1、核工程導論,第一章 核能在能源結構中的地位和作用,楊燕華 上海交通大學核科學與系統(tǒng)工程系 2009年,核能,能源消費變革的主線,18世紀的煤炭,20世紀2060年代,煤,再生能源,20世紀末,21世紀,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世紀末增加2倍多，能源消費增加16倍多。,能源危機,化石能源儲量有限！,能源消費不斷增加！,返回,再生能源,水力,風能,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（如各種化工廠、煉焦廠等）過程中產生的廢氣,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,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、且經濟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 費米,認識核能微觀世界的里程碑,X射線,天然放射性,質子和中子,放射性物質,人工放射性,射線和射線,鈾裂變,原子核的組成,核能,與核能相關的偉大發(fā)現(xiàn),貝克勒耳,居里夫人,約里奧.居里夫婦,費米,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獎,1895/12/22,現(xiàn)代物理學的揭幕人 威廉倫琴,返回,1896年，亨利貝克勒耳研究X射線時偶然發(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、放出射線的性質叫放射性。,天然放射性的發(fā)現(xiàn),放射性物質,形形色色的天然鈾礦石的形態(tài),鐳 鈹 。,亨利貝克勒耳,原子科學發(fā)展的第一個重大發(fā)現(xiàn),硫酸鉀鈾,返回,天然放射性極強的物質-鐳的發(fā)現(xiàn),1898年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)含有鈾或釷的物質，都會有放射性，并發(fā)現(xiàn)了強放射性物質-鐳。 1902年，居里夫婦從瀝青礦渣中提煉出釙、鐳 。,居里夫婦,鐳的射線強度是純鈾的九百倍,揭開了原子時代的序幕,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磁鐵被分開了三股,“核子科學之父” 盧瑟福,1899年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了鐳的兩種輻射穿透本領不同： 第一種輻射不能貫穿1/50毫米鋁片，但能產生顯著的電效應

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，物理學家盧瑟福與化學家索迪合作在對鈾、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年諾貝爾化學獎,盧瑟福、索迪元素衰變,以后，盧瑟福和索迪等人進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研究獲1921年諾貝爾化學獎。 元素衰變理論打破了自古希臘以來人們相信的原子永遠是不生不滅的傳

7、統(tǒng)觀念，而認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“原子核” 存在。核很小、堅硬、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子和中子組成的模型(質子和中子統(tǒng)稱為核子),原子核,“量子力學的奠基者之一” VK海森泊,質子,中子,盧瑟福,返回,質子的發(fā)現(xiàn),1914年 發(fā)現(xiàn)質子（氫原子核） 1919年 第一次人工核反應 4 He + 14 N 17 O + 1 H,盧瑟福原子,“核子科學之父” 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粒子后放出一個氫核，同時變成了另一種原子核的結果， 14N 17Op 。 這是人類歷史上第一次實現(xiàn)原子核的人工衰變，使古代煉金術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。當時盧瑟福寫了一本書就取名為新煉金術。,人工衰變,返回,中子的發(fā)現(xiàn),1920 盧瑟福預言： 原子核 = 質子 +“中性粒子”？ 1930 博特和貝克爾（德）：Be 產生穿透力強的射線（斷言） 1932 約里奧居里夫婦 ：Be 產生“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，馬上進行實驗。指出： “中子的可能存在” 4

9、2He + 94Be 126C + n（中子）,查德威克,原子科學發(fā)展的第二個重大發(fā)現(xiàn),1932年：海森伯和伊凡寧柯各自獨立地提出了原子核是由質子和中子組成的核結構模型。 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)為核物理學開辟了一個新的紀元，它不僅使人們對原子核的組成有了一個正確的認識，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,新、不穩(wěn)定,返回,裂變的發(fā)現(xiàn),費米,原子核吸收一個中子只會變成下一個元素。原子核結合力太大，不可能分裂,1944年，哈恩因為發(fā)現(xiàn)了“重核裂變反應”，榮獲諾貝爾化學獎。,返回,“原子的火花”鏈式核裂變反應,在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時，還放出兩、三個中子來,巨大能量,返回,第一顆原子彈曼哈頓計劃,1942年美國啟動了取名為“曼哈頓計劃”的制造原子彈計劃，由奧本海默負責。 1945年7月16日，美國在新墨西哥州的一個30米高的鐵塔上

11、，進行了人類第一次核試驗。 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，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質，半徑為1600米的范圍內，所有的動物全部死亡。 這顆原子彈的威力，要比科學家們原估計的大出了近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，詳細闡述了研制原子彈的重要性。,“比一千個太陽還亮”,“漫天奇光異彩， 有如圣靈逞威， 只有一千個太陽， 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，當量1.25萬噸

12、TNT ，因為該彈細長，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裝置的核聚變試驗， 1952年11月1日,1952年11月1日，美國采用熱核反應裝置，進行了人類首次熱核反應核聚變試驗。 1954年3月1日，代號為“城堡行動”的人類第一顆可投式氫彈試驗成功。其爆炸力為千萬噸級TNT當量，幾乎是廣島原子彈的1000倍。 熱核武器的能量規(guī)模及殺傷力遠遠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、效應可轉換的特種彈。,戰(zhàn)略導彈的核彈頭,我國的第一顆原子彈 1964年10月16日15時,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),足球場看臺下的第一座核反應堆The Chicago Pile-1,1942年12月2日下午，美國費米實驗室在芝加哥大學的足球場西看臺下的網(wǎng)球場，世界上第一座原子核反應堆 “芝加哥”第一號（CP-1）開始運行,揭開了人類利用原子能的序幕。,“反應堆之父” 費米,“芝加哥”第一號,“人類于此首次完成自持鏈式反應的