第八章核能及其风险利弊

32
反应堆的结构：
轻水型 壳体 冷却剂
减速剂 核反应堆
重水型 石墨型
中子反射层
核燃料
压缩的铀
天然的铀
33
控制棒
控制棒: 控制链反应,用中子吸收
截面大但本身又不发生裂变的 B,Cd,Hf等制成;
34
中子反射层:阻止中子逃到堆
外，一般用石墨或铍做成；
35
慢中子引 发的链式 反应过程
慢中子引发链式反应
23
T1 2
0 lg N N
4. 天然放射系
钍系：母体是（ T1/2 为 1.41 × 10 10 年） , 系
列中有13种核素
24
铀系：母体是（T1/2为4.51×109年）,系列中
有19种核素；
25
锕系：母体（ T1/2 为 7.1 × 10 8 年） , 系列中有
17种核素。
7
3. 天然气：
天然气燃烧产生的灰分极少，与煤、石油相比， 是一种较清洁的能源。 天然气的大量开采会引起地表沉降。
8
资源缺乏
9
三、21世纪—核能时代
核能的优点：
（1）可产生惊人能量； （2）核燃料储量丰富； （3）核能发电较经济； （4）核能是清洁的能源； （5）核能能量密集，运输量小。
10
不同形式能的品位
4
二、 化石燃料的应用与污染
1.煤：存储量大且转化
为热、电能等的技 术 相对简单。 大约平均每吨煤燃烧 排放出二氧化硫 30千克，颗粒尘30 千克。
北京的冬日，由 于燃煤取暖，造 成大气污染
5
6
2. 石油：
密度小、容易开采、便于运 输、 发热量比煤炭高1倍。 石油燃烧的产物主要是CO、 CO2、氮氧化合物、二氧 化 以及各种碳氢化合物。
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轻水堆核电站
沸水反应堆核电站示意图
压水反应堆核电站示意图 37
增殖反应堆
在可裂变的U-235燃料外面放一层 不裂变的物质U-238和Th-232，里面 的U-235作为中子源，U-235产生的 中子使U-238和Th-232发生链反应， 分别转变为可裂变的PU-239和U-233, 将U-238增殖成PU-239。
N=N0e-λt
（λ为衰变常数）
20
N0 当 N= 2
t= T1/2 时， 式1
式2
T1
wenku.baidu.com
2
0.693 = Ln2 =
t = 3.32 T 1 lg N0 N 2
21
例题
[例1] 通过分析测定某岩石，有1mg铀238就有0.275mg铅-206，试计算此 岩石的年龄。
22
解：假设现在岩石中铀 -238 总量为 1mg ，则此岩石
38
核电站的冷却设备
裂变核电站的 发电效率约为 30～33%，大 约67%的热能 的废热形式出 现。
核电站的冷却塔
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(三) 核聚变、氢弹与
聚变电站
1.定义：由2个或多个轻原子核聚合成
一个较重的原子核的过程为核聚变。 2.太阳中的氢核聚变：
聚变反应示意图
40
3.核聚变的条件： 需要高能量以克服两个带正电核之间 的巨大排斥力。
I 为人类谋福的核
——核能的利用
我 国 的 秦 山 核 电 站
1
一、 能源简介
1.分类
太阳能
按来源
地球本身蕴 藏的能量 地球和其他 天体相互作 用而产生的 能量
按基本 形态
一次 能源 二次 能源
按性质
燃料性 能源
非燃料 性能源
2
能源分类（按基本形态）
3
不同形式能的品位
熵值越小
的能品位 越高，反 之则越低。
4.氢弹的制造原理:
利用一个小的原子弹作为引爆装置，产 生瞬间的高温引发上述聚变反应发生强 烈爆炸。不控制的聚变反应是氢弹的基 础。
41
5.聚变电站: 燃料为氘，氚
受控核聚变反应点火的条件： 1）高温 2）等离子体的约束
3）耐高温容器
42
核聚变的优点：
(1)释放能量巨大 (2)无放射性污染，无难于处理的废料 (3)原料丰富。
——放射性对环境的危害
沙奇海 特异湾 平而战 民又争 无中 奈装 的束
58
一、无形杀手——放射性污染
1. 放射性污染的特点
(1)持续性
(2)难以消除
(3)滞后性
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2. 射线
(1)α 射线: 穿透力较小，在空气中易被吸收，外照射 对人的伤害不大，但其电离能力强，进入人体后会 因内照射造成较大的伤害 (2)β 射线:是带负电的粒子，穿透能力较 强； (3) γ 射线 : 是波长很短的电磁波，穿透能力极强对人 的危害最大。
◆慢性效应:
癌症、白血病、皮肤、肺、卵巢、 造血器官出现恶性肿瘤、免疫能力 降低、遗传障碍等。在妊娠期间受 到辐射极易使胚胎死亡或形成畸胎。
45
4.剂量当量与剂量当量率：
剂量当量：
希沃特（Sv） 1Sv=1J/kg 雷姆（Ram） Ram=0.01Sv Ram/h
剂量当量率（H）：Sv/h
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三、 核反应的能量
1.爱因斯坦质-能公式：△E=△mc
2
〔例2〕试计算1克U-235按下式裂变时所
产生的能量：
235 92 1 0 142 56
中原有铀 -238 的总量为 1mg 加上衰变为铅 -206 的 量： 238 238 92 U = 1mg + 206 × 0.257mg =1.297mg U 查表知 半衰期 代入式2计算： t=3.32
238 92
=4.5×10
T2
1
9
=3.32×4.5× 109×lg 0.297 1.000 9 =1.7×10（年） 答：此岩石的年龄为1.7×109年。
1克U-235放出的能量:
1 E 1.903510 235.0439 7 8.110 KJ / g
10
49
化石燃料放出的能量:
1克煤完全燃烧:
C (石墨) O2 ( g ) CO2 ( g ), r H m 393.5 KJ / m ol 1g : r H (298.15K ) 5.44KJ / g
1克石油完全燃烧:
25 C8 H 8 (l ) O2 ( g ) 8CO2 ( g ) 9 H 2O(l ) 2 r H m (298.15K ) 5.44103 KJ / m ol 1g : r H (298.15K ) 47.7 KJ / g
50

1克天然气完全燃烧:
CH 4 ( g ) 2O2 ( g ) CO2 ( g ) 2 H 2O(l ) r H m (298.15K ) 890KJ / m ol 1g : r H (198.15K ) 55.6 KJ / g

51
[例3] 试计算1克H-2 和 H-3 按下式 发生聚变时放出的能量:
1g E 1.69710 KJ / m ol (2.014 3.016) g / m ol
9
1g:
3.37 108 KJ
53
2.核平均生成能
核平均生成能是指中子与质子形成核时所放
出的能量。
核的平均生成能
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最稳定的核是质量数接近60的核；质量数 大于60的核能量较高，不稳定；小于60， 则进入高能量区。 裂变：能量较高的重核分裂成质量中等， 能量也低的核，核中的每个核子都从较高的 能量状态降到较低能量状态而释放能量；
2 1
摩尔质量 g/mol
H H H n
3 1 4 2 1 0
4.00150 1.00867
2.01355 3.01550
52
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/mol
1.定义：原子核自发地发生核结构的改变称为
核衰变或放射性衰变。
2. 类型：
α 衰变 β 衰变
γ 衰变
正电子衰变 电子俘获
15
(1)α 衰变
α 射线是氦-核（又称α 粒子），用
4 2
或 He
4
表示。
222
86
2
α
Rn →
218
84
Po +
4
2
He
每次α 衰变后使质量数减少4，质子数 减少2。
16
48
E m c2 (0.2118103 kg / m ol) (2.9979108 m s 1 ) 2 1.0903510 kg m s m ol
13 2 2 1
1.903510 J / m ol
13 10
1.903510 KJ / m ol
链反应 的过程
中子诱发U-235裂 变形成链式反应
28
3.临界质量
为什么金属铀在一般情 况下不会发生链式裂变 反应而自发爆炸?
天然铀块质量小且可裂变的U-235只有 0.711%,99%以上均为不能发生连续裂变的 U-238. 在有中子反射层时,U-235的临界质量为 10kg.
29
4.原子弹
26
（二）核裂变、原子弹与核电站
1.定义：用中子打击重原子核而使原子核 分
裂的反应。
+
1 0 235 92
U
n
较重碎核 + 较轻碎核 + 中子
裂变产物一般仍具放射性。
可裂变物质有U-235，U-233，Pu-239等。
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2.核裂变链式反应
“链收敛” 幸存中子数平均不到1
“链发散”
幸存中子数平均大于1
(2) β 衰变：
β 粒子是电子，用
速粒子流。
0 -1 e
或 表示， β 射线是高
0 -1β
1 n 0
→
1 0 + -1 e 1P
每次β 衰变后质量数都不变，而质子数 增加1。
17
(3)
γ 衰变：

γ 射线是波长很短的电磁辐射（高能量的光 0 表示。 γ 子），用 0 γ 衰变表示损失能量，既不改变质量数， 也不改变质子数。
让裂变反应所 释放的能量不 断积聚，则可 以在瞬间酿成 巨大的爆炸， 这就是制造原 子弹的基本原 理。
原子弹的基本构造
30
核弹爆炸过程示意图
0秒
11秒
37秒
110秒
爆炸
振波
对流风
蘑菇云
31
5. 核电站
基本工作原理：
控制幸存中子数恰好为1,使核裂变链式反应 在一定程度上连续进行，反应产生的能量加热 反应堆核心的水，产生蒸汽推动发电机工作 。
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二、 放射量及其单位
1.放射性活度：
贝可勒尔（Bq） 1Bq=1s 居里（Ci） 1Ci=3.7×10
-1 10
Bq
2.照射量与照射量率：
照射量：库仑每千克空气（C/kg） 伦琴（R) 1R=2.58×10 C/kg -4 照射量率： C/kg﹒s R/s
44
3.吸收剂量与吸收剂量率：
吸收剂量： 焦尔每千克（J/kg） 戈瑞（Gy） 1 Gy=1 J/kg -2 拉德（Rad） 1 Rad=10 Gy 吸收剂量率：Gy/s Rad/s
聚变：将较轻的核合成质量中等的核，从 而释放更多的能量。
55
〔例3〕使用核的平均生成能图，粗略计算1克 U-235按下式裂变释放出的能量。
56
解：从图可查知核的平均生成能为
可按照求化学反应的生成热的方法计算Δ Hm
1g铀裂变的焓变为：
答：1g铀-235裂变放出能量85GJ。
57
III 核—— 一柄双刃剑

18
(4)正电子衰变：
正电子用
1 1
0 e 表示。 1
P →
1 0
n+
0 1
e
(5)电子俘获：
核从内层俘获一个电子，使质子转变为中子。
1 1P
+
0 -1 e
→
1n 0
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3. 半衰期
符号：
定义：半衰期是一放射性元素衰变到原
T1 2
来一半数量所需时间。
公式：
N0：放射性元素衰变之前的数目 N：衰变到某一时刻t时剩下的该核的数目
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3. 放射性物质进入人体的途径
放射性物质主要
通过食物链经消 化道进入人体； 其次是放射性尘 埃给呼吸道进入 人体；通过皮肤 吸收的可能性很 小。
放射性物质进入人体的途径
61
4. 放射性物质的机体效应
◆急性效应 : 头痛、头晕、食欲不振，睡眠
障碍等神经系统和消化系统的 症状，继而出现白细胞和血小 板减少甚至导致死亡。
核能的广泛应用
考古 地质 国防
原子弹爆炸
11
医学 交通运输
X光照射下的
人手指
12
II 核是如何工作的
—核能的产生与应用原理
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一、 核反应
核反应则是外来粒子与核中的质子和中
子相互作用，使原子核受到激烈的扰动。
核反应可以为核衰变，核裂变和核聚变
三类。
14
（一） 核衰变
U n Ba Kr 3 n
91 36 1 0
47
解：
235 92
U n Ba Kr 3 n
1 0 142 56 91 36 1 0
摩尔质量 235.0439 1.00867 141.9092 90.9056 （g/mol）
△m=(141.9092+90.9056+3×1.00867)(235.0439+1.00857) =-0.2118g/mol=-0.2118×10-3kg/mol