中职物理课件：702第二节 核能 核技术

第二节核能核技术主讲人：张明明山东省滕州市中等职业教育中心学校核电站为什么要安装圆球形的穹顶呢？主要内容重核裂变轻核聚变1201PART01重核裂变19世纪30年代初，中子被发现以后，科学家就利用它去轰击各种元素，研究核反应。1934年意大利物理学家费米（右图）发现，用慢中子轰击靶物质，更容易引起核反应。这一发现很快被各国科学家采用，也为核能的利用创造了条件。一、重核裂变1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击元素周期表中的第92号元素铀时，铀核发生了分裂，变成了钡、镧等一些中等质量的原子核。一、重核裂变一、重核裂变后来科学家们把这种重原子核分裂成两个（或多个）中等质量原子核的过程，称为重核裂变，简称裂变。

科学家们发现，一些核反应后的生成物的总质量比反应前的反应物的总质量减少，这种现象称为质量亏损。经过计算发现，如果1kg铀全部裂变，释放的核能相当于2500t优质煤完全燃烧释放的化学能。爱因斯坦的质能方程指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系。重核裂变时出现质量亏损，必然要放出能量。我们把这种在核反应中放出的能量称为核能。一、重核裂变由于一般情况下，铀核裂变时总要释放出2~3个中子，这些中子又会引起其他铀核的裂变，这样裂变反应就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量，这就是链式反应，如右图所示。一、重核裂变如果铀块的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在不到百万分之一秒内释放出惊人的核能，形成剧烈的爆炸。这就是原子弹的原理。铀块的体积大小对于产生链式反应是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了。能够发生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。一、重核裂变1964年10月16日15时，我国第一颗原子弹在新疆罗布泊爆炸成功（右图）。我国是继美、苏、英、法之后，第五个拥有原子弹的国家。一、重核裂变反应堆一般用铀棒作为核燃料，用石墨、重水或轻水等作为中子的减速剂，用易于吸收中子的银、铟、镉合金制成控制棒，控制裂变反应的快慢，如右图所示。原子弹爆炸时链式反应的快慢是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆。一、重核裂变用于发电的反应堆中，压水反应堆是当前应用最广泛的堆型，其主要结构示意图如右图所示。一、重核裂变

为了防止铀核裂变过程中放出的各种射线对人体的危害，在反应堆的外面要修建安全壳，作为防止外来物体撞击以及事故后放射性物质外泄的安全性屏障，穹顶便是安全壳的一部分。安全壳既要内部容积巨大，可以容纳壳内各种设备的布置和运行，又要承受反应堆发生意外事故时产生的巨大压力，因此穹顶常被设计成蛋形样式。一、重核裂变与水电、风电、太阳能发电相比，核电也具有明显的优势。核电单机容量大，运行稳定，利用小时数高，可以作为电网基荷运行。核电站消耗的燃料很少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30t左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨左右的煤。与火电相比，核电是一种技术成熟的清洁能源，对环境的污染微乎其微。一、重核裂变我国的核能开发已进入规模化发展的新时期，截至2020年底，已拥有浙江秦山、广东大亚湾、广东岭澳、江苏田湾、辽宁红沿河等19座核电站。一、重核裂变48座在运反应堆，在运核电机组总装机容量约4800万千瓦，年发电量位列全球第三。在建核电机组21台，装机容量约为2000万千瓦，在建核电机组规模居世界第一。还有30座核电站正在筹建。预计到2030年，我国核电装机容量将达到1.5亿千瓦，成为全球最大的核能国家。我国已经成功研制出具有自主知识产权和独立出口权的全球最大的装机容量为1400MW的非能动压水堆机组——CAP1400，目前2台机组正在山东荣成安装建设中。一、重核裂变我国具有自主三代核电技术的“华龙一号”各有2台机组正分别在福建福清核电站、广西防城港核电站安装建设中，并且有2台机组已经走出国门，正在巴基斯坦卡拉奇核电站安装建设中（下图）。一、重核裂变02PART02轻核聚变

除了重核裂变，还有另外一种生产核能的方法。人们发现，当把某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出比裂变更多的能量，这样的反应称为轻核聚变，简称聚变。二、轻核聚变若想让轻核发生聚变，必须要使它们之间的距离小于10－10m。由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的电磁斥力。这就需要使原子核具有很大的动能。二、轻核聚变只有当物质达到1000万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，才可以克服相互间的电磁斥力，发生碰撞，产生聚变反应。因此，聚变反应又称热核反应。人们利用轻核聚变制造出了比原子弹威力更大的核武器——氢弹。氢弹利用原子弹爆炸产生的高温引起热核反应，其威力往往相当于数百个原子弹。1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功（右图）。我国是第四个拥有氢弹的国家，也是世界上研制时间最短的国家。二、轻核聚变新中国建立初期，邓稼先、王淦昌、郭永怀、钱三强、彭桓武、吴自良、程开甲、陈能宽、朱光亚、于敏、周光召等科学家，大多数都是放弃了海外优越条件，毅然决然地回来报效祖国。他们隐姓埋名，在戈壁沙漠中克服各种艰苦条件搞研究，无怨无悔地为祖国和人民奉献出自己的青春和热血，为原子弹、氢弹的研究做出了杰出贡献，被人们尊称为“两弹一星”元勋。二、轻核聚变

我们要学习这些前辈科学家无私奉献、报效祖国的高贵品质，发扬他们兢兢业业、不懈追求的科学精神，努力锻炼自己各方面的技能，立志做新时代高素质的劳动者，为中华民族的伟大复兴贡献自己的力量。

【行为与责任】二、轻核聚变热核反应在宇宙中是很普遍的。太阳内部和许多恒星内部的温度高达1000万摄氏度以上，热核反应在那里激烈地进行着。二、轻核聚变受控核聚变具有极其诱人的应用前景。与核裂变相比，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经计算，1L海水中提取出的氘进行聚变放出的能量相当于300L汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是取之不尽的，因此若受控核聚变研究成功，将使人类彻底摆脱能源危机的困扰。要利用核聚变产生的巨大能量为人类服务，则必须设法控制核聚变反应的速度，使能量缓慢地释放，这就是受控核聚变。二、轻核聚变目前人类还没有完全实现受控核聚变。这主要是因为进行受控核聚变需要的条件非常苛刻。若要聚变反应物能发生聚变反应，温度必须达到1亿摄氏度以上。可以想象，任何材料构成的容器都无法承受1亿摄氏度的高温，因此必须采用特殊的方法将高温反应物悬浮在一定范围的空间内，使之脱离器壁。目前，科学家们已经设计了许多巧妙的方法，如用强大的磁场来约束反应范围，用强大的激光进行加热等来克服这些困难。二、轻核聚变2017年7月3日，我国受控核聚变实验的国家级科学装置——全超导托卡马克东方超环（EAST，右图）实现了101.2s稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。二、轻核聚变

【技术·中国】

我国的受控核聚变实验2020年12月4日，我国自主设计的新一代“人造太阳”——“中国环流器二号M”装置（右图）在成都建成并实现首次放电。该装置是我国目前规模最大、参数最高的托卡马克装置，等离子体温度可达到1.5亿摄氏度。二、轻核聚变

【技术·中国】

我国的受控核聚变实验量子力学是描述微观世界亚原子粒子的运动状态和行为的理论，是在20世纪初由普朗克、玻尔、爱因斯坦等一大批物理学家共同创立的。量子相当于“能量粒子”的简称。量子力学与我们的现代生活息息相关，因为从激光器、电子显微镜、原子钟、核磁共振仪、量子计算机等装置的发明，到现代电子技术、通信技术、核能技术、新材料技术的研究等都离不开量子力学。二、轻核聚变

【应用与拓展】

量子物理及其应用简介2016年8月16日，我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”（右图为其等比例模型）发射升空。二、轻核聚变

【应用与拓展】

量子物理及其应用简介2020年12月，由我国潘建伟等科学家组成的研究团队成功构建了76个光子