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 2005年,核能的用途,核艦艇,核動力航母,核電廠,氫彈,船用核動力,核電,原子彈,核武器,何謂能源？能源的結構如何？能源儲量如何？,緒論 核能的地位和作用,1 “能源”的來源和結構 2 能源的大氣污染 3 清潔的能源-核能 4 生活中的核能及射線 5 核能史話,1 “能源”的來源和結構,究竟什么是“能源”呢？ 能源的三個初始來源 能源的分類 能源消費的變革 當前世界的能源結構 能源儲量,究竟什么是“能源”呢？,科學技術百科全書：“能源是可從其獲得熱、光和動力之類能量的資源”,日本大百科全書：“在各種生產

2、活動中，我們利用熱能、機械能、光能、電能等來作功，可利用來作為這些能量源泉的自然界中的各種載體，稱為能源”,大英百科全書：“能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風的術語，人類用適當的轉換手段便可讓它為自己提供所需的能量”,我國的能源百科全書：“能源是可以直接或經轉換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源?！?太陽或其它星球,地球,星球引力,能源,能源的三個初始來源,太陽能,一年,170萬億噸煤的熱量,輻射,1/1000,現在全世界一年消耗的能量還不及它的萬分之一,返回,999/1000,化學能貯存,地球本身蘊藏的能量地熱能,地熱,火山,僅開采地下3公里以內的地熱資源，就可相當于

3、燃燒29000億噸煤所產生的能量,返回,鈾、釷礦,氘、鋰,地球本身蘊藏的能量核能,40萬億噸,2千多億噸,所釋放的能量比全世界現有能源總量放出的能量大千萬倍 “無窮的能源”,核裂變能,核聚變能,核裂變反應,核聚變反應,490萬噸,275萬噸,來自星球引力的能量潮汐能,返回,潮汐能 每年可利用的約為6000萬噸煤,相對位置周期性的變化，它們之間產生的引力,能源的分類,常規(guī)能源,新能源,一次能源,二次能源,再生能源,化石燃料,人工能源,天然存在且未加工或轉換的能源,天然能源,熱,一次能源轉換成其他種類的能源,一次能源和二次能源,地熱,風能,核能,太陽能,返回,核能,能源消費變革的主線,18世紀的煤

4、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,當前世界的能源結構,核電在世界能源消費中占8%（2000年）,核電在世界電力能源中占17%（2000年）,電力,總能源,化石能源fossil fuels占總能源的85。,化石能源占總電力能源的30。 石油用于發(fā)電非常可惜。,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？,能源儲量,化石能源,再生能源,原子能,世界人口過60億，比19世紀末增加2倍多

5、，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

6、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）,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,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）

7、,中國大亞灣核電站（廣東深圳）,原子核反應離我們有多遠？,核反應的能量,射線的輻照,生活中的核能及射線,4 生活中的核能及射線,太陽與地球的能量來源 太陽的核聚變反應區(qū) 地球是個巨型核電站嗎 生活中的輻射,太陽是個巨大的熱核反應堆！,一個大膽的假設： 地球本身就是一個大的核反應堆！,“反應堆” 用于發(fā)生核裂變或聚變反應的裝置一般稱為核反應堆。,太陽的能量從哪里來？,地球內部的能量從哪里來？,表面溫度6000,內部溫度2000萬,內部壓力達2000億大氣壓力,太陽的中心是一個巨大的核聚變反應區(qū),由于高溫和高壓，使原子進行著激烈的運動和變化，熱核反應不斷進行，同時釋放出巨大的能量,核聚變,地球是個

8、巨型核電站嗎？,目前尚未得到最終的科學證明,什么是輻射？,當原子核處于不穩(wěn)定的激發(fā)狀態(tài)時，它多余的能量將以放出粒子或電磁波的形式被帶出該原子。這種帶有能量輸出的粒子或波稱為核輻射或射線。,輻射是能量傳遞的一種方式,大理石,核戰(zhàn)爭,什么是輻射,輻射劑量大,陸地射線,核事故,生活中的輻射,電器輻射,建筑材料,天然輻射,醫(yī)療輻射,輻射劑量不大,核輻射,宇宙射線,花崗巖,花崗巖,核能史話,偉大的發(fā)現,改變歷史的事件,0.5 核能史話,原子模型,原子,原子的尺寸：10-10m,原子核的尺寸：10-15m,原子的放射性,衰變,衰變,衰變,物質自發(fā)放出射線的性質叫放射性,也稱為核輻射,圖1-27 費米,認識

9、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,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- X射線,1895年11月8日倫琴無意中發(fā)現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)放出射線的性質叫放射

10、性。,天然放射性的發(fā)現,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,硫酸鉀鈾,返回,天然放射性極強的物質-鐳的發(fā)現,1898年，居里夫婦發(fā)現含有鈾或釷的物質，都會有放射性，并發(fā)現了強放射性物質-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,1896年，盧瑟福發(fā)現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)現了鐳的兩種輻射穿透本領不同： 第一種輻射不能貫穿比1/50毫米更厚的鋁片，但能產生顯著的電效應。 命名為射

11、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統(tǒng)觀念，而認

12、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,1914年 發(fā)現質子（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”，研究被轟擊的粒子

13、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， 18N 17Op 。 這是人類歷史上第一次實現原子核的人工衰變，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,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” 42He +

14、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,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、硼、鋁，發(fā)現

15、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,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,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，進行了人類

16、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TNT ，因

17、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球場，世界上第一座原子