核能应用与发展

1、 1.序言 1.1经典物理学和量子力学在这本书中介绍的原子和量子物理学，基本上是本世纪前第三的产物。经典物理学的分支如力学、声学、热力学和光学必须扩大时，作为物质的原子结构知识增加的结果，原子和量子成为了物理学研究的对象。因此，在第二十世纪，经典物理学已经由原子物理和光或能量量子物理进行了补充。原子物理学的目标是对原子结构及其相互作用的理解以及对电场与磁场的相互作用的理解。原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子构成的。这些粒子相互作用的电磁力在经典物理学中是众所周知的。单独在这些相互作用力基础下原子核的物理现象是不能够解释的。一个新的作用力核强相互作用力决定了核的结构，并且典型的结合能是大于

2、那些原子中的电子的数量级的。因此原子核的研究，基本粒子的研究以及整个高能物理形成了它们自己的物理学分支。本书不会探讨这些内容。 1.2简史 单词原子出自于希腊语并且译为“不可分割的物质”，是物质的最小组分，不可能再进一步分割。这个概念是在公元前5世纪和前4世纪中期被希腊自然哲学家引入的。最早的物质结构原子理论是由德谟克利特（公元前460370年），柏拉图（公元前429348年）和亚里士多德（公元前384322年）提出的。它经历了两千多年才使这种推理的原子论演变成为现代意义上的精确的原子物理学。原子这个词的含义如果翻译成拉丁语的话就会产生更少的误解：不可分割的物质是大型集合中的最小的单元，它拥有

3、这个集合中所有的本质特征。从这个意义上说，原子实际上就是不可分割的。诚然，有一种是可以的，把一个氢原子分离成一个质子和一个电子，但是氢在分离的过程中就已经被破坏了。例如没有一个人能在氢原子光谱上观察它的光谱线特征。原子论按照现代科学的理解首先被发现于物质之中，然后是电子，最后是能量。物质的原子论，有一个公认的事实那就是所有的化学成分室友原子组成的，这是根据化学研究推断的。恒量定律和倍比定律分别是由J.L.普鲁斯特和道尔顿约在1799年和1803年提出，这些定律可以很简单地解释原子假说。反应方程式 14g N + 16g O =30g NO 14g N + 32g O =46g NO2意思就是氮

4、和氧原子的重量是相关的14:16只有整个原子相互作用，第一个原子模型（W.普罗特 1815）是假设除了氢原子之外的所有元素的原子是组成整体的。作为一个启发性原理，这个假设最终基于化学性质形成了有序元素的体系，L.迈耶和D.I.门捷列夫化学周期系。更多关于这个学科的内容会在化学入门教材讲到。几乎在同一时间（1808年），盖-吕萨克发现不仅是质量而且气态反应物的量都是以整数的定量发生的。在上面的例子1体积N +1体积O产生2体积NO 1体积N +2体积O产生2体积NO2相似的观察形成了阿伏伽德罗假设：同等体积的气体在相似的状态下 （压强，温度） 包含同等数量的分子。 在19世纪间对气体的继续研究调

5、查引出了热原子论，它对热量在通常的情况下进行了解释，尤其是在一系列的原子运动和原子间碰撞的热力学定律。大约在1870年，这一首个理论包含了整个物理学分支，气体分子运动论由物理学家克劳修斯和玻尔兹曼完成。 电磁感应是在1833年被英国科学家迈克尔法拉第发现的，基于对电解液体非常仔细测量的定量计算，他用公式表达了他著名的定律： 分解的元素的电量与电荷传输过程的电量成正比，不同的元素被相同电量的电荷分离成等效权重。 由此法拉第总结出： 原子的带电成分是在它的质量与电荷定义后70年，这个带电物质就是电子与物质的原子相关。 原子能的发现可以追溯到底：1900年十二月14号，在那次柏林物理学会的演讲中普朗

6、克给出了黑体辐射规律的推导。为了推导出这些定律，他假定谐波振荡器的能量只能采取离散的值对于在经典理论中能量值是连续的，这是相当矛盾的。 这一天可以称为量子理论的诞生日。原子与量子物理学的进一步发展是这本书的主题。 我们对原子结构的认识受到了光学谱研究的强烈影响。在1860年基尔霍夫和本生发现光学光谱所发射或吸收的光的元素的特征后，巴尔默在原子光谱中成功地找到一个有序原理，用公式8.1表示，这个公式是以他的名字命名并描述了氢原子的发射谱线。基于卢瑟福提出的原子模型，玻尔才能够在1913年用公式表示原子中电子轨道的量子化的基本原则。这些量化的规则是由索末菲大大推广的。通过玻恩，海森伯，薛定谔，泡利

7、，狄拉克和其他研究人员在1920年到1930年的十年之中取得了实际突破。 当前研究关心的原子物理问题：关于原子的电子壳层结构及其激发的越来越详细的描述原子与辐射场的相互作用，以其在光泵浦（第二十一章）和激光物理（第二十二章）中 的应用为例原子物理基础研究原子数据的计算物理学应用科技固体物理学 量子电子学 测定单位理想与缺陷结构 激光器，频率标准，航行，大地测量学 基本常数 化学物理学 医疗技术 空间研究 分子形成 辐射效应 地球和行星大气，气象天体物理学 通信技术 环境 原子光谱 激光技术，电离层 污染物检测等离子体物理 能源问题 激发机制 能源生产新方法生物物理学 复杂分子结构地球物理学 地

8、球磁场领域 图1.1 原子物理学与其他科学、 科技学科的关联原子在气相碰撞过程中和分子形成过程中的相互作用单个原子凝聚相形成原理，和它们的性质 因此，在原子物理和化学的基础上，分子和固体物理也不断使用它的规律和原则。 与此同时，对于许多其他研究，科技以及应用学科而言，原子物理学是一门基础科学。举例如图1.1所示。 下面的章节不会给出一个历史或时间顺序介绍。然而，这些章节展现了发展和探索的总路线。在满足获取物理知识方面，它是很少用的。物理学家必须学会分析，解释，并从实验结果中提取出要点。在这个过程中，重要的是要认识到与其他实验结果的关系，并能够预测新实验的结果。然后预测必须得到实验检验。因为这个

9、过程，物理不是一成不变的，最终确定的科学，而是处于一个不断发展的状态。由于新的实验技术开辟了新的研究领域，而另一方面，发展物理概念的过程中带来了有史以来最新的实验的理念。核能的应用引言 人类的一切活动都离不开能源，能源是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要基础。1939 年原子核裂变的发现，开辟了核能利用的新时代.。特别是在能源结构从石油转入非油能源的新时期里，核能被认为是解决世界能源短缺的一种重要途径，可开发的核燃料资源所提供的裂变能、聚变能，可供人类大规模长时期的利用。核能具有独特的优越性开发和利用新型的核能源是人类社会生存发展的必然趋势。近年来，大力发展核电是

10、许多国家在研究本国能源现状和前景之后,所采取的一种比较普遍的基本政策。核能发现  核能的发现凝聚了众多科学家的智慧和汗水。1932年，英国物理学家查德威克发现了中子，为人类提供了打开核能利用大门的一把钥匙，1939 年，费米利用中子轰击铀发现反应能产生中等重量的元素，居里夫人的女儿伊伦·居里进行了类似的研究，但得到了不同的反应产物。德国科学家哈恩重复他们的实验证实中子轰击铀能产生重量为铀一半的元素，并确定它是钡，他的进一步工作证实了伊伦·居里实验的产物是镧。接着，流亡瑞典的奥地利女科学家迈特纳提出了铀核裂变的概念,并指出裂变能放出能量。为了能持续地放出核

11、能,匈牙利物理学家西拉德最先考虑了链式反应发生的可能性。1939 年约里奥·居里夫妇等人，通过实验发现一个铀核(U - 235)裂变会释放出23个中子,用实验证实了链式反应的可能性。1941年12月到1942年12月,费米领导一批物理学家在芝加哥大学斯塔克运动场的西看台下成功地建造了世界上第一座原子核反应堆发出了200W的电，解决了受控自持链式反应的众多技术问题，这标志着核能和平利用时代的到来。核能的发展  第一代核电站。核电站的开发与建设开始于20世纪50年代。1954年前苏联建成发电功率为5兆瓦的实验性核电站；1957年，美国建成发电功率为

12、9万千瓦的Ship Ping Port原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性的原型核电机组成为第一代核电机组。  第二代核电站。20世纪60年代后期，在实验性和原型核电机组基础上，陆续建成发电功率30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组，他们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。目前，世界上商业运行的400多座核电机组绝大部分是在这一时期建成的，习惯上称为第二代核电机组。  第三代核电站。20世纪90年代，为了消除三里岛和切尔诺贝利核电站事故的负面影响，世纪核电业界集中力量对严重事

13、故的预防和缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台了先进轻水堆用户要求文件，即URD文件和欧洲用户对轻水堆核电站的要求，即EUR文件，进一步明确了预防与缓解严重事故，提高安全可靠性等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。对第三代核电机组要求是能在2010年前进行商用建造。  第四代核电站。2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷共10个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”，与2001年7月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能技术。核能原理  核能（或称

14、原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc² ，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三种核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自

15、持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。核能的应用 一、核能在农业方面的应用 将农学与核科学结合起来的新兴学科称核农学，其目的在于为农业科学研究和农业生产提供新的手段，促进农业的现代化。核技术在农业中的应用是1955年第一届国际原子能和平利用会议以后，逐渐在各个国家发展起来的。中国于1956年开始制订这门学科的发展规划。1957年在中国农业科学院建立了第一个原子能农业利用研究室，后发展为研究所。至今全国各省、市、自治区和少数地区的农业科研单位已广泛开展这方面的研究，并取得了显著成绩。主要包括下列内容： 辐射育种即利用、X、射线或中子流等

16、高能量的电离辐射处理植物的器官，使细胞内产生不同类型的电离作用,进而诱发产生可遗传的突变,从中选择和培育符合生产需要的新品种。辐射育种与常规育种比较，其主要特点为：变异率高。一般可达1/30，比自然突变高100倍以上,甚至可达1000倍。变异范围广。诱变产生的变异类型常超出一般，甚至会产生自然界中未曾出现的或罕见的新类型。其中有的具有利用价值，已为作物提早成熟、植株矮化、增强抗病性、提高蛋白质、糖分、淀粉的含量等创造了丰富的育种原始材料和基因资源。变异稳定快。由辐射处理产生的变异,一般经3代即可基本稳定,而有性杂交大多要经46代才能稳定。 辐射处理的方法分外照射和内照射两种。外照射是指被照射的

17、种子或植株所受的辐射来自外部某一辐射源；方法简便、安全，可以大量处理。内照射是将辐射源引入被照射种子或植物某器官内部，常见的有放射性同位素浸种、放射性同位素注射（在茎、枝条、芽或子房部位施用放射性同位素肥料供植物吸收）以及向植物供给14CO2、使之通过光合作用同化到代谢产物中去诱发突变等。辐射处理的材料包括种子、花粉、子房、营养器官和整体植株。此外，还可照射愈伤组织，用于辐射诱变与组织培养相结合的研究领域（见诱变育种）。辐射不育治虫原理是通过对防治对象(雄虫)某个虫态的辐照处理，使其生殖细胞的染色体发生断裂、易位，造成不对称组合，导致显性致死；而受照射的体细胞基本上不受损伤。由于辐照后的昆虫仍

18、能保持正常的生命活动和寻找配偶，将经过辐照处理的不育昆虫在虫害地区连续大量释放，就可使其同正常昆虫进行交配而不产生后代。经过几代之后，自然种群因不育而数量减少，以致有可能完全消灭这一地区的虫种。此法不会造成环境污染，对人、畜和天敌无害，防效持久，专一性强，对消灭螟虫、棉铃虫等钻进植物体内隐蔽、药剂和天敌很难触及的害虫效果尤佳。射线、X射线、射线及中子束都可用于照射，而以60Co放射源的射线最简便有效。但用高剂量辐照造成的不育昆虫因无法和自然种群争夺配偶，因而影响灭虫效果。近年来，改用亚不育或半不育剂量处理的害虫，可提高受照射昆虫竞争配偶的能力，通过遗传将辐射导致的细胞染色体易位变化传递给下一代

19、，使95以上的下一代害虫丧失生育力。如玉米螟雄虫经过这样的处理后，其子代可比亲代更为不育。此法虽不能在当代根除害虫，但可减少不育虫的释放量，使防治成本降低。因而在成虫期不危害作物的条件下释放半不育（其子代完全不育）雄虫，一般可比释放完全不育的雄虫取得更好的效果。 世界上约有 1/3的国家对上百种昆虫从事辐射不育的研究，已知有30多种害虫进入了中间试验或应用阶段。螺旋蝇、地中海果蝇、红铃虫等一些重要害虫用不育方法防治，都取得了重大成果。  辐射食品保藏即通过辐照抑制食用产品器官的新陈代谢和生长发育，同时杀灭害虫和致病微生物，以改进食品品质，减少贮运损失，延长贮存期和货架陈放期

20、。用于这一目的的辐照源一般包括 60Co、137Cs的射线源、X光机发出的X射线、电子加速器发出的小于或等于10MEV的电子射线等。辐照前处理是辐照食品的重要环节，经常采用的手段包括:严格控制食品收获、加工的条件,以降低害虫和微生物对食品的污染基数;通过适当加热,以钝化生物酶的活性；通过低温暂存和绝氧控制食品代谢的速度，以防止氧化；以及添加抗氧剂、保水剂、辐射增效剂等。  辐照剂量按辐照的不同目的可分为3类:低剂量用于抑制产品器官的代谢和杀虫，剂量范围在0.1兆拉德以内；中剂量用于针对性、选择性的杀虫、灭菌和改进品质,剂量范围在0.11兆拉德;高剂量用于彻底杀虫、灭菌和长期

21、保存食品，剂量范围在16兆拉德。多数情况下，剂量率在1010000千拉德小时范围以内时,辐照剂量率变化对食品辐照效果的影响不显著。长期的生物试验结果证明，辐照食品是卫生和安全的，不会使食品产生感生放射性；射线杀虫、灭菌还能减轻甚至消除病原体及其产生的毒素，而不会产生病原体及其毒素。人食用辐射食品后无不良反应。  放射免疫分析是一项微量分析技术。1959年由美国科学家耶洛与贝松提出。在畜牧、兽医上现已成为家畜生理和兽医临床研究的重要手段，常用以进行激素检测和细菌、病毒、抗体、维生素、药物、酶等微量物质的定量测定；在植物病理研究等方面也有应用。其基本原理是用放射性同位素标记的抗原与限量特

22、异抗体发生反应，形成标记抗原-抗体复合物。这是一种可逆反应。在抗体浓度较低时，此复合物是可溶的。如向此反应系统中加入性质相同的非标记抗原，则将以同样方式与抗体发生反应，即在数量上与标记抗原发生竞争。反应系统中非标记抗原的量愈多，同标记抗原相结合的抗体就愈少。放射免疫分析就是利用这种竞争性反应。实验中将一系列不同浓度的非标记抗原加至含有一定量特异抗体和标记抗原的混合液中，反应后，用快速分离技术使结合的标记抗原和未结合的标记抗原分离，进行放射性测定，即可绘制出剂量 -反应标准曲线。按同样程序对待测样本进行测量，将所得结果与标准曲线对照，便可求得样本中抗原的含量。此法的优点是特异性强，灵敏

23、度、准确度和精确度高，样本用量少，操作程序便于标准化，放射性物质不引入体内因而比较安全。  同位素示踪法是利用放射性或稳定性同位素标记的元素或化合物参加到化学或生物研究过程中跟踪某个过程的方法。其特点是：灵敏度高。一般最精确的化学分析很少能测到10-12克,同位素示踪则可检测出10-1410-18克的微量物质，这对于动、植物体内痕量元素和激素代谢等的研究十分重要。操作手续简便。只测定试验样品中的放射性强度，不受其他非放射性元素的干扰，因而可以减少繁杂的提取、纯化、分离等化学分析的操作程序。可区分试验体系中原有的分子和新加入的分子。如用放射性同位素32P示踪方法研究作物对磷的吸收，可以

24、区分出植株中来自土壤和来自肥料的磷。可以在正常生理条件下进行试验。如用常规方法研究家畜营养代谢往往要引入比正常生理剂量大得多的药理剂量，而使用同位素示踪剂只要微量就可达到目的，因而可避免对正常生理的干扰和破坏。可以准确定位。用放射性自显影术可以确定放射性示踪剂在组织或器官中的位置和分布；而用显微自显影或电镜自显影，则可进行细胞甚至亚细胞水平的定位观察。 同位素示踪法在农业中的应用可分为下列两类。 放射性同位素示踪又分为3种类型: 利用同一元素的同位素化学性质相同的示踪试验。这类试验所采用的放射性示踪剂和研究对象二者的化学性质以及试验过程中所经历的化学和生物学反应都相同，如用

25、放射性32P标记的过磷酸钙去追踪作物对磷肥吸收的研究就属此类。 利用放射性示踪剂和被研究对象完全物理混合的试验。二者的重量比在整个试验过程中保持不变。如在农药溶液中加入一定量可溶解于农药的短半衰期的放射性同位素，可用以测定飞机喷洒农药的分布范围。 利用放射性作标记的示踪试验。这类试验要求示踪剂在试验过程中牢固地和被追踪物结合在一起。如将放射性131I或60Co附加（通过喂食、喷洒、沾着等方法）在昆虫身上后释放，再在不同的时间和地点捕捉昆虫并检测其放射性，便可得知其迁飞的速度和分布范围。 稳定性同位素示踪稳定性同位素是天然存在的不能探测到放射性的同位素。用以作为农业科学研究的示踪剂，具

26、有下列优点： 没有放射性，适用于生物有机体的研究；标记物的合成和处理较简单，同位素不会衰变，实验不受时间限制；农业科学研究中最常用的稳定性同位素如13C、15N、18O等都无毒性,且是有机体的组成元素,氮和氧没有较长半衰期的放射性同位素,因而15N、18O是农学研究中唯一适用的示踪元素；用质谱技术测定“同位素比值”，要比放射性示踪测定方便。基于这些优点，稳定性同位素示踪法已日益成为农学研究不可缺少的手段。如土壤科学中用以研究氮素转化、肥料氮在土壤中的移动和固定、氮的循环以及氮的利用和损失；生理研究中用以揭示植物蛋白质的形成过程、生物固氮和动物的氮代谢；生物工程中通过13C、15N等同位素标记核酸、核苷酸或核苷进行追踪,用以揭示DNA的重组和复制过程等。此外,还可利用13C、15N标记农药,研究其在作物和土壤中的残留和降解产物，利用18O研究土壤水分以及利用10B研究植物对微量元素硼的需要等。  放射自显影术是定位地记录放射性物质在动、植物体内分布的方法。摄取了放射性物质的动、植物标本的表面，在与感光乳胶相接触后，感受了放射性的乳胶经显影加工，就能反映放射性在体内分布的影象。由于乳胶中的卤化银颗粒极其细小，且每一颗粒都独立地