核能发电原理(课堂PPT)

“核子科学之父” 卢瑟福
卢瑟福原子
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人 工 衰 变
卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的 情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一 个氢核，同时变成另一种原子核的结果,14N＋ α17O＋p 。
这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼 金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。
石油
核能
氮氧化物NOx
非污染能的结构 煤
二氧化硫SO2
煤
天然气
天然气
石油 核能
核电正是“最安全、
石油 核能
最清洁、且经济效益
最高的电力资源”
15
加拿大皮克灵核电厂
核电站
16
日本美滨核电站
核电 站
17
中国秦山核电站（浙江海盐）
核电站
18
中国大亚湾核电站（广东深圳）
19
20
原子模型
中子
质 子
40万亿吨 2千多亿吨 源总量放出的能量大千万
倍.“无穷的能源”
13
返回
核能－－无穷的能源
核裂变能
铀、钍矿石
如全部利用， 能供使用 2400～2800年
海洋
核聚变能
40万亿吨 2千多亿吨
氘（来自海水）、锂
如实现可控核 聚变，能供使
用上千亿年 14 返回
地热
风能
太阳能
水 力
二氧化碳CO2
核能
煤
天然气
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第一颗原子弹－曼哈顿计划
1942年美国启动了取名为“曼哈顿
计划”的制造原子弹计19划39，年，由爱奥本
海默负责。
因斯坦写信
1州人94类的5第一年一个7月次301核米6日试高，验的美。铁国塔给 罗 细 制在上原美 斯 阐新，子国 福 述弹总 ， 了墨进的统 详 研西行哥了
核爆炸腾起的烟尘若垂重天要之性云。，极
为恐怖。
在半径为400米的范围内，沙石被
熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半 径为1600米的范围内，所有的动物 全部死亡。
这颗原子弹的威力，要比科学家们 原估计的大出了近20倍。
“原子弹之父” 奥本海默
40
足球场看台下的第一座核反应堆
The Chicago Pile-1
1942年12月2日下午，
美国费米实验室在芝加哥
性物质--镭。
1902年，居里夫妇从沥青
矿渣中提炼出钋、镭 。
居里夫妇
揭开了原子时代 的序幕
镭的射线强度 是纯铀的九百
倍
2返7 回
α射线和β射线的发现
1896年，卢瑟福发现铀和钍的两种辐 射在强磁铁被分开了三股
1899年，卢瑟福发现了 镭的两种辐射穿透本领 不同：
第一种辐射不能贯穿比 1/50毫米更厚的铝片， 但能产生显著的电效应。 命名为α射线
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➢在科学上，决不能轻易地放过偶然出现的 现象。
➢粗心的人是难有重要发现的，伟大的机会 到来时，常常被擦肩而过。因此，科学上想 要有成就，必须首先养成善于细心观察事物 的习惯和本领。
➢近代微生物学奠基人巴斯德说过一句话： “在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准 备的头脑。”
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无意中的伟大发现-- X射线
• 1932 查德威克读了居里夫妇文章，马第上二进个行重实大验发。现指出：
“中子的可能存在”
42He + 94Be → 126C + n（中子） 34
探索原子核奥妙的钥匙——中子
1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地 提出了原子核是由质子和中子组成的核结 构模型。
由于中子不带电荷，不受静电作用的影 响，可以比较自由地接近以至进入原子核， 容易引起核的变化，因此，它立即被用来 作为轰击原子核的理想"炮弹"。
核军备竞赛开始
1949年8月29日，苏联在亚洲中 亚西亚靠近塞米巴拉金斯克的地 方爆炸了第一颗原子弹。
１９５２年１１月１日 美国首 颗氢弹爆炸成功。
英国、法国、中国分别于 1952 年10月、1960年 2月和1964年10 月爆炸了各自的第一颗原子弹。
印度也 1974年 5月爆炸了它的 第一个核装置。
x射线时偶然发现铀盐能自发
永久地放出一种神秘的射线。
• 人们把这种自发放出射线的性 质叫放射性。
硫酸钾铀
亨利·贝克勒耳
放射性物质
原子科学发镭展的
形形色色的天然铀矿石的第形一态个重大铍发现
。。。
返回
26
天然放射性极强的物质--镭的发现
1898年，居里夫妇发现含
有铀或钍的物质，都会有
放射性，并发现了强放射
当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。
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中子的发现
查德威克
• 1920 卢瑟福预言： 原子核 = 质子 +“中性粒子”？
• 1930 博特和贝克尔（德）：α→Be 产生穿透力强的射线（断 言γ）
• 1932 约里奥·居里夫妇 ：α→Be 产生“中性射线”，以为是
γ射线。
疑惑: γ射线能量很高?原子科学发展的
现在停止打击后，这些元素 还不断地放出β射线。 • 这些射线的强度逐渐减小， 并遵守天然放射元素的衰变 规律。
约里奥.居里夫妇
3返7 回
裂变的发现
费米
原子核吸收一个中子只
会变成下一个元素。原
子核结合力太大，不可
能分裂
从被中子
轰击过的
铀中，测
得了镧的
同位素
约里奥.居里夫妇
哈恩和斯特拉斯曼
确认了中子轰击 铀原子会产生新 的较轻的元素
磁约束
82,000,000℃
43
卢瑟福
在1932年发现中子后，苏联的伊凡宁柯和德 国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中 子组成的模型(质子和中子统称为核子)
原子核
返回
质子 中子
“量子力学的奠基者 之一”
V·K·海森泊31
质子的发现
1914年 发现质子（氢原子核） 1919年 第一次人工核反应
4 He + 14 N → 17 O + 1 H
哈恩的实验 桌
提出了铀裂变的 理论，并发现了 裂变时放出核能
1938年
1944年，哈恩因为发
现了“重核193裂8年变反
返回
应”，荣获诺贝哈尔恩
化学奖。
1939年
梅特涅与侄子弗里施
38
“原子的火花”－－链式核裂变反应
在铀核裂变释放出巨大 能量的同时，还放出两、
三个中子来
哈恩 约里奥·居里 返回
巨大能量
原子
原子的尺寸：10-10m
电子
原子 核 原子核的尺寸：10-15m
质量数
132
质子数
同位素
中子数=质量数-质子数
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原子的放射性
衰变 衰变
衰变 物质自发放出射线的 性质叫放射性 也称为核辐射
22
居里夫人
与 核 能 相 关
贝克勒耳
的 伟
约里奥.居里夫妇
大 发 现
查德威克
图1-27 费米 费米 哈恩
美国的核电站（100多座）
其它
煤 电力
2%
37%
核能 17%
石油 11%
水力 天然气 18% 15%
我国秦山核电站于1991年并网发电。 世界电力能源结构（2000年） 42
人类的梦想――可控聚变反应堆
目前最高温度1,200,000℃
等离子体
托卡马克装置
地球上实现连
续聚变反应发
生的条件是温
度必须超过
1945年8月6日美国向日本 广岛投下原子弹，装料为 10公斤铀235，当量1.25万 吨TNT ，因为该弹细长， 被称为 “小男孩”。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
“小男孩”
“胖子”
8月9日，美国又在长崎 扔下名为 “胖子”的第 二颗原子弹。
7
威力更大的核武器――氢弹的诞生
• 1952年11月1日，美国采用 热核反应装置，进行了人类 首次热核反应核聚变试验。
核工程
1
2
氢弹
核能的用途
核武器
原子弹
船用核动力
核电
核舰艇
核动力航母
核电厂
3
➢原子弹爆炸的原理是什么？它是怎么造出来的？
4
➢原子弹和氢弹有什么不同？为什么？
5
“漫天奇光异彩， 有如圣灵逞威， 只有一千个太阳， 才能与其争辉。 我是死神， 我是世界的毁灭者。”
“原子弹之父6 ” 奥本海默
广岛的“小男孩”和长崎的“胖子”
并提出了“原子能”的概念。
卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖 29
卢瑟福、索迪——元素衰变
以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究 放射性元素递次变化（即衰变链系）的 线索，发现如下衰变链：
U T 1/2 几 百 万 R年 aT 1/2 10 多 0 0 年 Rn
B i P o Pb
35
探索原子核奥妙的钥匙——中子
中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅 使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工 控制原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘 的"钥匙"，在开发原子能的伟大事业中大显身手。
3返6 回
人工放射性核素的发现
• 1934 年约里奥.居里夫妇用
射线打击镁、硼、铝，发
1895年11月8日伦琴无意中发 现阴极射线管中有射线可以穿 过许多物体透视到荧光物质上 使其发光。
12月22 日，伦琴为夫人拍下
了第一张x射线照片。
未知的射线--x
获得第一枚诺贝 尔物理学奖
返回
金戒指
1895/12/2 2
现代物理学的 揭幕人
威廉•伦琴
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天然放射性的发现
• 1896年，亨利·贝克勒耳研究
大学的足球场西看台下的
网球场，世界上第一座原
子核反应堆 “芝加哥”
第一号（CP-1）开始运 行,揭开了人类利用原子
“芝加哥”第一
能的序“人幕类。于此首次完成自持链 号
式反应的实验并因而肇始
了可控的核能释放。”
“反应堆之父” 41 费米
核能和平利用的历程
全上19世世51界纪年目7，0前年美有代国核中利电期用站，一4进座41入生多了产座发钚，展的占核反全电应世站堆界的电高余力潮热供试应验的发电 17%， （截止2005年1月） 1954年，苏联建成世界上第一座核电站 美国、英国和法国相继建成一批核电站
巴南朝我基非鲜斯、等国坦伊国的也拉也已克有第经、研一制试伊爆朗原颗了、子核 利弹原我弹 比的子国。 亚计、划弹的。第一颗最氢大(弹氢的核弹爆) 炸
现60在0俄01至罗986斯40与年00美1枚0国月核各1弹6拥日头有1，大5时掌约握1967年6月17日
着世界上绝大多数核武器。
原子弹
9
➢核电厂会不会像原子弹一样爆炸？切尔诺贝利 核电站事故是怎么发生的？
• 1954年3月1日，代号为“城 堡行动”的人类第一颗可投 式氢弹试验成功。其爆炸力 为千万吨级TNT当量，几乎 是广岛原子弹的1000倍。
• 热核武器的能量规模及杀伤 力远远超过了原子核裂变武 器。
第一次使用热核反应装置的核 聚变试验， 1952年11月1日
氢弹空中爆炸的冷凝云
埃尼威托克的核爆炸 8
➢核电站的第4号核反应堆在进行半烘烤实验中突
然失火，8吨多强辐射物质泄露，其辐射量相当于
500颗美国投在日本的原子弹
10
➢反应堆有哪些类型？各是什么原理？
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核能在能源结构中的地位和作用
12
地球核能储量
490万 275万吨 吨铀、 钍矿
铀矿石
核裂变反应
核裂变能
海洋
核聚变反应
核聚变能
氘、锂
所释放的能量比全世界现有能
第二种辐射，能贯穿约 半毫米厚的铝片，命名 为β射线。
“核子科学之父” 卢瑟福
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卢瑟福、索迪——元素衰变
1902年，物理学家卢瑟福与化学家 索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放 射性研究中，提出了放射性元素的衰 变理论：放射性原子是不稳定的，它 们自发性地放射出射线和能量，而自 身衰变成另一种放射性原子，直至成 为一种稳定的原子为止。这种特性即 放射性。
索迪因此及对同位素起源和性质研究 获1921年诺贝尔化学奖。
元素衰变理论打破了自古希腊以来人
们相信的原子永远是不生不灭的传统观
念，而认为一种元素的原子可以变成另
一种元素的原子。
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原子核模型
1911年，卢瑟福用α射线轰击原子，发现中 间有个“原子核” 存在。核很小、坚硬、 很重并且带正电。因此提出了原子核模型。