第八章 核能及其风险利弊优秀课件.ppt
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1、1第1页,本讲稿共87页I I 为人类谋福的核为人类谋福的核核能的利用核能的利用我我国国的的秦秦山山核核电电站站第2页,本讲稿共87页 一、一、能源简介能源简介1.1.分类分类按来源按来源太阳能太阳能地球本身蕴地球本身蕴藏的能量藏的能量地球和其他地球和其他天体相互作天体相互作用而产生的用而产生的能量能量按基本按基本形态形态一次一次能源能源二次二次能源能源按性质按性质燃料性燃料性能源能源非燃料非燃料性能源性能源第3页,本讲稿共87页 能源分类(按基本形态)能源分类(按基本形态)第4页,本讲稿共87页不同形式能的品位熵值越小熵值越小的能品位的能品位越高,反越高,反之则越低。之则越低。不同形式能的品
2、位不同形式能的品位第5页,本讲稿共87页二、二、化石燃料的应用与污染化石燃料的应用与污染1.1.煤:煤:存储量大且转化为存储量大且转化为热、电能等的技热、电能等的技 术相对术相对简单。简单。大约平均每吨煤燃烧排大约平均每吨煤燃烧排放出放出二氧化硫二氧化硫 3030千克,颗粒尘千克,颗粒尘3030千千克。克。北京的冬日,由北京的冬日,由于燃煤取暖,造于燃煤取暖,造成大气污染成大气污染第6页,本讲稿共87页第7页,本讲稿共87页 密度小、容易开采、便于运密度小、容易开采、便于运输、输、发热量比煤炭高发热量比煤炭高1 1倍。倍。石油燃烧的产物主要是石油燃烧的产物主要是COCO、CO CO2 2、氮氧
3、化合物、二氧化、氮氧化合物、二氧化以及各种碳氢化合物。以及各种碳氢化合物。2.2.石油:石油:第8页,本讲稿共87页 3.3.天然气:天然气:天然气燃烧产生的灰分极少,与煤、石油相比,是一种天然气燃烧产生的灰分极少,与煤、石油相比,是一种较清洁的能源。较清洁的能源。天然气的大量开采会引起地表沉降。天然气的大量开采会引起地表沉降。第9页,本讲稿共87页 资源缺乏资源缺乏第10页,本讲稿共87页三、21世纪核能时代 核能的优点:核能的优点:(1 1)可产生惊人能量;)可产生惊人能量;(2 2)核燃料储量丰富;)核燃料储量丰富;(3 3)核能发电较经济;)核能发电较经济;(4 4)核能是清洁的能源;
4、)核能是清洁的能源;(5 5)核能能量密集,运输量小。)核能能量密集,运输量小。第11页,本讲稿共87页核能的广泛应用考古考古地质地质国防国防原子弹爆炸原子弹爆炸 第12页,本讲稿共87页 医学医学交通运输交通运输X X光照射下的光照射下的人手指人手指第13页,本讲稿共87页II II 核是如何工作的核是如何工作的核能的产生与应用原理核能的产生与应用原理 第14页,本讲稿共87页一、核反应核反应则是外来粒子与核中的质子和中核反应则是外来粒子与核中的质子和中子相互作用,使原子核受到激烈的扰动。子相互作用,使原子核受到激烈的扰动。核反应可以为核衰变,核裂变和核聚变核反应可以为核衰变,核裂变和核聚变
5、三类。三类。第15页,本讲稿共87页(一)(一)核衰变核衰变1.1.定义:定义:原子核自发地发生核结构的改变称为原子核自发地发生核结构的改变称为 核衰变或放射性衰变。核衰变或放射性衰变。2.2.类型:类型:衰变衰变 衰变衰变 衰变衰变正电子衰变正电子衰变电子俘获电子俘获第16页,本讲稿共87页(1)衰变射线是氦射线是氦-核(又称核(又称粒子),用粒子),用 或或 表示。表示。42He2422286Rn2184842PoHe+每次每次衰变后使质量数减少衰变后使质量数减少4 4,质子数减少,质子数减少2 2。第17页,本讲稿共87页(2)衰变:粒子是电子,用粒子是电子,用 或或 表示,表示,射射线
6、是高速粒子流。线是高速粒子流。0-1e0-110n11P0-1e+每次每次衰变后质量数都不变,而质子数衰变后质量数都不变,而质子数增加增加1 1。第18页,本讲稿共87页(3)衰变:射线是波长很短的电磁辐射(高能量的光子)射线是波长很短的电磁辐射(高能量的光子),用,用 表示。表示。衰变表示损失能量,既不改变质量数,也衰变表示损失能量,既不改变质量数,也不改变质子数。不改变质子数。00第19页,本讲稿共87页 (4)(4)正电子衰变:正电子衰变:正电子用正电子用 表示。表示。01e11P10n01e+(5)(5)电子俘获:电子俘获:核从内层俘获一个电子,使质子转变为中子。核从内层俘获一个电子,
7、使质子转变为中子。11P0-1e+10n第20页,本讲稿共87页3.3.半衰期半衰期符号:符号:定义:半衰期是一放射性元素衰变到原定义:半衰期是一放射性元素衰变到原 来一半数量所需时间。来一半数量所需时间。公式:公式:T12N N0 0:放射性元素衰变之前的数目放射性元素衰变之前的数目 N N:衰变到某一时刻衰变到某一时刻t t时剩下的该核的数目时剩下的该核的数目N=N0e-t (为衰变常数为衰变常数)第21页,本讲稿共87页t=3.32T12lgN0N式式2T12=Ln2=0.693 式1当当N=N02时,时,t=T1/2第22页,本讲稿共87页例题 例例1 1 通通过过分分析析测测定定某某
8、岩岩石石,有有1mg1mg铀铀-238238就就有有0.275mg0.275mg铅铅-206-206,试试计计算算此此岩岩石石的年龄的年龄。第23页,本讲稿共87页 解解:假假设设现现在在岩岩石石中中铀铀-238-238总总量量为为1mg1mg,则则此此岩岩石石中中原原有铀有铀-238-238的总量为的总量为1mg1mg加上衰变为铅加上衰变为铅-206-206的量:的量:查查表表知知 半半衰衰期期 =4.510=4.510 代入式代入式2 2计算:计算:答:此岩石的年龄为答:此岩石的年龄为1.7101.7109 9年。年。923892U=1mg+238206 0.257mg=1.297mg23
9、892UT12Nt=3.32T12lgN0=3.324.5109lg0.2971.000=1.7 109(年)(年)第24页,本讲稿共87页4.4.天然放射系天然放射系 钍钍系系:母母体体是是(T T1/21/2为为1.41101.41101010年年),系系列中有列中有1313种核素种核素第25页,本讲稿共87页 铀铀系系:母母体体是是(T T1/21/2为为4.51104.51109 9年年),系系列列中中有有1919种核素;种核素;第26页,本讲稿共87页 锕锕系系:母母体体(T T1/21/2为为7.1107.1108 8年年),系系列列中中有有1717种核素。种核素。第27页,本讲稿
10、共87页(二)(二)核裂变、原子弹与核电站核裂变、原子弹与核电站1.1.定义:定义:用中子打击重原子核而使原子核用中子打击重原子核而使原子核 分分裂的反应。裂的反应。较重碎核较重碎核+较轻碎核较轻碎核+中子中子2352359292U U1 10 0n n+裂变产物一般仍具放射性。可裂变物质有U-235,U-233,Pu-239等。第28页,本讲稿共87页2.2.核裂变链式反应核裂变链式反应中子诱发中子诱发U-235U-235裂变裂变形成链式反应形成链式反应链反应链反应的过程的过程“链收敛链收敛”幸存中子数平均不到幸存中子数平均不到1 1“链发散链发散”幸存中子数平均大于幸存中子数平均大于1 1
11、第29页,本讲稿共87页3.3.临界质量临界质量为什么金属铀在一般情况为什么金属铀在一般情况下不会发生链式裂变反应下不会发生链式裂变反应而自发爆炸而自发爆炸?天然铀块质量小且可裂变的天然铀块质量小且可裂变的U-235U-235只有只有0.711%,99%0.711%,99%以上均为不能发生连续裂变的以上均为不能发生连续裂变的U-238.U-238.在有中子反射层时在有中子反射层时,U-235U-235的临界质量为的临界质量为1010kg.kg.第30页,本讲稿共87页4.4.原子弹原子弹 让裂变反应所让裂变反应所释放的能量不释放的能量不断积聚,则可断积聚,则可以在瞬间酿成以在瞬间酿成巨大的爆炸
12、,巨大的爆炸,这就是制造原这就是制造原子弹的基本原子弹的基本原理理。原子弹的基本构造原子弹的基本构造第31页,本讲稿共87页核弹爆炸过程示意图 0秒秒爆炸爆炸11秒秒振波振波37秒秒对流风对流风110秒秒蘑菇云蘑菇云第32页,本讲稿共87页5.5.核电站核电站基本工作原理:基本工作原理:控制幸存中子数恰好为控制幸存中子数恰好为1,1,使核裂变链式反应使核裂变链式反应在一定程度上连续进行,反应产生的能量加热反在一定程度上连续进行,反应产生的能量加热反应堆核心的水,产生蒸汽推动发电机工作应堆核心的水,产生蒸汽推动发电机工作 。第33页,本讲稿共87页反应堆的结构:控制棒控制棒中子反射层中子反射层核
13、反应堆核反应堆冷却剂冷却剂壳体壳体轻水型轻水型 重水型重水型 石墨型石墨型 减速剂减速剂压缩的铀压缩的铀天然的铀天然的铀核燃料核燃料第34页,本讲稿共87页v控制棒控制棒:控制链反应控制链反应,用中子吸收截用中子吸收截面大但本身又不发生裂变的面大但本身又不发生裂变的B,Cd,HfB,Cd,Hf等等制成制成;第35页,本讲稿共87页v中子反射层中子反射层:阻止中子逃到堆外,阻止中子逃到堆外,一般用石墨或铍做成;一般用石墨或铍做成;第36页,本讲稿共87页慢中子引发链式反应慢中子引发链式反应慢中子引发慢中子引发的链式反应的链式反应过程过程第37页,本讲稿共87页轻水堆核电站 沸水反应堆核电站示意图
14、沸水反应堆核电站示意图 压水反应堆核电站示意图压水反应堆核电站示意图 第38页,本讲稿共87页增殖反应堆 在可裂变的在可裂变的U-235U-235燃料外面放一燃料外面放一层不裂变的物质层不裂变的物质U-238U-238和和Th-232Th-232,里面,里面的的U-235U-235作为中子源,作为中子源,U-235U-235产生的中子产生的中子使使U-238U-238和和Th-232Th-232发生链反应,分别转发生链反应,分别转变为可裂变的变为可裂变的PU-239PU-239和和U-233,U-233,将将U-238U-238增殖成增殖成PU-239PU-239。第39页,本讲稿共87页核电
15、站的冷却设备 裂变核电站裂变核电站的发电效率约的发电效率约为为303033%33%,大约大约67%67%的热的热能的废热形式能的废热形式出现。出现。核电站的冷却塔核电站的冷却塔第40页,本讲稿共87页(三三)核聚变、氢弹与核聚变、氢弹与聚变电站聚变电站1.1.定义:定义:由由2 2个或多个轻原子核聚合成个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程为核聚变。一个较重的原子核的过程为核聚变。2.2.太阳中的氢核聚变:太阳中的氢核聚变:聚变反应示意图聚变反应示意图第41页,本讲稿共87页 3.3.核聚变的条件:核聚变的条件:需要高能量以克服两个带正电核之间需要高能量以克服两个带正电核之间 的巨大排斥
16、力。的巨大排斥力。4.4.氢弹的制造原理氢弹的制造原理:利用一个小的原子弹作为引爆装置,产生瞬利用一个小的原子弹作为引爆装置,产生瞬间的高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。不间的高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。不控制的聚变反应是氢弹的基础。控制的聚变反应是氢弹的基础。第42页,本讲稿共87页 5.5.聚变电站聚变电站:燃料为氘,氚燃料为氘,氚受控核聚变反应点火的条件:受控核聚变反应点火的条件:1 1)高温)高温2 2)等离子体的约束)等离子体的约束3 3)耐高温容器)耐高温容器第43页,本讲稿共87页核聚变的优点:核聚变的优点:(1)(1)释放能量巨大释放能量巨大 (2)(2)无放射性污染,无
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