一、核能的基本概念：從“微觀粒子”到“宏觀能量”演講人01核能的基本概念：從“微觀粒子”到“宏觀能量”02核能的原理機(jī)制：從“原子碰撞”到“能量轉(zhuǎn)換”03核能的應(yīng)用實(shí)踐：從“電力供應(yīng)”到“多場(chǎng)景賦能”04核能的安全發(fā)展：從“歷史教訓(xùn)”到“技術(shù)革新”05總結(jié)：核能的“現(xiàn)在與未來(lái)”，與你有關(guān)目錄2025高中科技實(shí)踐之核能基礎(chǔ)知識(shí)課件各位同學(xué)：大家好！我是從事核能領(lǐng)域研究與科普工作十余年的科研工作者。今天，我將以“核能基礎(chǔ)知識(shí)”為核心，結(jié)合高中科技實(shí)踐的需求，帶大家推開核能世界的大門。為什么選擇核能？因?yàn)樗侨祟悜?yīng)對(duì)能源危機(jī)的“戰(zhàn)略級(jí)武器”，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵支撐，更是當(dāng)代青少年理解前沿科技的重要窗口。接下來(lái)，我們將從“基礎(chǔ)概念—原理機(jī)制—應(yīng)用實(shí)踐—安全發(fā)展”四個(gè)維度逐步深入，希望通過(guò)這堂課件，不僅讓大家掌握知識(shí)，更能激發(fā)你們探索科技的熱情。01核能的基本概念：從“微觀粒子”到“宏觀能量”核能的基本概念：從“微觀粒子”到“宏觀能量”要理解核能，首先需要明確它的“身份”。核能（NuclearEnergy），又稱原子能，是通過(guò)核反應(yīng)（包括核裂變、核聚變和核衰變）從原子核釋放的能量。它與我們熟悉的化學(xué)能（如燃燒煤炭）有本質(zhì)區(qū)別——化學(xué)能源于原子外層電子的重新排列，而核能直接來(lái)自原子核內(nèi)部的質(zhì)量虧損（根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2，極小的質(zhì)量損失可轉(zhuǎn)化為巨大能量）。1核能的分類：裂變與聚變的“雙生兄弟”核能的釋放主要通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：核裂變（NuclearFission）：重原子核（如鈾-235、钚-239）在中子轟擊下分裂成兩個(gè)較輕的原子核，并釋放2-3個(gè)中子和能量。這一過(guò)程會(huì)引發(fā)“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”——新產(chǎn)生的中子繼續(xù)轟擊其他重核，形成持續(xù)的能量釋放。例如，1克鈾-235完全裂變釋放的能量相當(dāng)于2.7噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的熱量。核聚變（NuclearFusion）：輕原子核（如氘、氚）在極高溫度和壓力下結(jié)合成較重的原子核（如氦），同時(shí)釋放巨大能量。太陽(yáng)的能量便來(lái)自氫聚變成氦的反應(yīng)。1升海水中含有的氘聚變釋放的能量，相當(dāng)于300升汽油燃燒的熱量。2核燃料：能量的“火種”核裂變的主要燃料是鈾-235（天然鈾中僅占0.7%，需濃縮至3%-5%用于核電站）和钚-239（可通過(guò)核反應(yīng)堆中鈾-238吸收中子生成）。核聚變的燃料則是氘（海水中儲(chǔ)量約40萬(wàn)億噸）和氚（需人工制備）。值得一提的是，我國(guó)在釷資源利用上已取得突破——釷-232可轉(zhuǎn)化為鈾-233作為裂變?nèi)剂希覈?guó)內(nèi)蒙古白云鄂博礦的釷儲(chǔ)量占全球22%，這為未來(lái)核燃料多元化提供了新路徑。3核能的“獨(dú)特標(biāo)簽”：高密度與長(zhǎng)周期與化石能源相比，核能的能量密度堪稱“天文數(shù)字”：1千克鈾-235裂變釋放的能量是1千克煤的270萬(wàn)倍；與可再生能源（如風(fēng)電、光伏）相比，核能的供能穩(wěn)定性更突出——核電站年運(yùn)行小時(shí)數(shù)可達(dá)7000-8000小時(shí)（風(fēng)電約2000-3000小時(shí)），可作為“基荷能源”支撐電網(wǎng)穩(wěn)定。這些特性決定了核能在能源體系中不可替代的地位。02核能的原理機(jī)制：從“原子碰撞”到“能量轉(zhuǎn)換”核能的原理機(jī)制：從“原子碰撞”到“能量轉(zhuǎn)換”理解了核能的基本概念，我們需要深入其“運(yùn)作邏輯”。無(wú)論是核電站發(fā)電，還是未來(lái)的可控核聚變，其核心都是“控制核反應(yīng)→釋放能量→轉(zhuǎn)化為電能”的過(guò)程。1核裂變的“控制藝術(shù)”：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的“油門與剎車”核裂變的關(guān)鍵是控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率。以壓水堆（全球最主流的核電站堆型）為例：慢化劑：天然鈾中的鈾-235更易吸收慢中子（速度較低的中子），因此需要用輕水（H?O）或重水（D?O）作為慢化劑，將裂變產(chǎn)生的快中子減速。控制棒：由硼、鎘等易吸收中子的材料制成，通過(guò)插入或提升控制棒，調(diào)節(jié)堆芯內(nèi)中子數(shù)量，從而控制反應(yīng)速率。插入越深，吸收中子越多，反應(yīng)越慢；完全提出則可能達(dá)到臨界狀態(tài)（自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）。冷卻劑：輕水同時(shí)作為冷卻劑，將堆芯產(chǎn)生的熱量帶出，防止過(guò)熱。冷卻劑在閉合回路中循環(huán)，依次經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、冷凝器，完成“熱能→機(jī)械能→電能”的轉(zhuǎn)換。2核電站的“能量轉(zhuǎn)換鏈”：從原子到電流STEP5STEP4STEP3STEP2STEP1以我曾參與調(diào)研的福清核電站（采用“華龍一號(hào)”堆型）為例，其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程可拆解為四步：核裂變產(chǎn)熱：鈾-235在堆芯發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎?，釋放熱能（堆芯溫度約300℃）。一回路傳熱：高壓輕水（約155個(gè)大氣壓）作為冷卻劑，將堆芯熱量帶至蒸汽發(fā)生器。二回路生汽：一回路的熱量傳遞給二回路的水（壓力較低），使其沸騰產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。汽輪機(jī)發(fā)電：蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后蒸汽在冷凝器中被海水冷卻，重新變?yōu)樗?，循環(huán)使用。3核聚變的“終極挑戰(zhàn)”：人造太陽(yáng)的“三重門檻”核聚變雖能量更大、燃料更豐富（氘可從海水中提取），但實(shí)現(xiàn)可控卻極為困難——需要同時(shí)滿足“高溫、高壓、約束時(shí)間”三大條件：高溫：需要1億℃以上的溫度（太陽(yáng)核心約1500萬(wàn)℃），使原子核克服庫(kù)侖斥力結(jié)合。高壓：通過(guò)磁場(chǎng)（如托卡馬克裝置）或激光（慣性約束）將等離子體約束，使其密度足夠高。約束時(shí)間：等離子體需被約束足夠長(zhǎng)時(shí)間（秒級(jí)以上），才能維持持續(xù)聚變。目前，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目正在法國(guó)建設(shè)，我國(guó)承擔(dān)了其約9%的部件制造（如“人造太陽(yáng)第一壁”）。2023年，我國(guó)的“東方超環(huán)”（EAST）實(shí)現(xiàn)了1.2億℃、101秒的等離子體運(yùn)行，刷新了世界紀(jì)錄，這讓我們離“人造太陽(yáng)”的夢(mèng)想更近了一步。03核能的應(yīng)用實(shí)踐：從“電力供應(yīng)”到“多場(chǎng)景賦能”核能的應(yīng)用實(shí)踐：從“電力供應(yīng)”到“多場(chǎng)景賦能”核能不僅是“發(fā)電主力”，其應(yīng)用已延伸至醫(yī)療、工業(yè)、科研等多個(gè)領(lǐng)域。下面，我將結(jié)合實(shí)際案例，帶大家看看核能如何“融入生活”。1電力領(lǐng)域：穩(wěn)定供應(yīng)的“能源基石”全球約10%的電力來(lái)自核能（2022年數(shù)據(jù)），法國(guó)核能占比高達(dá)69%，我國(guó)核電占比約5%（2023年），但發(fā)展迅速——目前我國(guó)在運(yùn)核電機(jī)組55臺(tái)，在建23臺(tái)，均居全球第一。以“華龍一號(hào)”為例，單臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量可達(dá)100億度，可滿足1000萬(wàn)人口的年度用電需求，相當(dāng)于每年減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗312萬(wàn)噸、二氧化碳排放816萬(wàn)噸（約等于植樹7000萬(wàn)棵）。2非電領(lǐng)域：“核能+”的創(chuàng)新實(shí)踐核供熱：2022年，山東海陽(yáng)核電站實(shí)現(xiàn)全國(guó)首個(gè)“零碳”供暖項(xiàng)目，為20萬(wàn)居民提供冬季供暖，替代了12臺(tái)燃煤鍋爐，每年減少碳排放18萬(wàn)噸。01同位素應(yīng)用：核反應(yīng)堆可生產(chǎn)醫(yī)用同位素（如鈷-60用于腫瘤放療，碘-131用于甲狀腺疾病治療）。我國(guó)四川綿陽(yáng)的中國(guó)工程物理研究院，每年為全國(guó)提供80%以上的醫(yī)用鈷-60。02空間探索：放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)（如钚-238）為“旅行者號(hào)”“好奇號(hào)”等深空探測(cè)器提供能源，因其不受光照限制，可在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的環(huán)境中持續(xù)工作數(shù)十年。033高中科技實(shí)踐的“可操作方向”對(duì)于同學(xué)們來(lái)說(shuō)，核能實(shí)踐不必局限于理論，可從以下方向入手：數(shù)據(jù)調(diào)研：收集我國(guó)核電站分布數(shù)據(jù)（如寧德、紅沿河、田灣等），分析其與能源需求、地理?xiàng)l件的關(guān)系。模型制作：用樂高或3D打印制作壓水堆模型，標(biāo)注堆芯、控制棒、蒸汽發(fā)生器等關(guān)鍵部件?？破諏?shí)驗(yàn)：通過(guò)“中子模擬實(shí)驗(yàn)”（用小球模擬中子碰撞）理解鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，或用蓋革計(jì)數(shù)器檢測(cè)環(huán)境輻射（需在專業(yè)指導(dǎo)下進(jìn)行）。04核能的安全發(fā)展：從“歷史教訓(xùn)”到“技術(shù)革新”核能的安全發(fā)展：從“歷史教訓(xùn)”到“技術(shù)革新”提到核能，許多同學(xué)會(huì)聯(lián)想到“核輻射”“核事故”。事實(shí)上，核能是目前最安全的能源之一——根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）數(shù)據(jù)，每太瓦時(shí)（TWh）電力生產(chǎn)的致死率，煤電為24.6人，天然氣為4.4人，而核電僅0.04人（主要來(lái)自礦難等前端環(huán)節(jié)）。但安全從不是“天生的”，它源于對(duì)歷史的反思和技術(shù)的迭代。1歷史事故的“警示課”：切爾諾貝利與福島的教訓(xùn)切爾諾貝利（1986年）：蘇聯(lián)RBMK堆型（石墨慢化、水冷）設(shè)計(jì)缺陷+操作失誤，導(dǎo)致控制棒插入時(shí)反而加速反應(yīng)，堆芯爆炸，放射性物質(zhì)擴(kuò)散至歐洲。事故直接致死31人，后續(xù)可能增加約4000例癌癥病例。其教訓(xùn)是：反應(yīng)堆設(shè)計(jì)必須具備“負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)”（溫度升高時(shí)反應(yīng)速率自動(dòng)降低），且需嚴(yán)格的安全殼結(jié)構(gòu)。福島核事故（2011年）：日本福島第一核電站因9級(jí)地震引發(fā)海嘯，淹沒應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)失效，堆芯熔毀。事故暴露了“單一極端事件應(yīng)對(duì)不足”的問題——現(xiàn)代核電站已要求“超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故”的應(yīng)對(duì)能力（如AP1000的非能動(dòng)安全系統(tǒng)，無(wú)需電力即可利用重力和自然循環(huán)冷卻）。2現(xiàn)代核安全的“三道防線”為確保萬(wàn)無(wú)一失，核電站采用“縱深防御”原則，設(shè)置多重屏障：第一道屏障：燃料包殼：二氧化鈾燃料被制成陶瓷芯塊，密封在鋯合金包殼中（厚度約1毫米），可阻擋98%以上的裂變產(chǎn)物釋放。第二道屏障：反應(yīng)堆壓力容器：厚約20厘米的鋼制容器，能承受高壓（約150個(gè)大氣壓）和高溫，防止冷卻劑泄漏。第三道屏障：安全殼：由鋼筋混凝土（厚約1米）和鋼襯里組成的密閉建筑，可抵御飛機(jī)撞擊、地震等外部事件，即使堆芯熔毀，也能將放射性物質(zhì)限制在內(nèi)部。3核能的未來(lái)：更安全、更高效的“第四代”為解決現(xiàn)有反應(yīng)堆的不足，國(guó)際上提出了“第四代核能系統(tǒng)”（Gen-IV），目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“固有安全、資源高效、廢物最少、防擴(kuò)散”。我國(guó)在該領(lǐng)域已走在前列：高溫氣冷堆（山東石島灣）：采用氦氣冷卻，堆芯出口溫度達(dá)750℃（未來(lái)可提升至1000℃以上），可用于高溫制氫；其“球床堆”設(shè)計(jì)即使失去冷卻，也能通過(guò)石墨慢化劑的良好導(dǎo)熱性自然冷卻，避免熔堆。快中子堆（福建霞浦）：利用快中子（無(wú)需慢化劑）轟擊鈾-238，生成钚-239并繼續(xù)裂變，可將鈾資源利用率從1%提升至60%以上，實(shí)現(xiàn)“核燃料閉式循環(huán)”。05總結(jié)：核能的“現(xiàn)在與未來(lái)”，與你有關(guān)總結(jié)：核能的“現(xiàn)在與未來(lái)”，與你有關(guān)同學(xué)們，今天我們從核能的基本概念講到應(yīng)用實(shí)踐，從安全發(fā)展講到未來(lái)方向。我想強(qiáng)調(diào)三點(diǎn)：第一，核能是“清潔能源的支柱”——它不排放二氧化碳，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵；第二，核能是“科技創(chuàng)新的前沿”——從裂變到聚變，從反應(yīng)堆設(shè)計(jì)到同位素應(yīng)用，每一步都需要跨學(xué)科的智慧；第三，核能的未來(lái)“與你們息息相關(guān)”——今天的高中科技實(shí)踐，可能就是明天你參與“人造