核能利用讲座

1、核核 能能 利利 用用兼论福岛核泄漏引起的热议兼论福岛核泄漏引起的热议 1942年年12月月2日，在芝加哥大学的体育场的看台下，日，在芝加哥大学的体育场的看台下，世界上第一座用碳作减速剂的核反应堆竣工落成。人类世界上第一座用碳作减速剂的核反应堆竣工落成。人类进入了原子能时代。进入了原子能时代。历史回顾核反应堆历史回顾重要事件 1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆；发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸；：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功。：氢弹试爆成功。 1958：我国建成第一座重水型原子反应堆我国建成第一座重水型原子反应堆; 19

2、64：我国第一颗原子弹试爆成功；：我国第一颗原子弹试爆成功； 1967：我国第一颗氢弹试爆成功；：我国第一颗氢弹试爆成功； 1984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动；：我国受控热核聚变实验装置顺利启动； 1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功；：北京正负电子对撞机首次对撞成功； 1991：秦山核电站发电成功：秦山核电站发电成功; 1996：中国宣布暂时停止核试验：中国宣布暂时停止核试验 历史回顾原子弹“小玩意儿小玩意儿”钚装药重钚装药重6.1千克，千克，TNT当量当量2.2万吨，万吨，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，试验中产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座致使一座3

3、0米高的铁塔被熔化为气体，并在地面米高的铁塔被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。上形成一个巨大的弹坑。在半径为在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有米的范围内，所有的动物全部死亡。的动物全部死亡。“原子弹之父原子弹之父” 奥本海默在核爆观测站里感到奥本海默在核爆观测站里感到十分震惊，他想起了印度一首古诗：十分震惊，他想起了印度一首古诗：“漫天奇光漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。其争辉。我是

4、死神，我是世界的毁灭者。”历史回顾原子弹在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达尘直冲云天，高达12英里多。英里多。美国原子弹突袭广岛和长崎造成美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区了巨大的毁伤。广岛市区80%的的建筑化为灰烬，建筑化为灰烬，64000人丧生，人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全人受伤，伤亡总人数占全市总人口的市总人口的53%。长崎市。长崎市60%的的建筑物被摧毁，伤亡建筑物被摧毁，伤亡86000人，人，占全市总人口的占全市总人口的37%。历史回顾原子弹中国第一颗原子

5、弹爆炸蘑菇云发展图中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图一、放射性衰变一、放射性衰变衰变衰变+衰变衰变自发裂变（SF）- -衰变衰变e e- -电子俘获（EC）e e- -内转换（IC）衰变衰变核衰变有多种形式，如核衰变有多种形式，如衰变，衰变，衰变，衰变，衰变，自发裂变及衰变，自发裂变及发射中子、质子的蜕变过程。发射中子、质子的蜕变过程。放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律0tNNe 1/ 2001/2/2ln2/0.693/TNNN eT 半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命半衰期也常用来表示放射性随时间衰减的快慢，定义为放射半衰期也常用来表示放射性随时间衰减的快慢，定义为放射性核素母核数目衰变

6、掉一半所需要的时间，以性核素母核数目衰变掉一半所需要的时间，以T1/2形式表形式表示：示：平均寿命平均寿命: :00001 / 20dd11 .4 4ln 2tNN ttNettTTN 放射性强度放射性强度 放射性强度表示放射性的强弱程度，定义为单位时间内放射性强度表示放射性的强弱程度，定义为单位时间内发生衰变的核的数目。因此放射性强度发生衰变的核的数目。因此放射性强度A A 可表示为：可表示为：00ddttNAN eA eNt 单位：单位： 国际单位制中，放射性强度的单位是国际单位制中，放射性强度的单位是bq (bq (贝克勒尔贝克勒尔) ) ：若在若在1 s1 s内有内有1 1个核衰变，则

7、此时该核素的放射性强度就是个核衰变，则此时该核素的放射性强度就是1bq1bq，即即1 bq =1 s1 bq =1 s-1-1。这个单位显然太小，所以常用这个单位显然太小，所以常用kbqkbq和和MbqMbq作单位。作单位。 放射性强度的常用单位是放射性强度的常用单位是Ci (Ci (居里居里) )，它与，它与bqbq关系是关系是1 Ci = 3.7 1 Ci = 3.7 10 101010 bq bq。一个居里大约相当于。一个居里大约相当于 1 1 克镭的活度。克镭的活度。居里这个单位又太大，实际应用中常用居里这个单位又太大，实际应用中常用mCimCi和和 CiCi作单位。作单位。 放射性强

8、度仅仅是指单位时间内原子核衰变的数目，而不是放射性强度仅仅是指单位时间内原子核衰变的数目，而不是指在衰变中放射出的粒子数目。有些原子核在发生一次衰变时指在衰变中放射出的粒子数目。有些原子核在发生一次衰变时可能放出多个粒子。可能放出多个粒子。 核能及其应用核能及其应用235U每个铀核裂变时放出能量约为每个铀核裂变时放出能量约为200Mev200Mev，比化学反应提供的能量几乎大了比化学反应提供的能量几乎大了1 1亿倍！亿倍！二、原子核裂变二、原子核裂变铀235的链式反应三、原子核聚变三、原子核聚变核聚变四、核四、核 材材 料料钚铀棒铀棒伊朗用于铀浓缩的离心机 伊朗核浓缩离心机伊朗核浓缩离心机为维

9、持核电站的正常运转，至少需要为维持核电站的正常运转，至少需要5万台离心机万台离心机 分离法所用的壮观的离心机级联机群，需要巨大的成本投入分离法所用的壮观的离心机级联机群，需要巨大的成本投入 美国的美国的 “大块头大块头”浓缩铀离浓缩铀离心机心机 新型离心机由高级碳纤维材料制成，其高在新型离心机由高级碳纤维材料制成，其高在10米以上，每个米以上，每个直径也接近直径也接近一一米。这些离心机能以每小时米。这些离心机能以每小时1600多公里的高速旋转多公里的高速旋转（远远超过音速）。在这种情况下，质量较大的（远远超过音速）。在这种情况下，质量较大的“杂质杂质”（如铀（如铀-238）就能被）就能被“甩出

10、去分离开甩出去分离开”。（共有几千台）。（共有几千台）五、原五、原 子子 弹弹人类第一颗人类第一颗原子弹原子弹准备试爆准备试爆 世界上第一颗原子弹爆炸于1945年7月16日下午5点30分。爆炸地点位于美国新墨西哥的阿拉莫戈多空军基地附近的沙漠中，爆炸产生的强光使夜晚的天空比正午还要明亮许多倍，200公里之外的玻璃窗也被震得粉碎。升起的蘑菇云高达15到20公里。三个星期之后，第二颗原子弹called Little Boy“ 于日本广岛被引爆。 原子弹爆炸（核裂变）原子弹爆炸（核裂变）前苏联的第一颗原子弹 六、氢六、氢 弹弹美国在马绍尔群岛的埃尼威托克珊瑚岛上试爆了一颗代号为“迈克”的氢弹。爆炸威

11、力达1040万吨TNT当量。“迈克”的巨大威力使得试爆点“埃鲁格莱伯”岛瞬间从地球上消失。 第一颗氢弹 2500万吨级氢弹爆炸万吨级氢弹爆炸1967年年6月月17日，日，中国第一颗氢弹中国第一颗氢弹爆炸成功爆炸成功 七、核七、核 电电 站站 燃料用的是二氧化铀陶瓷块，这样的铀芯块燃料用的是二氧化铀陶瓷块，这样的铀芯块本身就起防止放射性物质外逸的作用，即构成本身就起防止放射性物质外逸的作用，即构成了第一道安全屏障。把这些小的铀块重叠在高了第一道安全屏障。把这些小的铀块重叠在高3米，外径米，外径95毫米，厚毫米，厚057毫米的锆合金管毫米的锆合金管内封闭，即成为燃料元件棒，即铀棒。锆合金内封闭，即

12、成为燃料元件棒，即铀棒。锆合金管也能防止放射性物质逸出，故构成第二道安管也能防止放射性物质逸出，故构成第二道安全屏障。全屏障。 整个堆芯放在内径为整个堆芯放在内径为4米，高为米，高为13米，厚为米，厚为02米的压力壳内。一回路和压力壳组成第三米的压力壳内。一回路和压力壳组成第三道安全屏障。道安全屏障。 安全壳：高安全壳：高6070米，厚米，厚1米水泥壳，内衬米水泥壳，内衬5毫米不锈钢，构成第四道安全屏障。毫米不锈钢，构成第四道安全屏障。 八、福岛核电站的八、福岛核电站的 核泄露核泄露九、核泄露九、核泄露对环境的影响对环境的影响 福岛核电站万吨辐射污水排入大海十、核泄露十、核泄露对人体的影响对人

13、体的影响 核泄漏出的放射性元素 放射性碘-131，半衰期8天，由于其具有挥发性，因此能够通过空气传送，危害范围比较广泛。人体吸入过量碘-131会引起血液系统的疾病，尤其对儿童和孕妇的影响更为明显。钚-239，半衰期2.41万年，钚在高温下生成，在大气中钚呈颗粒物形态，传播一段时间后就会掉落到地上，因此危害范围主要在核泄漏周边的土壤和水源中。对人体具有强毒性危害，一旦侵入人体，就会潜伏在人体肺部、骨骼等组织细胞中，破坏细胞基因，提高罹患癌症的风险。 还有铯137了，半衰期30年 吸入后会分布于各软组织中，特别是肌肉等， 不过不知道吸入后在体内的代谢情况。 有报道说在核电厂附近检测到铯和碘的放射性

14、同位素，专家认为有氮和氩的放射性同位素泄出也是很自然的，目前还没有明确的迹象有铀或者钚泄漏。 铯铯137和碘和碘131的产生原理的产生原理 铯-137银白色、质软、化学性质极为活泼，遇水发生爆炸，放射性较强，人体摄入量小于0.25Gy属于安全范围；超过此值会导致造血系统、神经系统损伤，非正常生育乃至绝育；人体摄入量超过6Gy，能够致人死亡。铯在工程施工中被用于钢管焊接中的工业探伤，由于有放射性，平时储存在铅容器内。铯-137是一种重金属，与铀-235同属于放射性物质中毒组。 铯cesium化学符号 Cs ，原子序数 55 ， 原子量132.90543，属周期系IA族 ，为碱金属的成员和稀有金属

15、 。1860 年德国 R.W.本生和 G.R.基尔霍夫用光谱分析发现一种新的碱金属元素，取名cesium，该字来源于拉丁文caesius，含义是蔚蓝的天空。已经发现的铯的放射性同位素共有34个。铯是金黄色金属 ，很软，可用小刀切割 。 熔点28.4，沸点669.3 ，熔点和沸点最低,蒸气压最高，密度 1.8785克厘米3(15)密度最大，正电性最强， 。在碱金属中，铯的电离势和电子逸出功最小，因此，它比其他碱金属要活泼得多。在室温下，金属铯在空气中猛烈燃烧，在纯氧中则会发生爆炸 ，生成超氧化铯 。 铯与水剧烈作用 ，甚至与116的冰也能剧烈反应，生成氢氧化铯和氢气 。因此 ，铯必须在严密隔绝空

16、气的情况下保存在液体石蜡中。铯与有限量氧气作用，可生成氧化铯，还能与卤素发生反应。铯的氧化态为1，只生成1价化合物。铯离子能使火焰染成蓝紫色，可用焰色反应和火焰光度计检测。铯的另一重要用途是制造铯原子钟，1976年国际度量衡局规定1原子秒相当于133Cs原子基态的2个超精细能级之间跃迁所 对应的辐射的 9192631770 个周期的持续时间，铯原子钟的准确度可达到500万年误差仅1秒的水平。 元素碘的一种放射性同位素。符号I-131,简写为I。 它的原子核内有78个中子，而碘的稳定性核素原子核内只有74个中子。 碘131是衰变核素，发射射线（99%）和射线（1%）， 射线最大能量为 0.606

17、5兆电子伏，主要射线能量为0.364兆电子伏。半衰期为 8.02天。3.710贝可的碘-131点源重8.0510毫克，在1厘米远处的照射量率是2.3伦琴/时，采用5厘米厚的铅屏蔽就可以安全操作。碘131属高毒性核素，紧要器官是甲状腺，对人体的有效半减期为7.6天,在人体内的最大容许积存量为1.810贝可。碘-131在放射性工作场所空气中和露天水源中的最大容许浓度分别为0.33和22贝可/升。 碘131的化学性质与元素碘相同。 问：碘片（KI）能防辐射吗？它是如何防辐射的？应该服用多少量？答：核与辐射突发事件发生后，人有可能摄入放射性碘，并集中在甲状腺内，使这个器官受到较大剂量的照射。生理学上，

18、人体碘的主要来源是甲状腺的吸收，甲状腺靠碘来产生甲状腺激素。KI是稳定性碘，它可以使甲状腺内的碘饱和从而阻止放射性碘的摄入。 1986年4月26日凌晨.位于苏联乌克兰加盟共和国首府基辅以北130公里处的切尔诺贝利核电站发生猛烈爆炸.反应堆机房的建筑遭到毁坏.同时发生了火灾.反应堆内的放射物质大量外泄.周围环境受到严重污染.造成了核电史上迄今为止最严重的事故.切尔诺贝利核电站共有4个功率均为100万千瓦的核反应堆.其发电量占乌克兰总发电量的50%.并向大多数东欧国家提供重要电力.但该核电站的反应堆是20世纪70年代引进的水冷式石墨慢化反应堆.铀燃料棒放在一大堆石墨中.由石墨有效地控制反应的速度.从而产生推动涡轮机的蒸汽.由于石墨反应堆不够安全.许多年以前就被西方国家抛弃了.