核能利用與核武器

1、Course on Nuclear Technology and it’s Application（核技術(shù)及應(yīng)用課程）P.J. Cheng（程品晶）School of Nuclear Science and Technology Nanhua University（南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院）,第三章 核能利用與核武器,,該項技術(shù)主要是利用核裂變和核聚變反應(yīng)釋放出能量的原理，開發(fā)出能源或動力裝置和核武器。主要應(yīng)用有：

2、 核電站、核潛艇、原子彈、氫彈和中子彈。,第一節(jié) 基本原理,,一、能量和質(zhì)量的一般關(guān)系二、質(zhì)量虧損三、原子核的結(jié)合能四、原子核的比結(jié)合能五、物理學(xué)家對核能利用的預(yù)言,質(zhì)能關(guān)系式或稱質(zhì)能聯(lián)系定律。 能量和質(zhì)量都是物質(zhì)的屬性。具有一定質(zhì)量的m物體，它的相應(yīng)的能量E由相對論公式給出： E = mc2

3、 m = m0 /(1-(v/c)2)1/2 式中， c為真空中的光速； v為物體運動的速度； m0為物體靜止時的質(zhì)量?！?舉例: 1g質(zhì)量的能量是，　 E = 10-3× [2.9978 × 108]2＝8.9875 ×1018(J) 1u(原子質(zhì)量單位)的能量是, E = 1.6

4、605 × 10-27× [2.9978 × 108]2＝8.9875 ×1018(J) = 931.5(MeV),一、能量和質(zhì)量的一般關(guān)系,定義　實驗發(fā)現(xiàn)，任何原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和。組成某一原子核的核子質(zhì)量和與該原子核的質(zhì)量之差稱為原子核的質(zhì)量虧損。即 　　　　△M( Z, A )=ZM(1H)+(A－Z)mn－M(Z,A)式中

5、Z為核電荷數(shù)， A為核質(zhì)量數(shù)， M(1H) ，和mn分別為質(zhì)子和中子的質(zhì)量。　　意義　廣義的說，對于一個孤立體系的質(zhì)量虧損有，　　 　　　△M＝∑Mi － ∑Mf式中， ∑Mi 為體系變化前的靜止質(zhì)量， ∑Mf為體系變化后的靜止質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)能聯(lián)系定律和能量守恒定律有，　　　　　△M＞０　　體系發(fā)生釋能變化；　　　　　△M＜０　　體系發(fā)生吸能變化。,二、質(zhì)量虧損,舉例　　　　　 △M(4He ) = 2 M(1H ) +2 m

6、n－ M(4He ) = 2(1.007825+1.008665) －4.002603 = 0.030377 u,三、原子核的結(jié)合能,定義　實驗發(fā)現(xiàn)，任何原子核的質(zhì)量虧損總是大于零，表明由自由核子結(jié)合成原子核時，有能量釋放出來。這種表示自由核子組成原子核所釋放的能量稱為原子核的結(jié)合能，用B( Z,

7、 A )表示，根據(jù)質(zhì)能聯(lián)系定律和能量守恒定律有，它與質(zhì)量虧損△M( Z, A )的關(guān)系是　　 　　B( Z, A ) = △M( Z, A )C2　　舉例　　　　　B( 4He ) = △M(4He )C2　　　　　　　 = 0.030377 (u)×931.5(MeV/u) = 28.30 MeV,四、原子核的比結(jié)合能,定義　原子核的比結(jié)合能是該原子

8、核中每個核子的平均結(jié)合能ε，也就是該原子核的總結(jié)合能B( Z, A )被質(zhì)量數(shù)A除，即　　 　　　ε＝ B( Z, A ) ／A核子平均結(jié)合能ε同質(zhì)量數(shù)A的關(guān)系如圖1 核子的平均結(jié)合能所示，表1也列出了一些核的B( Z, A )和ε的值。,比結(jié)合能曲線圖,五、物理學(xué)家對核能利用的預(yù)言,,原子核比結(jié)合能曲線的特點　曲線的形狀是中間高，兩端低。說明A為50~150的中等質(zhì)量的核結(jié)合得比較緊；很輕的核和很重的核(A＞200)結(jié)合得比較松。

9、　　物理學(xué)家對核能利用的預(yù)言　正是根據(jù)比結(jié)合能曲線的上述特點，物理學(xué)家預(yù)言了核能的利用。一種是重核的裂變，一個很重的原子核分裂成兩個中等質(zhì)量原子核，比結(jié)合能ε由小變大，有核能釋放出來；另一種是輕核的聚變，兩個很輕的原子核聚合成一個重一些的核，比結(jié)合能ε同樣由小變大，也有核能釋放出來。,第二節(jié) 裂變能利用與核電站,,一、 裂變反應(yīng)堆原理二、 什么是核電站三、 壓水堆核電站四、 快堆核電站五、 核電站在設(shè)計上

10、所采取的安全措施六、 核電廠在管理方面采取的安全措施七、 核電廠發(fā)生自然災(zāi)害時能安全停閉八、 核電站廢物嚴格遵照國家標(biāo)準(zhǔn)，對人民生活不會產(chǎn)生有害影響九、 世界上目前建造核電站情況十、 核電與火電比較,235U + n → 90Kr + 144Ba + 2n + E.,235U + n → (236U)*,一、裂變反應(yīng)堆原理,原子核裂變,一公斤鈾235全部裂變釋放的能量，相當(dāng)于2萬噸梯恩梯(TNT)炸藥爆炸時

11、放出的能量。,鈾-235裂變釋放的能量,一個中子把一個鈾原子核轟擊成兩半，釋放出能量，同時又跑出兩個以上中子，這些中子又去轟擊更多的原子核。分裂，分裂，越來越猛烈的分裂。能量，能量，越來越多的能量。費米把這種現(xiàn)象稱為連鎖反應(yīng)（或鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）。,裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng),裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)條件Keff的討論 有效增值系數(shù)或再生系數(shù)K 是此代裂變產(chǎn)生的中子總數(shù)與前一代裂變產(chǎn)生的中子總數(shù)的比值。 如果裂變

12、產(chǎn)生100個中子（第一代中子），經(jīng)過慢化再引起下一次裂變，若產(chǎn)生102個中子（第二代中子），則K＝1.02。 K＝1 時為臨界狀態(tài)，需要的最小的裂變?nèi)剂蠑?shù)量叫做臨界質(zhì)量。此時，中子數(shù)保持不變，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可繼續(xù)進行下去每秒鐘內(nèi)發(fā)生恒定的裂變數(shù)，每次裂變放出的能量也一定，這表明反應(yīng)的功率保持一定水平不變。 當(dāng)K＞1時，中子數(shù)越來越多，功率在增加，這個狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)。 當(dāng)K＜1時，中子數(shù)越來越少，功率也在下降，這種狀

13、態(tài)稱為次臨界狀態(tài)。,,裂變堆的發(fā)展歷史1938年，德國化學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)U原子的裂變現(xiàn)象，而且一個U原子裂變放出的能量（200Mev）比一個C原子氧化放出的能量（4.1ev）大5 107倍，如此巨大的能量如何利用呢？1942年12月，意大利物理學(xué)家費米等在美國芝加哥大學(xué)建造了世界第一座人工裂變反應(yīng)堆。美國又利用U-238轉(zhuǎn)化成Pu-239原子彈裝料，制造了钚原子彈，又利用反應(yīng)堆作動力建造了核潛艇。20世紀40-50年代，裂

14、變反應(yīng)堆主要用于軍事目的。50年代中期，世界上大量建造研究堆，同時用以發(fā)電。60年代中期起，許多國家大力發(fā)展核電站或核動力。,裂變反應(yīng)堆,費米研制的第一座裂變堆,裂變反應(yīng)堆的組成     反應(yīng)堆是一個能維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而實現(xiàn)核能—熱能轉(zhuǎn)換的裝置。核反應(yīng)堆是核電廠的心臟，核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在其中進行。     反應(yīng)堆由堆芯、冷卻系統(tǒng)、慢化系

15、統(tǒng)、反射層、控制與保護系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等組成。     堆芯中的燃料：反應(yīng)堆的燃料，不是煤、石油，而是可裂變材料。自然界天然存在的易于裂變的材料只有Ｕ-235，它在天然鈾中的含量僅有0.711％，另外兩種同位素Ｕ-238和Ｕ-234各占99.238％和0.0058％，后兩種均不易裂變。另外，還有兩種利用反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)出來的裂變材料Ｕ-233和Pu-239。用這些裂變材料制成金屬

16、、金屬合金、氧化物、碳化物等形式作為反應(yīng)堆的燃料。,燃料包殼：為了防止裂變產(chǎn)物逸出，一般燃料都需用包殼包起來，包殼材料有鋁、鋯合金和不銹鋼等。     控制與保護系統(tǒng)中的控制棒和安全棒：為了控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率在一個預(yù)定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，稱之為控制棒和安全棒?？刂瓢粲脕硌a償燃料消耗和調(diào)節(jié)反應(yīng)速率；安全棒用來快速停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。吸收體材料一般是硼、碳化硼、鎘、銀銦鎘等。

17、 冷卻系統(tǒng)中的冷卻劑：為了將裂變的熱導(dǎo)出來，反應(yīng)堆必須有冷卻劑，常用的冷卻劑有輕水、重水、氦和液態(tài)金屬鈉等。,慢化系統(tǒng)中的慢化劑：由于慢速中子更易引起鈾-235裂變，而中子裂變出來則是快速中子，所以有些反應(yīng)堆中要放入能使中子速度減慢的材料，就叫慢化劑，一般慢化劑有水、重水、石墨等。  反射層：反射層設(shè)在活性區(qū)四周，它可以是重水、輕水、鈹、石墨或其它材料。它能把活性區(qū)內(nèi)逃出的中子反射回去，減少中子的泄漏量。

18、 屏蔽系統(tǒng)：反應(yīng)堆周圍設(shè)屏蔽層，減弱中子及γ劑量。     輻射監(jiān)測系統(tǒng)：該系統(tǒng)能監(jiān)測并及早發(fā)現(xiàn)放射性泄漏情況。,反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式和分類      反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式是千姿百態(tài)的，它根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計需要等因素可建造成各類型結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)堆。 目前世界上有大小反應(yīng)堆上千座，其分類也是多種多樣。 按能譜分

19、有：由熱能中子和快速中子引起裂變的熱堆和快堆； 按冷卻劑分有：輕水堆，即普通水堆（又分為壓水堆和沸水堆）、重水堆、氣冷堆和鈉冷堆。 按用途分有：（1）研究試驗堆：是用來研究中子特性，利用中子對物理學(xué)、生物學(xué)、輻照防護學(xué)以及材料學(xué)等方面進行研究；（2）生產(chǎn)堆，主要是生產(chǎn)新的易裂變的材料鈾-233、钚-239；（3）動力堆，利用核裂變所產(chǎn)生的熱能廣泛用于艦船的推進動力和核能發(fā)電。,核電站就是利用一座或若干座動力反應(yīng)堆所產(chǎn)生的

20、熱能來發(fā)電或發(fā)電兼供熱的動力設(shè)施。反應(yīng)堆是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)就在其中進行。目前世界上核電站常用的反應(yīng)堆有壓水堆、沸水堆、重水堆和改進型氣冷堆以及快堆等。但用的最廣泛的是壓水反應(yīng)堆。壓水反應(yīng)堆是以普通水作冷卻劑和慢化劑，它是從軍用堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來的最成熟、最成功的動力堆堆型。,二、什么是核電站,核電站工作原理 核電廠用的燃料是鈾。用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在

21、蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶著發(fā)電機一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來，并通過電網(wǎng)送到四面八方。,三、壓水堆核電站,以壓水堆為熱源的核電站。它主要由核島和常規(guī)島組成。壓水堆核電站核島中的四大部件是蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵和堆芯。在核島中的系統(tǒng)設(shè)備主要有壓水堆本體，一回路系統(tǒng)，以及為支持一回路系統(tǒng)正常運行和保證反應(yīng)堆安全而設(shè)置的輔助系統(tǒng)。常規(guī)島主要包括汽輪機組及二回等系統(tǒng)，其形式與常規(guī)火電廠類似。,能量轉(zhuǎn)換“四步曲”1 反應(yīng)

22、堆：將核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ǜ邷馗邏核? 蒸汽發(fā)生器：將一回路高溫高壓水中的熱量 傳 遞給二回路的水，使其變?yōu)轱柡驼羝? 汽輪機：將飽和蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)的機械能；4 發(fā)電機：將汽輪機傳來的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?壓水堆核電站流程示意圖,（一）壓水堆核電廠概述壓水堆核電廠就是利用一座或若干座壓水反應(yīng)堆作為動力而發(fā)電的電廠，它是一個將核能轉(zhuǎn)換為電能的綜合裝置。壓水堆核電廠一般是由一回路和二回路以及與他們相關(guān)的各個

23、輔助系統(tǒng)或設(shè)備組成。一回路也稱反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，它包括壓水堆本體和若干個封閉的并聯(lián)到反應(yīng)堆壓力容器的反應(yīng)堆冷卻劑環(huán)路；二回路也稱動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這種雙回路設(shè)計可使釋放到動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中而隨后又釋放到環(huán)境中的裂變產(chǎn)物的量降到最低程度。,壓水堆核電廠的組成,（二）壓水堆核電廠組成 壓水堆核電廠的系統(tǒng)和設(shè)備通?？梢苑譃閮纱蟛糠郑▓D1-1），即： 1．核的系統(tǒng)和設(shè)備部分（核島）； 2．常規(guī)的系統(tǒng)和設(shè)備部分（常規(guī)島）。

24、,核島由以下部分組成： （1） 核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)，它包括： （a） 壓水堆及一回路主系統(tǒng)和設(shè)備（冷卻劑主泵，蒸汽發(fā)生器，主管道，穩(wěn)壓器等）。 （b） 三個輔助系統(tǒng)：化學(xué)和容積控制系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)和安全注射系統(tǒng)。 （c）  以上系統(tǒng)的控制、保護和檢測系統(tǒng)。 （2） 核島的其余組成部分，它包括： （a）  設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、生水系統(tǒng)、重要廠

25、用水系統(tǒng)； （b） 放射性廢物處理系統(tǒng)及硼回收系統(tǒng)（即一回路排水處理系統(tǒng)） （c）  反應(yīng)堆安全殼及安全殼噴淋系統(tǒng)； （d）  核燃料裝換料及貯存系統(tǒng)； （e）  安全殼通風(fēng)和過濾系統(tǒng)、核輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)； （f）  柴油發(fā)電機組。,常規(guī)島包括與常規(guī)火力發(fā)電廠相似的系統(tǒng)及設(shè)備，主要有： （1）

26、二回路系統(tǒng)也稱動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或汽輪發(fā)電機系統(tǒng)，它是由蒸汽系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組、冷凝器、蒸汽排放系統(tǒng)、給水加熱系統(tǒng)和輔助給水系統(tǒng)等組成。（見圖1-2） （2） 循環(huán)水系統(tǒng)； （3） 電氣系統(tǒng)及廠用電設(shè)備,（三）壓水堆核電廠布置核島核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中的壓水堆、一回路主系統(tǒng)和設(shè)備及余熱排出系統(tǒng)安裝在安全殼內(nèi)。當(dāng)發(fā)生泄漏事件時，安全殼可以把帶放射性的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)與環(huán)境隔開；核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中另外兩個輔助系統(tǒng)及核島的其余組成部分均在安全殼

27、外都放置在輔助廠房內(nèi)，該廠房位于控制廠房和安全殼之間；燃料廠房是供裝卸及儲存新燃料和乏燃料用的；控制廠房包括主控制室、電纜敷設(shè)間、輔助儀表室、計算機和蓄電池室；汽輪機廠房包括所有動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，即汽輪機及其輔助設(shè)備。汽水分離器、再熱器、給水加熱器和給水泵等。,由快中子引起鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所釋放出來的熱能轉(zhuǎn)換為電能的核電站?？於言谶\行中既消耗裂變材料，又生產(chǎn)新裂變材料，而且所產(chǎn)可多于所耗，能實現(xiàn)核裂變材料的增殖。  

28、   目前，世界上已商業(yè)運行的核電站堆型，如壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂變?nèi)剂希词乖倮棉D(zhuǎn)換出來的钚-239等易裂變材料，它對鈾資源的利用率也只有1％—2％，但在快堆中，鈾-238原則上都能轉(zhuǎn)換成钚-239而得以使用，但考慮到各種損耗，快堆可將鈾資源的利用率提高到60％—70％。,四、快堆核電站,五、核電站在設(shè)計上所采取的安全措施,,,為了確保壓水反應(yīng)堆核電廠的安全，從設(shè)計上采

29、取了所能想到的最嚴密的縱深防御措施。 四重屏障： 為防止放射性物質(zhì)外逸設(shè)置了四道屏障：1.裂變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)90％滯留于燃料芯塊中；2.密封的燃料包殼；3.堅固的壓力容器和密閉的回路系統(tǒng)；4. 能承受內(nèi)壓的安全殼 ．,多重保護： 在出現(xiàn)可能危及設(shè)備和人身的情況時，1.進行正常停堆； 2.因任何原因未能正常停堆時，控制棒自動落入堆內(nèi)，實行自動緊急停堆；3. 如任何原因 控制棒未能插入，高濃度硼酸水自動噴入

30、堆內(nèi)，實現(xiàn)自動緊急停堆。,核電廠有著嚴密的質(zhì)量保證體系，對選址、設(shè)計、建造、調(diào)試和運行等各個階段的每一項具體活動都有單項的質(zhì)量保證大綱。     另外，還實行內(nèi)部和外部監(jiān)查制度，監(jiān)督檢查質(zhì)量保證大綱的實施情況和是否起到應(yīng)有的作用。另外對參加核電廠工作的人員的選擇、培訓(xùn)、考核和任命有著嚴格的規(guī)定。領(lǐng)取操縱員執(zhí)照，然后才能上崗，還要進行定期考核，不合格者將被取消上崗資格。,六、核電廠在管理方面采取

31、的安全措施,在核電廠設(shè)計中，始終把安全放在第一位，在設(shè)計上考慮了當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的最嚴重的地震、海嘯、熱帶風(fēng)暴、洪水等自然災(zāi)害,即使發(fā)生了最嚴重的自然災(zāi)害,反應(yīng)堆也能安全停閉，不會對當(dāng)?shù)鼐用窈妥匀画h(huán)境造成危害。     在核電廠設(shè)計中甚至還考慮了廠區(qū)附近的堤壩坍塌、飛機墜毀、交通事故和化工廠事故之類的事件，例如一架噴氣式飛機在廠區(qū)上空墜 毀，而且碰巧落到反應(yīng)堆建筑物上，設(shè)計要求這時反應(yīng)堆還是

32、安全的。,七、核電廠發(fā)生自然災(zāi)害時能安全停閉,核電廠的三廢治理設(shè)施與主體工程同時設(shè)計，同時施工，同時投產(chǎn)，其原則是盡量回收，把排放量減至最小，核電廠的固體廢物完全不向環(huán)境排放，放射性液體廢物轉(zhuǎn)化為固體也不排放；像工作人員淋浴水、洗滌水之類的低放射性廢水經(jīng)過處理、檢測合格后排放；氣體廢物經(jīng)過滯留衰變和吸附，過濾后向高空排放。     核電廠廢物排放嚴格遵照國家標(biāo)準(zhǔn)，而實際排放的放射性物質(zhì)的量

33、遠低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值。所以，核電廠不會對給人生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來有害的影響。,八、核電站廢物嚴格遵照國家標(biāo)準(zhǔn)，對人民生活不會產(chǎn)生有害影響,核電自50年代中期問世以來，目前已取得長足的發(fā)展。到1999年中期，世界上共有436座發(fā)電用核反應(yīng)堆在運行，總裝機容量為350676兆瓦。正在建造的發(fā)電反應(yīng)堆有30座，總裝機容量為21642兆瓦。     目前世界上有33個國家和地區(qū)有核電廠發(fā)電，核發(fā)

34、電量占世界總發(fā)電量的17％，其中有十幾個國國家和地區(qū)核電發(fā)電量超過各種的總發(fā)電量的四分之一，有的國家超過70％。據(jù)資料估計，到2005年核電廠裝機容量將達到388567兆瓦。,九、世界上目前建造核電站情況,十、核電與火電比較,核電不僅安全，也很清潔、經(jīng)濟。一座100萬千瓦的火電廠，一年要燒270萬至300萬噸煤，排放出600萬噸二氧化碳、約5萬噸二氧化硫和氮氧化物，以及30萬噸煤渣和數(shù)十噸有害廢金屬。一座100萬千瓦的核電站，一年只消耗

35、30噸核燃料，而且不排放任何有害氣體和其它金屬廢料。煤炭、原油是不可再生的寶貴化工原料。發(fā)展核電不僅可以把這些資源省下來留給子孫后代，還能有效改善人類的生存環(huán)境。,,核電是清潔能源,火電站污染嚴重,第三節(jié) 核 武 器,利用能自持進行的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)或聚變反應(yīng)瞬間釋放巨大能量，產(chǎn)生爆炸作用，并具有大規(guī)模殺傷破壞效應(yīng)的 武器。 核武器一般是指由核彈頭及其投擲發(fā)射系統(tǒng)組成的武 器系統(tǒng)。 核武器釋放的總能量通常用爆

36、炸釋放相同能量的梯恩梯炸藥量來表示，稱梯恩梯當(dāng)量。核武器爆炸時釋放的能量，比只裝化學(xué)炸藥的常規(guī)武器 要大得多。1000克鈾全部裂變釋放的能量相當(dāng)于近２萬噸梯 恩梯炸藥的威力；1000克氘完全聚變釋放的能量相當(dāng)于６萬 噸梯恩梯炸藥的威力。 核武器爆 炸不 同于化學(xué)炸藥爆炸，具備特有的強沖擊波、光 輻射、早期核輻射、放射性沾染和核電磁脈沖等殺傷破壞作 用。,原子彈,利用235U或239Pu等重原子核的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)原理制成的核

37、武器。 利用炸藥實現(xiàn)超臨界狀態(tài)，利用中子源點火實現(xiàn)裂變。 超臨界狀態(tài)的實現(xiàn)：槍法、內(nèi)爆法,槍法原子彈,內(nèi)爆法原子彈,【槍法原子彈】又稱壓攏型原子彈，一種把２－３塊處于次臨 界狀態(tài)的裂變裝料，在炸藥爆炸產(chǎn)生的高壓力推動下迅速合 攏成為超臨界狀態(tài)的核武器。槍法原子彈結(jié)構(gòu)簡單，形狀細 長，但要求裝較多裂變材料，利用效率較低。裂變材料宜用 鈾－２３５，不宜用钚。因钚中含自發(fā)裂變概率較大的钚－２４０， 容易使合攏速度較慢的槍法原子彈發(fā)生過早點

38、火，威力下降。 １９４５年８月６日投到日本廣島的就是一顆槍法原子彈，代號 “小男孩”，長約２.５米，直徑０.７１米，重約４噸，威力不到 ２萬噸梯恩梯當(dāng)量。經(jīng)過改進，槍法原子彈的體積重量已有顯 著縮小。 美國用于２０３毫米大炮的Ｗ３３AＭ４２２核炮彈，重量 為０.１１－０.１２噸，直徑０.２０３米，長度０.９４米，威力仍有 １萬噸梯恩梯當(dāng)量。,【內(nèi)爆法原子彈】又稱壓緊型原子彈。一種利用炸藥爆炸產(chǎn)生的內(nèi)聚沖擊

39、波和高壓力去壓縮處于次臨界狀態(tài)的裂變裝料， 使器密度急劇升高，達到超臨界狀態(tài)的核武器。內(nèi)爆法原子 彈結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，外形尺寸較大；但核裝料可比槍法原子彈 裝得少，利用效率高，因而被廣泛采用。 １９４５年８月９日，美 國投在日本長期的原子彈，就是一顆內(nèi)爆法原子彈，代號為 “胖子”，核裝料用钚，長約３.３米，直徑１.５米，重約４.５噸， 威力約２萬噸梯恩梯當(dāng)量。 １９６４年１０月１６日，中國進行了 第一次核爆炸試

40、驗，核裝置也是壓緊型的，但核裝料采用鈾 －２３５，威力為２.２萬噸梯恩梯當(dāng)量。,最早的原子彈    世界上最早的原子彈是美國制造的3顆原子彈。它們出世之后，為保密起見分別取了綽號“瘦子”、“胖子”和“小男孩”。    1945年8月6日上午，美軍使用B-29型轟炸機從天寧島機場出發(fā)，把“小男孩”原子彈運至日本并投下廣島市，并于三天后的8月9日上午又從天寧島機

41、場再次出發(fā)，運送另一個遠計劃投下日本內(nèi)良市的“胖子”原子彈，但由于天氣關(guān)系，最后誤投在長崎市。從而加速了在同年的8月14日第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。    據(jù)事后統(tǒng)計，廣島市及長崎市死亡及受傷人數(shù)加上其他受害者，總數(shù)達445,000人以上。,原子核的聚變,輕核聚變 兩個輕的原子核相碰，形成一個原子核并放出能量。最重要的聚變反應(yīng),,6個d (即 2H)核放出43.24MeV，平均每核子放出3

42、.6MeV，是n+235U裂變反應(yīng)平均每核子放出200/236=0.85MeV能量的4倍。,聚變條件 庫侖勢壘：144KeV?2?72keV ?5.6 ?108K 聚變溫度： ~108K，等離子體狀態(tài) 等離子體密度足夠大，必須維持足夠長的時間。 Lawson判據(jù)： DD反應(yīng) nt = 1022 s/m3 ， T = 109 k DT反應(yīng) nt = 1020

43、 s/m3 ， T = 108 k,利用氘、氚等輕原子核的熱核聚變反應(yīng)原理制成的核武器。初級：用于提供自持熱核反應(yīng)條件的起爆裝置。（原子核裂變）次級：實現(xiàn)熱核聚變反應(yīng)的部分。氫彈沒有填料的限制。熱核裝料是固態(tài)氘化鋰 用裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子轟擊鋰來 制備氚，以實現(xiàn)氘氚聚變反應(yīng)。,氫彈,,【三相彈】 放能過程經(jīng)歷由裂變到聚變再到裂變?nèi)齻€階段的一種氫彈， 又稱氫鈾彈。絕大多數(shù)庫存戰(zhàn)略核武器都屬

44、于這種類型。 這種氫彈以天然鈾或濃縮鈾作聚變裝料的外殼。當(dāng)氫彈爆炸時，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的大量高能中子引起殼體中鈾核裂變，放出能量和裂變中子，裂變中子有一部分與聚變裝料中的鋰－６核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生氚，氚又與氘發(fā)生進一步的聚變反應(yīng)。 三相彈的主要優(yōu)點是高比威力，其不足之處是裂變能量所占份額較大，因而三相彈爆炸的放射性沾染較嚴重。一般說來，隨著爆炸威力的增大，三相彈的裂變份額緩慢減小。當(dāng)威力為幾百萬噸梯恩梯當(dāng)量或更高時，裂變份額大都

45、在５０％左右。,其他核武器,【鈷彈】 利用核爆炸釋放的中子照射添加的鈷－59核，感生大量半衰期較長的放射性核素鈷－60，從而增強放射性沾染的特殊核武器。 普通核武器的放射性沾染主要來源于裂變碎器中半衰器較長的放射性核素（如鍶－90、鈷－95、鈀－137等）。為了增強這一殺傷效應(yīng)，可以在普通核武器中加入鈷－59，它們在核爆炸中子（ｎ）的照射下產(chǎn)生放射性核素鈷－60，60Ｃｏ的半衰器為５.２６年，核反應(yīng)中釋放兩個ｙ光子，其

46、能量分別為１.３３和１.１７ＭｅＶ。因而大大增強了放射性沾染。,【中子彈】  以高能中子為主要殺傷因素、相對減弱沖擊波和光輻射效應(yīng)的一種特殊設(shè)計的小型氫彈，又稱增強輻射彈。 中子彈的特點是爆炸釋放的能量不高，但核輻射很強。根據(jù)美國核物理學(xué)家Ｓ．Ｔ．柯恩提供的資料，在150米高度爆炸時，中子彈的輻射殺傷半徑與威力大10倍的裂變武器的相當(dāng)，約為同威力武器輻射殺傷半徑的2倍，即殺傷面積的４倍。 根據(jù)美國的估計

47、，8000rad（等于80Gy）是使人員立即永久性喪失戰(zhàn)斗能力所需要的劑量，650rad（等于6.5Gy）是使人員受輻照后２小時內(nèi)生理功能受到損傷的劑量。,【沖擊波彈】  一種以沖擊波效應(yīng)為主要殺傷破壞因素的特殊性能氫彈。與三相彈相比，其顯著特點是降低了剩余放射性的生成量。它的確切名稱為減少剩余放射性彈（Reduced Residuarl Redioactivety weapon）簡稱ＲＲＲ彈。 １９８０年美國

48、宣布研制成功沖擊波彈，宣稱這種武器的放射性沉降比相同威力的純裂變武器低一個數(shù)量級以上，光輻射的破壞效應(yīng)也顯著減少。由于剩余放射性主要來自重核裂變，因此設(shè)計沖擊波彈的關(guān)鍵是降低裂變份額。由于放射性沉降的減少，使得在沖擊波彈爆后不久己方部隊即可進入爆區(qū)。因此比較適合于戰(zhàn)場上使用。,【戰(zhàn)略核武器】   用于攻擊敵方戰(zhàn)略目標(biāo)或保衛(wèi)己方戰(zhàn)略要地的核武器總稱。 戰(zhàn)略核武器的威力一般較高，大多數(shù)為幾十萬噸梯恩梯當(dāng)量，也有高達幾

49、百萬噸、甚至上千萬噸梯恩梯當(dāng)量的。戰(zhàn)略核武器的作用距離（或射程）一般較遠，可遠至上萬千米。 戰(zhàn)略核武器可分為戰(zhàn)略進攻性武器和戰(zhàn)略防御性武器等。戰(zhàn)略進攻性武器包括：陸基洲際彈道核導(dǎo)彈、潛地彈道核導(dǎo)彈和攜帶核航空炸彈、近程攻擊核導(dǎo)彈、巡航核導(dǎo)彈的戰(zhàn)略轟炸 機等，總稱三位一體戰(zhàn)略核力量。戰(zhàn)略防御性武器包括反彈道核導(dǎo)彈和地對空核導(dǎo)彈等。,【戰(zhàn)術(shù)核武器】   用于支援陸、海、空戰(zhàn)場作戰(zhàn)，打擊對敵方軍事行動有直接影響的目標(biāo)

50、的核武器。 戰(zhàn)術(shù)核武器的威力一般較低，大多數(shù)為幾千噸至幾萬噸梯恩梯當(dāng)量，個別的也有威力高達近百萬噸梯恩梯當(dāng)量的核航空炸彈和威力低至近１０噸梯恩梯當(dāng)量的特種核地雷。 戰(zhàn)術(shù)核武器的作用距離（或射程）較近，一般為幾十千米至幾百千米，但中程的戰(zhàn)術(shù)核導(dǎo)彈射程可達１０００—５０００千米。 戰(zhàn)術(shù)核武器包括：中、短程地地核導(dǎo)彈、核航空炸彈、艦艦和艦空核導(dǎo)彈、反潛核導(dǎo)彈、核深水炸彈、核炮彈、核地雷等。,【第一代核武器】 

51、;   通常指原子彈類型的早期核武器，即裂變武器。威力一般為幾百噸至幾萬噸梯恩梯當(dāng)量。 美國從４０年代末發(fā)展起來的戰(zhàn)術(shù)核航彈、核地雷、核炮彈、核深水炸彈、近程地地核導(dǎo)彈、反艦核導(dǎo)彈等大部分戰(zhàn)術(shù)核武平均屬于第一代核武器。 核武器的分代方法有許多種，不同國家所用的也不盡一致。一種主張按比威力等技術(shù)性能來劃分，將美國４０—５０年代甚至６０年代初器研制的核武器，包括一部分早期發(fā)展的比

52、威力較低、較為粗笨的氫彈，統(tǒng)稱為第一代核武器。,三代核武器,【第二代核武器】     通常指氫彈類型的核武器。 ５０年代初，美國、原蘇聯(lián)相繼研制成功氫彈。它的威力、比威力、核裝料利用效率都比原子彈有大幅度提高。以氫彈作為新型的核武器，與洲際導(dǎo)彈、戰(zhàn)略轟炸機等射程較遠的投射工具相結(jié)合，構(gòu)成了具有巨大威懾力量的戰(zhàn)略核武器，這是第二代核武器的主力。它的威力通常為幾十萬噸至幾百萬噸

53、梯恩梯當(dāng)量。一般具有較好的生存能力、作戰(zhàn)有效性、安全和保安性能。某些具有特殊性能的氫彈，如威力只有千噸梯恩梯當(dāng)量、以中子殺傷效應(yīng)為主的中子彈；以及以沖擊波毀傷效應(yīng)為主、放射性沾染大為減少的沖擊波彈都屬于第二代核武器。 也有人主張只把６０年代末研制的，重量體積較小，比威力高的核武器稱作第二代核武器。,【第三代核武器】     一種以核爆炸為驅(qū)動源，使所釋放的能量（包括各種輻

54、射）轉(zhuǎn)換成某種定向能的武器。 ７０年代，美國提出研制以定向發(fā)射為主要特征的第三代核武器。這種新型核武器由核驅(qū)動源和轉(zhuǎn)換器組成。核驅(qū)動源是一種特殊設(shè)計的氫彈，通過轉(zhuǎn)換器把核爆能量中的某一種成分（如Ｘ射線、電磁脈沖、碎器動能）沿某一特定方向發(fā)射出去，從而在這一特定方向上大幅度提高對遠距離的局部目標(biāo)的破壞效應(yīng)。例如，７０年代以來美國探索研究的核激勵Ｘ射線激光武器，利用核爆炸產(chǎn)生的Ｘ射線，激勵安置在核裝置周圍的很多激光棒，使其產(chǎn)生定向的

55、Ｘ射線激光束，來摧毀目標(biāo)。此外，在探索研究的還有高功率微波或電磁脈沖武器，核動能武器等。,第四節(jié) 能源開發(fā),科學(xué)家們預(yù)測，如果人類都用煤和原油來發(fā)電，預(yù)計200年后煤和原油資源就會枯竭。鈾雖然儲量豐富，但也是不可再生資源。如果人類全部依靠鈾提供能源，預(yù)計1000年后鈾資源也會枯竭。,太陽是萬物之母,太陽能是核聚變反應(yīng)的結(jié)果：引力約束等離子體；每天燃燒5x1013噸氫，相當(dāng)于3.5x1011噸的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量；所釋放的能量相當(dāng)于每秒爆

56、炸900億顆百萬噸級的氫彈太陽的質(zhì)量： 2x1027噸；太陽的外層溫度：6000K, 太陽的中心溫度：15,000,000K；太陽賦予地球的能量僅為聚變能的一萬億分之五，卻是目前全世界使用的所有能源的10萬倍。,開辟原子能和平利用的另一條道路：控制氫元素聚合反應(yīng)的速度，利用聚合反應(yīng)中釋放的能量發(fā)電造福人類。 氘在大海中的儲量幾乎是取之不盡（海水中氘的總量約35萬億噸）?？煽睾司圩兎磻?yīng)堆研制工作雖然困難重重，道路還很