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(xiàng)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(kāi)發(fā)出能源或動(dòng)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(duì)核能利用的預(yù)言,質(zhì)能關(guān)系式或稱(chēng)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(duì)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(yùn)動(dòng)的速度； m0為物體靜止時(shí)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(shí)驗(yàn)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(chēng)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?！　∫饬x　廣義的說(shuō)，對(duì)于一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)，有能量釋放出來(lái)。這種表示自由核子組成原子核所釋放的能量稱(chēng)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(gè)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(duì)核能利用的預(yù)言,,原子核比結(jié)合能曲線的特點(diǎn)　曲線的形狀是中間高，兩端低。說(shuō)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(duì)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(diǎn)，物理學(xué)家預(yù)言了核能的利用。一種是重核的裂變，一個(gè)很重的原子核分裂成兩個(gè)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(lái)；另一種是輕核的聚變，兩個(gè)很輕的原子核聚合成一個(gè)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(lái)。,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(jì)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(shí)能安全停閉八、 核電站廢物嚴(yán)格遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人民生活不會(huì)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(wàn)噸梯恩梯(TNT)炸藥爆炸時(shí)

11、放出的能量。,鈾-235裂變釋放的能量,一個(gè)中子把一個(gè)鈾原子核轟擊成兩半，釋放出能量，同時(shí)又跑出兩個(gè)以上中子，這些中子又去轟擊更多的原子核。分裂，分裂，越來(lái)越猛烈的分裂。能量，能量，越來(lái)越多的能量。費(fèi)米把這種現(xiàn)象稱(chēng)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(gè)中子（第一代中子），經(jīng)過(guò)慢化再引起下一次裂變，若產(chǎn)生102個(gè)中子（第二代中子），則K＝1.02。 K＝1 時(shí)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(shí)，中子數(shù)保持不變，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可繼續(xù)進(jìn)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(shí)，中子數(shù)越來(lái)越多，功率在增加，這個(gè)狀態(tài)稱(chēng)為超臨界狀態(tài)。 當(dāng)K＜1時(shí)，中子數(shù)越來(lái)越少，功率也在下降，這種狀

13、態(tài)稱(chēng)為次臨界狀態(tài)。,,裂變堆的發(fā)展歷史1938年，德國(guó)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(gè)U原子裂變放出的能量（200Mev）比一個(gè)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(fèi)米等在美國(guó)芝加哥大學(xué)建造了世界第一座人工裂變反應(yīng)堆。美國(guó)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(dòng)力建造了核潛艇。20世紀(jì)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(shí)用以發(fā)電。60年代中期起，許多國(guó)家大力發(fā)展核電站或核動(dòng)力。,裂變反應(yīng)堆,費(fèi)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(gè)能維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而實(shí)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(jìn)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(hù)系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測(cè)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?jī)H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(lái)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(lái)，包殼材料有鋁、鋯合金和不銹鋼等。     控制與保護(hù)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(gè)預(yù)定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，稱(chēng)之為控制棒和安全棒。控制棒用來(lái)補(bǔ)償燃料消耗和調(diào)節(jié)反應(yīng)速率；安全棒用來(lái)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(lái)，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(lái)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?chē)O(shè)屏蔽層，減弱中子及γ劑量。     輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)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(lèi)      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(lèi)、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計(jì)需要等因素可建造成各類(lèi)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(lèi)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(yàn)堆：是用來(lái)研究中子特性，利用中子對(duì)物理學(xué)、生物學(xué)、輻照防護(hù)學(xué)以及材料學(xué)等方面進(jìn)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(dòng)力堆，利用核裂變所產(chǎn)生的熱能廣泛用于艦船的推進(jìn)動(dòng)力和核能發(fā)電。,核電站就是利用一座或若干座動(dòng)力反應(yīng)堆所產(chǎn)生的

20、熱能來(lái)發(fā)電或發(fā)電兼供熱的動(dòng)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(jìn)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(jìn)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(lái)的最成熟、最成功的動(dòng)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(dòng)汽輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來(lái)，并通過(guò)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(yùn)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(jī)組及二回等系統(tǒng)，其形式與常規(guī)火電廠類(lèi)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(jī)：將飽和蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)的機(jī)械能；4 發(fā)電機(jī)：將汽輪機(jī)傳來(lái)的機(jī)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(dòng)力而發(fā)電的電廠，它是一個(gè)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(gè)

23、輔助系統(tǒng)或設(shè)備組成。一回路也稱(chēng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，它包括壓水堆本體和若干個(gè)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(chēng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這種雙回路設(shè)計(jì)可使釋放到動(dòng)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)備通常可以分為兩大部分（圖1-1），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(gè)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(hù)和檢測(cè)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(guò)濾系統(tǒng)、核輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)； （f）  柴油發(fā)電機(jī)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(chēng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，它是由蒸汽系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)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(jiàn)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(shí)，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(kāi)；核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中另外兩個(gè)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?jī)?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(chǔ)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(jì)算機(jī)和蓄電池室；汽輪機(jī)廠房包括所有動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，即汽輪機(jī)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(lái)的熱能轉(zhuǎn)換為電能的核電站?？於言谶\(yùn)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(shí)現(xiàn)核裂變材料的增殖。  

28、   目前，世界上已商業(yè)運(yùn)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?，即使再利用轉(zhuǎn)換出來(lái)的钚-239等易裂變材料，它對(duì)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(jì)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(jì)上采

29、取了所能想到的最嚴(yán)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(jiān)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(hù)： 在出現(xiàn)可能危及設(shè)備和人身的情況時(shí)，1.進(jìn)行正常停堆； 2.因任何原因未能正常停堆時(shí)，控制棒自動(dòng)落入堆內(nèi)，實(shí)行自動(dòng)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(dòng)噴入

30、堆內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急停堆。,核電廠有著嚴(yán)密的質(zhì)量保證體系，對(duì)選址、設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和運(yùn)行等各個(gè)階段的每一項(xiàng)具體活動(dòng)都有單項(xiàng)的質(zhì)量保證大綱。     另外，還實(shí)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(shí)施情況和是否起到應(yīng)有的作用。另外對(duì)參加核電廠工作的人員的選擇、培訓(xùn)、考核和任命有著嚴(yán)格的規(guī)定。領(lǐng)取操縱員執(zhí)照，然后才能上崗，還要進(jìn)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(jì)中，始終把安全放在第一位，在設(shè)計(jì)上考慮了當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的最嚴(yán)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(yán)重的自然災(zāi)害,反應(yīng)堆也能安全停閉，不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窈妥匀画h(huán)境造成危害。     在核電廠設(shè)計(jì)中甚至還考慮了廠區(qū)附近的堤壩坍塌、飛機(jī)墜毀、交通事故和化工廠事故之類(lèi)的事件，例如一架?chē)姎馐斤w機(jī)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(jì)要求這時(shí)反應(yīng)堆還是

32、安全的。,七、核電廠發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)能安全停閉,核電廠的三廢治理設(shè)施與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)，同時(shí)施工，同時(shí)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(lèi)的低放射性廢水經(jīng)過(guò)處理、檢測(cè)合格后排放；氣體廢物經(jīng)過(guò)滯留衰變和吸附，過(guò)濾后向高空排放。     核電廠廢物排放嚴(yán)格遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)際排放的放射性物質(zhì)的量

33、遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值。所以，核電廠不會(huì)對(duì)給人生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)有害的影響。,八、核電站廢物嚴(yán)格遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人民生活不會(huì)產(chǎn)生有害影響,核電自50年代中期問(wèn)世以來(lái)，目前已取得長(zhǎng)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(yùn)行，總裝機(jī)容量為350676兆瓦。正在建造的發(fā)電反應(yīng)堆有30座，總裝機(jī)容量為21642兆瓦。     目前世界上有33個(gè)國(guó)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(gè)國(guó)國(guó)家和地區(qū)核電發(fā)電量超過(guò)各種的總發(fā)電量的四分之一，有的國(guó)家超過(guò)70％。據(jù)資料估計(jì)，到2005年核電廠裝機(jī)容量將達(dá)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(jì)。一座100萬(wàn)千瓦的火電廠，一年要燒270萬(wàn)至300萬(wàn)噸煤，排放出600萬(wàn)噸二氧化碳、約5萬(wàn)噸二氧化硫和氮氧化物，以及30萬(wàn)噸煤渣和數(shù)十噸有害廢金屬。一座100萬(wàn)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?gòu)U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(lái)留給子孫后代，還能有效改善人類(lèi)的生存環(huán)境。,,核電是清潔能源,火電站污染嚴(yán)重,第三節(jié) 核 武 器,利用能自持進(jìn)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(lái)表示，稱(chēng)梯恩梯當(dāng)量。核武器爆炸時(shí)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(wàn)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(wàn) 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(qiáng)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(shí)現(xiàn)超臨界狀態(tài)，利用中子源點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)裂變。 超臨界狀態(tài)的實(shí)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(chēng)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(dòng)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(jiǎn)單，形狀細(xì) 長(zhǎng)，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(guò)早點(diǎn)

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(hào) “小男孩”，長(zhǎng)約２.５米，直徑０.７１米，重約４噸，威力不到 ２萬(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，槍法原子彈的體積重量已有顯 著縮小。 美國(guó)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(zhǎng)度０.９４米，威力仍有 １萬(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量。,【內(nèi)爆法原子彈】又稱(chēng)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(dá)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(guó)投在日本長(zhǎng)期的原子彈，就是一顆內(nèi)爆法原子彈，代號(hào)為 “胖子”，核裝料用钚，長(zhǎng)約３.３米，直徑１.５米，重約４.５噸， 威力約２萬(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量。 １９６４年１０月１６日，中國(guó)進(jìn)行了 第一次核爆炸試

40、驗(yàn)，核裝置也是壓緊型的，但核裝料采用鈾 －２３５，威力為２.２萬(wàn)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(guó)制造的3顆原子彈。它們出世之后，為保密起見(jiàn)分別取了綽號(hào)“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(jī)從天寧島機(jī)場(chǎng)出發(fā)，把“小男孩”原子彈運(yùn)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(jī)

41、場(chǎng)再次出發(fā)，運(yùn)送另一個(gè)遠(yuǎn)計(jì)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(zhǎng)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(jì)，廣島市及長(zhǎng)崎市死亡及受傷人數(shù)加上其他受害者，總數(shù)達(dá)445,000人以上。,原子核的聚變,輕核聚變 兩個(gè)輕的原子核相碰，形成一個(gè)原子核并放出能量。最重要的聚變反應(yīng),,6個(gè)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(kù)侖勢(shì)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(zhǎng)的時(shí)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(jí)：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(jí)：實(shí)現(xiàn)熱核聚變反應(yīng)的部分。氫彈沒(méi)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(lái) 制備氚，以實(shí)現(xiàn)氘氚聚變反應(yīng)。,氫彈,,【三相彈】 放能過(guò)程經(jīng)歷由裂變到聚變?cè)俚搅炎內(nèi)齻€(gè)階段的一種氫彈， 又稱(chēng)氫鈾彈。絕大多數(shù)庫(kù)存戰(zhàn)略核武器都屬

44、于這種類(lèi)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(shí)，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(jìn)一步的聚變反應(yīng)。 三相彈的主要優(yōu)點(diǎn)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(yán)重。一般說(shuō)來(lái)，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(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量或更高時(shí)，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(zhǎng)的放射性核素鈷－60，從而增強(qiáng)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(lái)源于裂變碎器中半衰器較長(zhǎng)的放射性核素（如鍶－90、鈷－95、鈀－137等）。為了增強(qiáng)這一殺傷效應(yīng)，可以在普通核武器中加入鈷－59，它們?cè)诤吮ㄖ凶樱ǎ睿┑恼丈湎庐a(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(gè)ｙ光子，其

46、能量分別為１.３３和１.１７ＭｅＶ。因而大大增強(qiáng)了放射性沾染。,【中子彈】  以高能中子為主要?dú)蛩?、相?duì)減弱沖擊波和光輻射效應(yīng)的一種特殊設(shè)計(jì)的小型氫彈，又稱(chēng)增強(qiáng)輻射彈。 中子彈的特點(diǎn)是爆炸釋放的能量不高，但核輻射很強(qiáng)。根據(jù)美國(guó)核物理學(xué)家Ｓ．Ｔ．柯恩提供的資料，在150米高度爆炸時(shí)，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(guó)的估計(jì)

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(shí)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?dú)茐囊蛩氐奶厥庑阅軞鋸?。與三相彈相比，其顯著特點(diǎn)是降低了剩余放射性的生成量。它的確切名稱(chēng)為減少剩余放射性彈（Reduced Residuarl Redioactivety weapon）簡(jiǎn)稱(chēng)ＲＲＲ彈。 １９８０年美國(guó)

48、宣布研制成功沖擊波彈，宣稱(chēng)這種武器的放射性沉降比相同威力的純裂變武器低一個(gè)數(shù)量級(jí)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(lái)自重核裂變，因此設(shè)計(jì)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(duì)即可進(jìn)入爆區(qū)。因此比較適合于戰(zhàn)場(chǎng)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(chēng)。 戰(zhàn)略核武器的威力一般較高，大多數(shù)為幾十萬(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量，也有高達(dá)幾

49、百萬(wàn)噸、甚至上千萬(wàn)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(yuǎn)，可遠(yuǎn)至上萬(wàn)千米。 戰(zhàn)略核武器可分為戰(zhàn)略進(jìn)攻性武器和戰(zhàn)略防御性武器等。戰(zhàn)略進(jìn)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(jī)等，總稱(chēng)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(duì)空核導(dǎo)彈等。,【戰(zhàn)術(shù)核武器】   用于支援陸、海、空戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)，打擊對(duì)敵方軍事行動(dòng)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(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量，個(gè)別的也有威力高達(dá)近百萬(wàn)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(dá)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(lèi)型的早期核武器，即裂變武器。威力一般為幾百?lài)嵵翈兹f(wàn)噸梯恩梯當(dāng)量。 美國(guó)從４０年代末發(fā)展起來(lái)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(guó)家所用的也不盡一致。一種主張按比威力等技術(shù)性能來(lái)劃分，將美國(guó)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(chēng)為第一代核武器。,三代核武器,【第二代核武器】     通常指氫彈類(lèi)型的核武器。 ５０年代初，美國(guó)、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(jī)等射程較遠(yuǎn)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(wàn)噸至幾百萬(wàn)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(chēng)作第二代核武器。,【第三代核武器】     一種以核爆炸為驅(qū)動(dòng)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(guó)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(dòng)源和轉(zhuǎn)換器組成。核驅(qū)動(dòng)源是一種特殊設(shè)計(jì)的氫彈，通過(guò)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(dòng)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(duì)遠(yuǎn)距離的局部目標(biāo)的破壞效應(yīng)。例如，７０年代以來(lái)美國(guó)探索研究的核激勵(lì)Ｘ射線激光武器，利用核爆炸產(chǎn)生的Ｘ射線，激勵(lì)安置在核裝置周?chē)暮芏嗉す獍簦蛊洚a(chǎn)生定向的

55、Ｘ射線激光束，來(lái)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(dòng)能武器等。,第四節(jié) 能源開(kāi)發(fā),科學(xué)家們預(yù)測(cè)，如果人類(lèi)都用煤和原油來(lái)發(fā)電，預(yù)計(jì)200年后煤和原油資源就會(huì)枯竭。鈾雖然儲(chǔ)量豐富，但也是不可再生資源。如果人類(lèi)全部依靠鈾提供能源，預(yù)計(jì)1000年后鈾資源也會(huì)枯竭。,太陽(yáng)是萬(wàn)物之母,太陽(yáng)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(wàn)噸級(jí)的氫彈太陽(yáng)的質(zhì)量： 2x1027噸；太陽(yáng)的外層溫度：6000K, 太陽(yáng)的中心溫度：15,000,000K；太陽(yáng)賦予地球的能量?jī)H為聚變能的一萬(wàn)億分之五，卻是目前全世界使用的所有能源的10萬(wàn)倍。,開(kāi)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(lèi)。 氘在大海中的儲(chǔ)量幾乎是取之不盡（海水中氘的總量約35萬(wàn)億噸）。可控核聚變反應(yīng)堆研制工作雖然困難重重，道路還很