人类生存发展与核科学

世界各国核电比例
我国核电机组状况
运行核电机组
在建核电机组
福岛事故后
福岛事故后
湖北要建内陆核电站
1, 工业基础好 2, 核科技人才齐全 3, 地理地质条件优: 地壳稳定, 水源充足.
宜建沿江沿湖核电站 优选厂址: 咸宁大畈 候选厂址: 阳新富池 备选厂址: 江夏保福
4, 交通便利 5, 领导重视
煤
化 石 类
气
核能
非 化 石 类
天然能源
其他
不同能源发电量的比例（2002）
其它 天然气 核电
美 国
俄 国 加拿大 德 国 法 国 印 度 英 国
世界能源储藏量
天然气
煤炭
铀
能源世界的“巨人”——核能
（一）、核能概述 1、核能含义 核能，俗称原子能。它是指原子核里的核 子（中子或质子）重新分配和组合时释放 出来的能量。 2、核能的分类 核能可分为两类：核裂变能，核聚变能。
人類與能源的關係
• 早期人類藉由太 陽、火及人力來 完成許多工作， 隨之便使用獸力 來耕種、利用風 力、水力帶動風 車來灌溉農田。 進而以大自然的 資源，如煤、天 然氣、石油、核 能等來產生熱、 動力及電力。
能源与环境
能源的分类: • 1、按来源分可分为三类： • （1）太阳能（2）地球本身蕴藏的能源（3）地球和 月球、太阳等天体之间有规律的运动所形成的能。 • 2、按能否再生性可分为：可再生能源，不可再生能 源。 • 3、按应用范围，技术成熟程度及经济与否来分：常 规能源，新能源。 • 4、按利用能源的形态不同来分：一次能源，二次能 源。
6d → 2 4 He + 2 p + 2n + 43.15MeV
3 4
原子核的聚变
• 聚变条件 v 库仑势垒：144KeV→2×72keV →5.6 ×108K v 聚变温度： ~108K，等离子体状态 v 等离子s/cm3 T=10keV
核能利用的历史
• 1933年，爱因斯坦移居美国 • 1938年，费米逃往美国 • 德国尚有普朗克、玻恩、海森堡、魏扎克、劳厄、 哈恩、盖革 • 1933年，匈牙利物理学家齐拉德（1898－1964） 已经意识到核能的开发可能用于军事
– 1935年，建议物理学家暂缓发表研究成果 – 1939年，玻尔认为核能利用为时尚早 – 1939年，说服美国政府抢在德国之前抓紧研制原子弹。 爱因斯坦、萨克斯、罗斯福
140
U * → 140 Xe + 94 Sr + 2 n
-
Xe → 140 Cs → 140 Ba → 140 La → 140 Ce Sr →
β
-
β
-
94
94
Y→
β
-
94
Zr
原子核的裂变
• 核裂变特征 D 裂变的碎块为丰中子素，因此， 不可能以β+或EC方式衰变； D 除中子外，其它粒子也可以诱发 衰变； D 伴随裂变产生的中子是实现链式 反应的关键。
世界能源发展趋势（续）
B.tce 可再生能源 核 水 能 电
天然气 石 煤 油 炭
传统生物能
• 化石燃料峰值在2030-2050左右 • 2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一半
2002年我国能源状况
• 一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，产量 为13.87亿吨标准煤，为世界第二大能源消 费国 • 一次能源以煤为主，占近70% • 人均能源消费水平还很低，只有世界平均 水平的一半 • 发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位 • 近年来我国能源需求已呈明显增长的趋势
2013-3-20
核能利用的历史
• 1919年，英国卢瑟福用α粒子轰击氮原子 核，使其嬗变成氧原子。 • 1932年，查得威克发现中子 • 1934年，法国约里奥－居里夫妇用α粒子 轰击铝，产生了一个磷的同位素，但很 快放出正电子蜕变为硅。 • 1933年，卢瑟福和爱因斯坦均没有意识 到原子能的实际利用近在眼前。
第2章 核能利用与核武器
1. 2. 3. 4.
核能与人类文明 原子核的裂变和聚变 核动力（核电） 核武器（原子弹和氢弹）
学习与思考
小论文：核能与人类生存发展的 关系如何？
人类利用能源的历史
• 从火的利用，蒸汽机的发明，电能的 应用和原子核能的开发利用，构成了人 类能源利用史上的四大重大发展阶段。
解决能源危机根本途径——核能
可开发的核裂变燃料资源可使用 上千年。 核聚变资 聚变资源可使用几亿年。
第2章 核能利用与核武器
1. 2. 3. 4.
核能与人类文明 原子核的裂变和聚变 核动力（核电） 核武器（原子弹和氢弹）
核反应堆和核电站
1. 热中子堆和快中子堆 2. 热中子堆的基本组成 3. 反应堆实现自持链式反应的临界条件 4. 核电站 5. 核电站作为一种新能源的特点
原子核的裂变
uU分裂过程： D n + 235 U →
144 β
-
236
U * → 144 Ba + 89 Kr + 3 n
β
-
Ba → 144 La → 144 Ce → 144 Pr → 144 Nd Kr →
β
-
β
-
β
-
89
β
-
89
Rb →
236 β
β
-
89
Sr →
β
-
89
Y
β
-
D
n + 235 U →
（二）核裂变能
• 1、核裂变反应 • 裂变：重金属元素的原子核吸收一个中子所 产生的核反应，会使这个重原子核分裂成两 个（或三个）更轻的原子核，并伴随能量释 放的过程。 • 2、核电站 • 核电站是利用原子核裂变反应放出的核能来 发电的装置。
（三）核聚变能
• 核聚变能是利用两 个或两个以上的较 轻的原子核在极高 温度下聚合成较重 的原子核过程中释 放出来的巨大能量。
核能利用的历史
• 1940年，美国政府正式大量拨款，启动“曼哈顿工程”， 格罗夫斯将军为行政首脑 • 1941年12月－1942年12月，费米在芝加哥研制原子反应 堆 • 铀的提纯 • 1943年1月－1945年7月。奥本海默在新墨西哥州的洛斯 阿拉莫斯主持原子弹研制。 • 1945年7月16日凌晨5时30分，第一颗铀原子弹试爆成功。 比一千个太阳都亮。 • 曼哈顿工程：动员50万人，耗费22亿美元，占用全国三 分之一的电力
湖北核电之路
80年代 开始筹划 1989.1 : 省政府办公厅文件 “关于成立湖北省核电站前期论证工 作委员会的通知” 1995年 专家呼吁-“湖北发展核电战略研讨会” 武汉市政府文件(1995)252号 “关于成立核电前期工作领导小组的通知” 2003年 前期工作已起动,正积极推进中 成立湖北省核电项目 前期工作领导小组, 与中电投合作, 予选厂址, 完成可行性研究， 并上报国家相关部门 2007年 中国科协年会《核能开发与内陆核电》专家论坛 2008年 湖北省人民政府与中国广东核电集团在北京签署了《合作开 发湖北核电项目建议》 2009年 中广核集团除加快推进咸宁核电项目，还在湖北浠水县、阳 新县等地开展了核电厂址普选，今后可能将进入国家核电中长 期发展规划。
原子核的裂变
• 裂变机制 D 液滴模型：表面张力−库仑斥力 D 可裂变率：复合核的库仑能与表面能之比
EC Z 2 / A1/3 Z2 χ ~ ~ = 2/3 ES A A
D 原子核裂变与否取决于复合核的激发能和 可裂变率。
原子核的裂变
u 核燃料
n + 235 U →
236
U* Pu
*
χ = 35 . 9 χ = 36 . 8
未来我国能源需求预测
• 2020年，我国一次能源需求值在25~33 亿吨标煤之间，均值是29亿吨标煤 Ø 煤 炭： 21~29亿吨 Ø 石 油： 4.0~4.5亿吨 Ø 天然气 ： 1600~2000亿立方米 Ø 发电装机容量：8.6~9.5亿千瓦 • 2050年要达到目前中等发达国家水平， 人均能源消耗应达3.0吨标煤以上， 能 源需求总量约为50亿吨标煤
核能利用的历史
• 1公斤核燃料相当于2500吨煤 • 1954年，苏联建成第一座小型原子能电站； 1956（英国），1957（美国） • 核电站：成本低、污染小、效率高，但事故 太可怕 • 1986年4月26日切尔诺贝利核电站第4号机组 发生爆炸。人为造成三道安全措施无效 • 1979年3月28日三里岛核电站二号堆事故， 由于多重安全系统发挥作用，后果不严重 • 核聚变
n + 239 Pu →
Ø Ø
240
235U是自然界仅有的能由热中子诱发裂变的核素。 238U是只能由快中子（>1MeV）诱发裂变，其主要原因是 238U是偶偶核素，外来中子的结合能比较小。
原子核的裂变
• Pu的生产
n + 238 U → 239 U + γ
239 239
U → 239 Np + e − + v e Np → 239 Pu + e − + v e
13
未来我国能源供应情景分析
60 50
（单位：亿吨标煤）
40 30 20 10 0 2002 2010 2020 2030 2040 2050
可再生能源 核能 水电 天然气 石油 煤 一次能源消费 （年份）
国内外核电发展现状
有核电的国家和地区：32个 共有441座核电站, 装机容量为3.66亿千瓦， 占世界总发电量17％，超过30％的有16个 国家。其中 法国 78％ 日本 34％ 英国 23％ 美国 20％ 俄罗斯 16％
世界能源发展趋势
• • • • 目前全世界能源总消费量为130亿吨标准煤， 2030年将增 加到220亿吨标准煤，电力消费增长更快 目前全世界能源总消费量中化石能占80%以上,今后50年 化石能仍将占主导 工业国家能源消费早期经历了由煤炭向石油、天然气等 优质能源转变，再进一步向可再生能源过渡 欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可 再生能源，每年增长率达30%以上
(T = 24 min) (T = 2.35d )
• U分离技术是制造原子弹的关键技术
原子核的裂变
• 临界质量：当体积太小 时，中子容易逃逸，无法 维持自持反应 D 热中子： 235U裂变的中子 能量峰值为1MeV,无法维 持自持反应 D 中子减速：重水和石墨
原子核的聚变
• 轻核聚变
d + d → 3 He + n + 3 . 25 MeV d + d → 3 H + p + 4 . 0 MeV d + H → He + n + 17 . 6 MeV d + 3 He → 4 He + p + 18 . 3 MeV
能源与环境
能源是指可能为人类利用以获得有用能量的各 种来源，象太阳能、风力、水力、蒸汽、化石 燃料及核能、潮汐能等等均可称为能源。
可再生能源：水力 常规能源 不可再生能源：煤炭、石油 可再生能源：太阳能、风能 新能源 不可再生能源：核燃料
一次能源 能源
二次能源：电力、焦碳、煤气、沼气、蒸汽、汽油
能源的种类 能源的种类
核能利用的历史
• 1944年底，盟军的特工小组已经发现 德国造不出原子弹 • 科学家的犹豫：
– 继续干吗？缺乏政治和道义上的支持 – 不干吗？不符合现代科学技术的精神 – 好的理由：应该让全人类知道它的威力
• 1945年8月6日，铀弹小男孩投到广岛； 8月9日，钚弹胖子投在长崎
核能利用的历史
• • • • • • • • 核军备竞赛：盟国之争 45年8月，斯大林下令抓紧研制原子弹 1949年8月，苏联成功地进行了核实验 1952年11月1日，美国试爆第一颗氢弹 1953年8月，苏联研制氢弹成功 1952年10月3日，英国研制成功原子弹 1960年2月13日，法国研制成功钚弹 1964年10月16日，中国试爆成功原子弹
核能利用的历史
• 1934年，意大利物理学家费米用中子轰 击原子核，并发现通过石蜡减速之后的 慢中子，裂核能力更强。费米因此获38 年物理奖。 • 1938年，德国哈恩发现铀嬗变后出现的 新元素与铀相距甚远。奥地利女物理学 家迈特纳提出核裂变猜想，以解释铀实 验。并称裂变过程要放出大量能量。 • 费米提出链式反应概念。
第2章 核能利用与核武器
1. 2. 3. 4.
核能与人类文明 原子核的裂变和聚变 核动力（核电） 核武器（原子弹和氢弹）
核能利用的历史
u 核裂变的发现 D 1939年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击U时， 产物中存在Ba。随后，梅特纳和弗里什指出：U在中 子的轰击下，裂变为两个中等质量核素。 D 1947年，钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象， 其发生几率约为二分裂的千分之三。