,天然氣,石油,新能源,1.未來能源究竟如何？,儲(chǔ)量,環(huán)境,我們的子孫還有煤嗎？,我們的子孫還有石油嗎？,我們的子孫能見到藍(lán)天嗎？,能源的可持續(xù),人類未來的生存與文明延續(xù),我們的子孫的子孫還能生存在地球上嗎？,世界人口過60億，比19世紀(jì)末增加2倍多，能源消費(fèi)增加16倍多。,能源危機(jī),化石能源儲(chǔ)量有限！,能源消費(fèi)不斷增加！,返回,再生能源,水力,風(fēng)能,潮汐能,能利用

2、的不足、不足、不足！,規(guī)模受到環(huán)境、季節(jié)、地理位置等條件的限制,現(xiàn)在的開發(fā)技術(shù)不足,太陽能,返回,核能無窮的能源,海洋,核裂變能,核聚變能,鈾、釷礦石,如全部利用，能供使用24002800年,氘（來自海水）、鋰,40億萬噸,2千多億噸,如實(shí)現(xiàn)可控核聚變，能供使用上千億年,返回,2 能源的大氣污染,能源造成的大氣污染 大氣污染對環(huán)境的影響 “污染大國”,能源造成的大氣污染environmental pollution,煤、石油等化石燃料的燃燒,汽車排放的廢氣,工業(yè)生產(chǎn)（如各種化工廠、煉焦廠等）過程中產(chǎn)生的廢氣,二氧化硫（SO2） 懸浮顆粒物（煙霧、粉塵等） 氮氧化物（NOx） 一氧化碳（CO）,

3、有害氣體,大氣污染對環(huán)境的影響,“污染大國”,我國大氣污染屬煤煙型污染。 排入大氣中90的SO2、70的煙塵、85的CO2來自于燃煤,核能對CO2釋放減少的貢獻(xiàn),3 清潔的能源-核能,核能沒有污染氣體排放 干凈的核電廠,二氧化碳CO2,煤 天然氣 石油 核能,煤 天然氣 石油 核能,氮氧化物NOx,二氧化硫SO2,煤 天然氣 石油 核能,核能沒有污染氣體排放！,核電正是“最安全、最清潔、且經(jīng)濟(jì)效益最高的電力資源”,核能：0,核能：0,核能：0,加拿大皮克靈核電廠,日本美濱核電站,中國秦山核電站（浙江海鹽）,中國大亞灣核電站（廣東深圳）,核能史話,偉大的發(fā)現(xiàn),改變歷史的事件,0.5 核能史話,圖

4、1-27 費(fèi)米,認(rèn)識(shí)核能微觀世界的里程碑,X射線,天然放射性,質(zhì)子和中子,放射性物質(zhì),人工放射性,射線和射線,鈾裂變,原子核的組成,核能,與核能相關(guān)的偉大發(fā)現(xiàn),貝克勒耳,居里夫人,約里奧.居里夫婦,費(fèi)米,查德威克,哈恩,無意中的偉大發(fā)現(xiàn)- X射線,1895年11月8日倫琴無意中發(fā)現(xiàn)陰極射線管中有射線可以穿過許多物體透視到熒光物質(zhì)上使其發(fā)光。 12月22 日，倫琴為夫人拍下了第一張X射線照片。 未知的射線-X,金戒指,獲的第一枚諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),1895/12/22,現(xiàn)代物理學(xué)的揭幕人 威廉倫琴,返回,1896年，亨利貝克勒耳研究X射線時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)鈾鹽能自發(fā)永久地放出一種神秘的射線。 人們把這種自發(fā)

5、放出射線的性質(zhì)叫放射性。,天然放射性的發(fā)現(xiàn),放射性物質(zhì),形形色色的天然鈾礦石的形態(tài),鐳 鈹 。,亨利貝克勒耳,原子科學(xué)發(fā)展的第一個(gè)重大發(fā)現(xiàn),硫酸鉀鈾,返回,天然放射性極強(qiáng)的物質(zhì)-鐳的發(fā)現(xiàn),1898年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)含有鈾或釷的物質(zhì)，都會(huì)有放射性，并發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)放射性物質(zhì)-鐳。 1902年，居里夫婦從瀝青礦渣中提煉出釙、鐳 。,居里夫婦,鐳的射線強(qiáng)度是純鈾的九百倍,揭開了原子時(shí)代的序幕,返回,射線和射線的發(fā)現(xiàn),1896年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)鈾和釷的兩種輻射在強(qiáng)磁鐵被分開了三股,“核子科學(xué)之父” 盧瑟福,1899年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了鐳的兩種輻射穿透本領(lǐng)不同： 第一種輻射不能貫穿1/50毫米鋁片，但能產(chǎn)生顯著的電效應(yīng)

6、。 命名為射線 第二種輻射，能貫穿約半毫米厚的鋁片，命名為射線。,1902年，物理學(xué)家盧瑟福與化學(xué)家索迪合作在對鈾、鐳、釷等元素的放射性研究中，提出了放射性元素的衰變理論：放射性原子是不穩(wěn)定的，它們自發(fā)性地放射出射線和能量，而自身衰變成另一種放射性原子，直至成為一種穩(wěn)定的原子為止。這種特性即放射性。 并提出了“原子能”的概念。,盧瑟福因此獲1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),盧瑟福、索迪元素衰變,以后，盧瑟福和索迪等人進(jìn)一步研究放射性元素遞次變化（即衰變鏈系）的線索，發(fā)現(xiàn)如下衰變鏈： 索迪因此及對同位素起源和性質(zhì)研究獲1921年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 元素衰變理論打破了自古希臘以來人們相信的原子永遠(yuǎn)是不生不滅的傳

7、統(tǒng)觀念，而認(rèn)為一種元素的原子可以變成另一種元素的原子。,盧瑟福、索迪元素衰變,返回,原子核模型,1911年，盧瑟福用射線轟擊原子，發(fā)現(xiàn)中間有個(gè)“原子核” 存在。核很小、堅(jiān)硬、很重并且?guī)д?。因此提出了原子核模型?在1932年發(fā)現(xiàn)中子后，蘇聯(lián)的伊凡寧柯和德國的海森堡先后提出了原子核是由質(zhì)子和中子組成的模型(質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子),原子核,“量子力學(xué)的奠基者之一” VK海森泊,質(zhì)子,中子,盧瑟福,返回,質(zhì)子的發(fā)現(xiàn),1914年 發(fā)現(xiàn)質(zhì)子（氫原子核） 1919年 第一次人工核反應(yīng) 4 He + 14 N 17 O + 1 H,盧瑟福原子,“核子科學(xué)之父” 盧瑟福,盧瑟福用鐳發(fā)射的粒子作“炮彈”，研究

8、被轟擊的粒子的情況。1919年，終于觀察到氮原子核俘獲一個(gè)粒子后放出一個(gè)氫核，同時(shí)變成了另一種原子核的結(jié)果， 14N 17Op 。 這是人類歷史上第一次實(shí)現(xiàn)原子核的人工衰變，使古代煉金術(shù)士夢寐以求的把一種元素變成另一種元素的空想變成現(xiàn)實(shí)。當(dāng)時(shí)盧瑟福寫了一本書就取名為新煉金術(shù)。,人工衰變,返回,中子的發(fā)現(xiàn),1920 盧瑟福預(yù)言： 原子核 = 質(zhì)子 +“中性粒子”？ 1930 博特和貝克爾（德）：Be 產(chǎn)生穿透力強(qiáng)的射線（斷言） 1932 約里奧居里夫婦 ：Be 產(chǎn)生“中性射線”，以為是射線。 疑惑: 射線能量很高? 1932 查德威克讀了居里夫婦文章，馬上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。指出： “中子的可能存在” 4

9、2He + 94Be 126C + n（中子）,查德威克,原子科學(xué)發(fā)展的第二個(gè)重大發(fā)現(xiàn),1932年：海森伯和伊凡寧柯各自獨(dú)立地提出了原子核是由質(zhì)子和中子組成的核結(jié)構(gòu)模型。 由于中子不帶電荷，不受靜電作用的影響，可以比較自由地接近以至進(jìn)入原子核，容易引起核的變化，因此，它立即被用來作為轟擊原子核的理想炮彈。,探索原子核奧妙的鑰匙中子,中子的發(fā)現(xiàn)為核物理學(xué)開辟了一個(gè)新的紀(jì)元，它不僅使人們對原子核的組成有了一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，而且為人工控制原子核提供了有效手段。它可以說是打開原子核奧秘的鑰匙，在開發(fā)原子能的偉大事業(yè)中大顯身手。,探索原子核奧妙的鑰匙中子,返回,1934 年約里奧.居里夫婦用 射線打擊鎂、

10、硼、鋁，發(fā)現(xiàn)在停止打擊后，這些元素還不斷地放出射線。 這些射線的強(qiáng)度逐漸減小，并遵守天然放射元素的衰變規(guī)律。,人工放射性核素的發(fā)現(xiàn),約里奧.居里夫婦,人工制造新物質(zhì),新、不穩(wěn)定,返回,裂變的發(fā)現(xiàn),費(fèi)米,原子核吸收一個(gè)中子只會(huì)變成下一個(gè)元素。原子核結(jié)合力太大，不可能分裂,1944年，哈恩因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了“重核裂變反應(yīng)”，榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,返回,“原子的火花”鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng),在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時(shí)，還放出兩、三個(gè)中子來,巨大能量,返回,第一顆原子彈曼哈頓計(jì)劃,1942年美國啟動(dòng)了取名為“曼哈頓計(jì)劃”的制造原子彈計(jì)劃，由奧本海默負(fù)責(zé)。 1945年7月16日，美國在新墨西哥州的一個(gè)30米高的鐵塔上

11、，進(jìn)行了人類第一次核試驗(yàn)。 核爆炸騰起的煙塵若垂天之云，極為恐怖。 在半徑為400米的范圍內(nèi)，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質(zhì)，半徑為1600米的范圍內(nèi)，所有的動(dòng)物全部死亡。 這顆原子彈的威力，要比科學(xué)家們原估計(jì)的大出了近20倍。,“原子彈之父” 奧本海默,1939年，愛因斯坦寫信給美國總統(tǒng)羅斯福，詳細(xì)闡述了研制原子彈的重要性。,“比一千個(gè)太陽還亮”,“漫天奇光異彩， 有如圣靈逞威， 只有一千個(gè)太陽， 才能與其爭輝。 我是死神， 我是世界的毀滅者?！?“原子彈之父” 奧本海默,廣島的“小男孩”和長崎的“胖子”,1945年8月6日美國向日本廣島投下原子彈，裝料為10公斤鈾235，當(dāng)量1.25萬噸

12、TNT ，因?yàn)樵搹椉?xì)長，被稱為 “小男孩”。,“小男孩”,8月9日，美國又在長崎扔下名為 “胖子”的第二顆原子彈。,“胖子”,威力更大的核武器氫彈的誕生,第一次使用熱核反應(yīng)裝置的核聚變試驗(yàn)， 1952年11月1日,1952年11月1日，美國采用熱核反應(yīng)裝置，進(jìn)行了人類首次熱核反應(yīng)核聚變試驗(yàn)。 1954年3月1日，代號(hào)為“城堡行動(dòng)”的人類第一顆可投式氫彈試驗(yàn)成功。其爆炸力為千萬噸級(jí)TNT當(dāng)量，幾乎是廣島原子彈的1000倍。 熱核武器的能量規(guī)模及殺傷力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原子核裂變武器。,氫彈空中爆炸的冷凝云,埃尼威托克的核爆炸,核武器發(fā)展的現(xiàn)狀,何謂核武器 原子彈、氫彈和中子彈及其由它們組裝起來的各種導(dǎo)彈

13、統(tǒng)稱為核武器。 核武器的5種殺傷因素 快如閃電、比太陽光還亮的光輻射 形同颶風(fēng)的沖擊波 早期可使人致命的核輻射 有斬不斷、理還亂的長期放射性污染 還有一種電磁脈沖 核武器的發(fā)展經(jīng)歷了三代 第一代為原子彈 第二代為氫彈 第三代是以中子彈為代表的、效應(yīng)可轉(zhuǎn)換的特種彈。,戰(zhàn)略導(dǎo)彈的核彈頭,我國的第一顆原子彈 1964年10月16日15時(shí),核軍備競賽開始,我國的第一顆氫彈 1967年6月17日,原子彈,最大的核爆炸(氫彈),足球場看臺(tái)下的第一座核反應(yīng)堆The Chicago Pile-1,1942年12月2日下午，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在芝加哥大學(xué)的足球場西看臺(tái)下的網(wǎng)球場，世界上第一座原子核反應(yīng)堆 “芝加哥”第一號(hào)（CP-1）開始運(yùn)行,揭開了人類利用原子能的序幕。,“反應(yīng)堆之父” 費(fèi)米,“芝加哥”第一號(hào),“人類于此首次完成自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的