核能的发展应用史

核能的发展应用史系别：核工程与新能源技术系年级：大一专业：核工程与核技术班级：4班学号：学生姓名：完成日期：2014年12月27日引言二十世纪注定是一个，足以影响整个人类进程的伟大世纪。随着新世纪的到来，科学家们迎来了物理学的又一个春天。1900年英国著名物理学家开尔文在新春贺词中这样描述道：“19世纪已将物理学的大厦全部建立，今后的物理学家的任务就是修饰、完美这座大厦。”但在贺词的最后他又说道：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’。”一朵“乌云”是“以太学说”，而另一朵“乌云”则是“紫外线危机”。正是这两朵“乌云”引出了两个伟大的物理学领域，一个是相对论，另一个是量子力学。这两个领域来得正是时候，因为人类在此之前已经进入“电”的时代。“电”在给人类带来便捷生活的同时，又给人类出了两个更为艰巨的任务——解决能源不足问题与保护生态环境不再进一步遭到破坏。这使得人类不得不另辟蹊径，去寻找解决能源不足问题的方法与保护生态环境不再受到破坏的可行方案。幸运的是，这两个领域也紧跟着新世纪的脚步慢慢向我们走来。它们的到来，使得我们找到了一举解决这两个问题的方法——向微观索取能源。虽然，前人已经在微观领域取得了丰硕的成果，但就目前来看，我们的任务依然艰巨，幸运的是我们可以从前人的“足迹”中汲取经验与教训。关键词：原子射线核武器核电站核医学核污染自从1824年法国学者Jean-BaptistJosephFourier提出“温室效应”以后，一些有远见的学者就开始担心生态环境将会遭到更巨大的破坏。并且与此同时，另外一些科学家就已经开始寻找解决之道。但可惜的是，他们都没有取得有效的实质性成果。直到20世纪三四十年代，科学家们终于找到了解决这一问题的方法——开发核能，并且取得了丰硕的成果。现在，我们就来“领略”一下核能的发展应用史吧。一原子与射线1.1原子“原子”一词最早是由古希腊哲学家留基伯(德谟克利特)在解释世界本源时提出的，与英国著名化学家道尔顿所提出的“原子论”的本质是不同的。现在我们知道原子是由原子核和电子组成的，而原子核又是由质子与中子组成的，我们还知道原子的结构是行星模型。但是，科学家们为了搞清楚原子的组成与结构，却花了几十年的时间。1.1.1电子1858年德国物理学家普吕克尔首次观察到阴极射线，1876年另一位德国物理学家戈德斯坦正式将他所看到的同普吕克尔所观察到的同种射线命名为阴极射线。随后，科学家们就开始讨论阴极射线的本质是什么。一种观点是阴极射线是一种电磁波，另一种观点是阴极射线是一种带电微粒。电磁波的发现者赫兹认为“阴极射线是电磁波”并做了大量的实验得出了“阴极射线是电磁波”的错误结论。而英国物理学家汤姆孙则在赫兹实验的基础上又做了大量的实验终于得出了正确的结论——阴极射线是带电微粒。1897年，他将该微粒命名为主要利用以下原理：射线与物质的作用：光子、光电子、康普顿散射等。电子射线的作用：库仑散射、轫致辐射、契连科夫效应等。二质能方程与正电子2.1质能方程2.1.1结合能我们知道化学反应的本质是：旧化学键的断裂，与新化学键的形成。旧化学键的断裂需要吸收能量，而新化学键的形成是释放能量的。但原子核的破裂是释放能量的。我们又知道原子核是由质子与中子组成的，科学家将分开原子核所需的能量称之为结合能。有趣的是：原子核中核子的数目愈多结合能愈大。科学家们将结合能与核子数之比称之为比结合能，又称之为平均结合能。此后科学家又发现比结合能愈大原子核中核子结合得愈牢固，原子核愈稳定。2.1.2质能方程人们在知道结合能的存在后一直在寻找测量结合能的方法。直到1905年爱因斯坦给出了间接的测量方法即著名的质能方程E=MC2。质能方程的提出，使人类看到了解决能源危机的曙光，也使人类更进一步认识到质量是能量的另一种表现形式，所以“物质就是能量”这句话是正确的。2.2正电子在爱因斯坦提出质能方程之后，科学家们便开始努力去证明质能方程的正确性，但一直没有实质性的成果。1928年英国物理学家狄拉克在“完善”薛定谔方程时将相对论引入，并给出了狄拉克方程。方程在理论是预言正电子是存在的，即反物质是存在的，进一步支持了质能方程的正确性。1929年，中国学者赵忠尧在研究各元素对硬伽马射线的吸收时，首次发现硬伽马射线在重元素中存在反常吸收的现象，并做了进一步研究。1930年，赵忠尧发表了《硬伽马射线在物质中的吸收系数》与《硬伽马射线的散射理论》等论文。因此，他成为人类历史上第一个观测到正反物质湮灭和第一个发现反物质的科学家。随后，又有两位科学家重复做了同样的实验，但可惜的是一位科学家因为操作步骤错了，另一位科学家因为使用的测量仪器不够灵敏，导致实验未能成功。1931年底到1932年初，法国物理学家约里奥——居里夫妇在实验室里也观测到了“正电子”的存在，但他们没有辨认出正电子。1932年，美国物理学家安德森在“云室”中得到了一条与电子运动路径相反的粒子轨迹，这就是正电子。正电子的正式发现又一次证明了质能方程的正确性。1945年，中国学者何泽慧首次发现并研究正负电子几乎全部交换能量的弹性碰撞现象。三核武器与核电站3.1核裂变经过爱因斯坦等科学家的努力，使得人类真正看到了“能量无极限”的曙光。同时，一方面科学家们在“建设”粒子加速器的进程中取得了一个又一个成果。1919年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工和反应，这拉开了人类改良粒子加速器的序幕。1928年，伽莫夫通过理论计算得出：能量远低于天然射线的阿尔法粒子也有可能透入原子核内部。1930年，劳伦斯提出回旋粒子加速器的理论，并于1932年首次研制成功。1932年，考克绕夫特与瓦尔顿在实验室里完成了第一个由人工加速的粒子引起的核反应。1932年，斯莱皮恩首次提出利用感应电场加速粒子的想法。1940年，克斯特解决了电子轨道的稳定问题后，终于建成了第一台电子感应加速器。而另一方面，人们在利用核能的理论上也获得了巨大的成果。1938年初，法国物理学家约里奥——居里夫妇在用中子轰击铀核的实验中发现：生成物中有原子序数为57的元素镧。1938年底，德国物理学家哈恩与他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现：生成物中有原子序数为56的元素钡。1939年，奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释；铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎片。弗里施将这类核反应定名为核裂变。之后科学家们又发现：重核在裂变过程中所产生的中子会引起新的核裂变，这将意味着重核所产生的中子会使裂变反应一代又一代的继续下去。科学家将该现象称为链式反应。至此，核能的利用终于迎来了春天。时隔8年后，1946年春，中国学者钱三强、何泽慧夫妇又发现了铀核裂变的新方式——三分裂与四分裂现象（何泽慧首先捕捉到世界上第一例四分裂径迹）。这一现象不仅反映了铀核特点，而且使人类能进一步探讨核裂变的普遍性。3.2核武器与核电站3.2.1核武器在核能可以利用的理论发表之后，科学家们随即就开始探索利用核能的方法。1936年，丹麦物理学家玻尔提出原子核液滴模型，这一液滴模型成为当时人们理解原子核反应并探索大规模释放核能的途径的可用的理论指导。随后，中国学者张文裕证明了液滴模型的正确性。1939年，丹麦物理学家玻尔与物理学家惠勒基基于液滴模型提出了一种核裂变机制，之后他们又进一步发展与完善“核液滴模型”。1942年，中国科学家卢鹤拔紱公开指出核能的威力是巨大的，并预言大规模利用原子能的可能性，在当时还引起了蒋介石的关注。1942年，美国为了抢在德国之前爆炸原子弹，也是为了取得反法西斯战争的胜利，开启了著名的曼哈顿工程。1945年，中国物理学家提出了一种估算原子弹及原子堆临界大小的简易方法，因此他被称为“世上第一个公开揭露原子弹秘密的人”。1945年7月16日，由美国物理学家奥本海默等人所研制的的原子弹成功爆炸，这是人类历史上的第一颗成功爆炸的原子弹，奥本海默也因此成为“原子弹之父”。（原子弹原理：重核裂变的链式反应。材料：高浓度铀235、高浓度钚239。结构：内爆式、枪式。）（1938年，苏联可能引爆了一颗TNT当量为2000吨的“原子弹”。1944年，德国可能引爆了TNT当量近千吨的“脏弹”）在1952年，由美国物理学家泰勒等人所研制的氢弹成功爆炸，泰勒因此成为“氢弹之父”。（氢弹原理：两个轻核结合成质量较大的核。材料：重氢、超重氢、锂。）1962年，由美国物理学家塞姆·科恩等人所研制的中子弹成功爆炸。核武器的威力是巨大的，当第一颗原子弹爆炸后使得在场的科学家感到了死神的到来。随后，1945年8月两颗原子弹降落在日本，日本因此迅速投降。（核武器的种类：核分裂型：原子弹，核融合型：氢弹，分裂融合型：三相弹，氢铀弹等，加强型，常见的核弹有：原子弹，氢弹，锂弹，中子弹，肮脏弹，钴核弹，冲击波弹，射线弹，核电磁弹，贫铀弹。拥有核武器的国家，美国，俄罗斯，中国，英国，法国，印度，巴基斯坦，以色列，朝鲜，日本）3.3核电站在天然放射性被发现之后，当时的科学家就认为一块铀矿石所释放的射线能量是“无穷无尽的”即这种天然射线会持续极长的时间。1942年，中国科学家卢鹤紱就公开声称：一公斤铀235完全释放的能量相当于近千吨的优质煤所燃烧释放的能量。确实现在经过精确计算得出了这样的结论：一公斤铀235完全释放的能量相当于约2700吨的优质煤所燃烧释放的能量。这是多么大的诱惑啊！但是，要想利用核能，就得先解决重核裂变链式反应可以人为有效控制的艰巨任务。当然，这个问题最终得到了有效的解决。1934年，意大利物理学家又发现：降低了速度的“慢中子”，更容易引起被辐射物质的核反应。1942年12月，意大利物理学家费米等人在美国建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放，使人类正真登上了能源的“新大陆”。1952年，美国建成第一座余热型核电站。1954年，前苏联建成第一座真正意义上的核电站。随后，各国纷纷建立核电站。1987年，中国第一座核电站——秦山核电站建成。核电站类型：压水堆，沸水堆，重水堆，石墨水冷堆，石墨气冷堆，高温气冷堆，快中子增值堆。核电站工作原理：是利用原子核内部蕴藏的能量（核裂变或核聚变所释放的能量）产生电能的新型发电站。核电站主要“构件”：核岛主要是核蒸汽供应系统（核反应堆，主泵，稳压器，蒸汽发生器，安全壳，，危急冷冻系统：安全注射系统，安全壳喷淋系统），常规岛（汽轮发电机），电厂配套设备。现在的核电站主要建在沿河，沿海地区。四核能的前景与利弊4.1核能的前景4.1.1核聚变与惯性约束聚变我们知道太阳之所以会不间断的释放巨大的能量，是因为自身太阳能够实现不间断地热核反应。热核反应所产生的能量是巨大的，所以这“引诱”了科学家们。科学家们在研究可控制核裂变的同时又另辟了一条蹊径——研究可控制的热核反应。1932年，澳洲物理学家马克·欧力峰发现核聚变程序。1932年，英国物理学家考克饶夫首次实现了人为的原子核“衰变”。1934年，意大利物理学家费米在利用中子轰击铀核时观测到了一种新兴元素（钚）。1938年，美国物理学家汉斯·贝特成功解释了为什么恒星能够在长时间里向外释放如此多的能量的原因—热核反应。1954年，苏联物理学家阿奇莫维奇等人发明了第一台托卡马克装置。（托卡马克即环流器：是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。）1957年，美国物理学家威廉·福勒与其他三名物理学家发表了《恒星内部的元素合成》的著名论文，这篇论文描写了恒星内部通过核合成的反应而形成元素的过程。1956年，德国物理学家温特堡提出了一个在汇聚冲击波的在金属外壳中心的重氢与超重氢混合的燃料来实现完全的核聚变的设想。之后，物理学家劳森进行了较为深入的研究。1957年，“美国氢弹之父”泰勒提出惯性约束聚变的观点。二十世纪五十年代末，纳克尔斯等人利用计算机进行了一系列关于惯性约束聚变的模拟。，二十世纪六十年代初他们用计算机完整地模拟了一毫克重氢与超重氢燃料产生的内爆。1960年，激光发明成功。1962年，科学家们开始小规模的激光研究以期为约束聚变开辟道路。1964年，中国物理学家王淦昌与苏联巴索夫几乎是同时独立地提出了用激光打靶产生核聚变的设想。二十世纪七十年代初，美国物理学家基普·西格尔开始建造称为KMS激光约束聚变系统。1972年，纳克尔斯发表了一篇介绍惯性约束聚变以及可以在千焦级别上产生聚变的平台。1974年5月1日，KMS激光约束系统成功的实现了核聚变。此后，各国纷纷开始研究激光型核聚变。4.1.2核能的前景核能的前景是不可限量的。主要有以下几个方面：人造小太阳：实现可控制的核聚变，用于发电。核聚变——核裂变型发电站：可以实现在出现和事故时，核反应可以在短时间内停止。已达到不会出现热能堆积的二次事故再发生的目的。（正常核裂变型核反应堆即使在停止向堆芯供料的前提下，核反应堆依然会有正常情况下7%的产热功率）。核火箭与核电池：据现有的估算核火箭的最快速度会达到光速的7%，核电池用于卫星上可以达到延缓卫星退役的时间。而手提式，家庭式核发电装置将解决人类的能源问题。（前不久美国英国印度等国出现了天才级核物理少年，这是曙光）4.2核能的利与弊自从日本福岛“3.11”事件发生之后，大家都处于一种“谈核色变”的尴尬处境当中。反对进一步开发利用核能的呼声一阵高过一阵，但是我们也有一个不容忽视的问题——环境污染急需解决。要想有效的遏制环境污染不再进一步加剧，开发利用核能是现有的最具可行性的方法。因为开发利用核能有三大优点:一产生同样当量的能量值，核能所需的原料最少，所需的运输费用最低（相对于其他发电方式）；二产生同样当量的能量值，核能所产生的“三废”量最少，而其产生的放射性物质也是极少的，少到不足于对人类产生危害，即对环境生态的负面影响最小（相对于其他发电方式）；三开发利用核能有利于人类进一步了解微观领域，也可以尽早的实现人类“走出”太阳系，为人类进一步认识宇宙打下“能源动力”基础。但是我们不能忘记核能还有一个非常可怕的名字“魔瓶”。一旦这个“魔瓶”被打开那么它所造成的后果不亚于死神的降临。这并不是耸人听闻的，因为我们可以从日本福岛“3.11”事件发生后所造成的后果就可见一斑。但这还不是人类历史上最早最大的一起核泄漏事件，现在我们就来看看在此之前的核泄漏事件。三哩岛事件。三哩岛核泄漏事故，通常简称“三哩岛事件”，是1979年3月28日发生在美国宾夕法尼亚州萨斯奎哈河三哩岛核电站的一次严重放射性物质泄漏事故。

三哩岛核泄漏事故是核能史上第一起反应堆堆芯融化事故，也是核能史上第一起较大的核泄漏事件。三哩岛核泄漏事故虽然严重，但未造成严重后果。帕洛玛雷核事故。1966

年1月15日上午10时22分，美国在西班牙再一次发生“折箭”险情。“折箭”的意思是指发生了“核事故”。在核武器出现后的几十年里，在此之前，美国发生了11次“折箭”事故。但在国外，这还是第一次。（美国空军1968年1月21日执行一次飞行任务时，于格陵兰图勒空军基地附近的海冰上丢失一枚核弹。即图勒核泄漏事故）。切尔诺贝利核电厂泄露事故。

1986年4月26日凌晨1时23分，切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸。8吨多强辐射物质混合着炙热的石墨残片和核燃料碎片喷涌而出。据估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸产生的放射污染的100倍。有机构指出截至2005年，“直接”因核辐射死亡的人数将近50人。报告还

预计，大约还有9000人“可能”死于与放射有关的疾病，乌克兰共有250万人因切尔诺贝利核事故而身患各种疾病，全球共有20亿人口受切尔诺贝利事故影响，27万人因此患上癌症，其中致死9.3万人。

并出现黑色现场“死亡之城”30公里宽这样的无人区

，

这是人类有史以来最大的核泄漏事故

。巴西戈亚尼亚铯-137事件。在巴西的大城市戈亚尼亚，发生过一起的放射性事故。事故共造成14人受到过度照射，4人4周内死亡。约112000人接受监测，249人发现受到污染。数百间房屋受到监测，85间发现被污染，整个去污活动产生5000m3放射性废物，产生了极大地社会影响。此外还有

英国温德斯格尔火灾，俄罗斯联邦托木斯克事故，俄罗斯核潜艇事故，日本东海村核事故，美国内华达州丝兰山脉核试验等较大的事故。除此之外还有人为的核事故。1945年8月，美国用原子弹轰炸日本的广岛与长奇，截止2010年，共造成约30万人死亡。伊拉克战争期间，美国所用的贫铀弹导致该地区“辐射型”疾病急剧上升，给当地民众带来了极大的伤害。更为可拍的是核战争也许会发生，希望人类能够逃出核战争的预言。五结语与漫谈人类发展的最主要的困难之一便是能源不足问题，现在随着人类不断对微观的深入了解，人类也逐渐从根本上解决了能源不足的问题。但是，我们应该知道为了解决这一问题，曾经有无数先辈为此付出了青春甚至是生命。我们不能忘记那些为此付出青春与生命的科学家与科技工作者，也不能忘记那些已经因“驯核”而无辜受害的受害者与死难者。我们要发展但也要量力而行，不然势必出现欲速则不达的悲剧下场。所以我们的任务依然艰巨，其艰巨程度不亚于登天揽月。“前车之鉴，后车之师”是警醒，“革命尚未成功，同志任需努力”是勉励，只有人类不断进步，科学才能正真