大学课件《核工业概论》讲稿（1）基础

核工业概论,李全伟 国防科技学院,目录,课程安排：32学时-16周 第一讲 绪论（核工业基础知识） 第二讲 铀的生产与加工 第三讲 核反应堆 第四讲 核电站 第五讲 核燃料后处理 第六讲 核废物的处理 第七讲 核废物的处置 第八讲 辐射防护,第一讲 绪论（核工业基础知识）,内容提要 1.1原子能的发展历史 1、原子能在历史发展中的地位 2、原子能的发现和发展 3、核能的来源 1.2放射性的基本概念 1、放射性 2、放射性衰变和核辐射 3、天然放射性 4、辐射的风险 1.3原子能工业的范围和特点,原子和原子核模型,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,1、原子能在历史发展中的地位 能源是人类生存和发展的必要条件。20世纪40年代，人类掌握了核能，部分代替了化石燃料能源。 80年代，经济、政治因素和切尔诺贝利核电站事故，使核电发展在全世界范围放慢。 进入21世纪以来，由于资源缺乏和环境影响，我国核电发展呈现蓬勃之势。,能源与人类文明,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,无论从现实还是长远看，能源短缺越来越成为我国经济发展的最大瓶颈，油价不断攀升令中国国家能源安全问题日益凸显。 维护国家能源安全，基本的思路应是能源资源依靠本国。而核电，是惟一可突破能源安全瓶颈的能源。发展核能，势所必然。,2006年全国核电比例,部分国家核能发电比例,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,核电之所以能成为重要的能源支柱之一，是由它的安全性、运行稳定、寿期长和对环境的影响小等优点所决定的。 大部分核电发达国家的核能发电比常规能源发电更为经济。核电在我国也具有较强的潜在经济竞争力，目前它的经济性已可以与引进的脱硫煤电厂相比较。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,环境方面，我国煤电燃料链温室气体的排放系数约为1302.3等效CO2克千瓦时，水电燃料链为107.6等效CO2克千瓦时。 核电站自身不排放温室气体，考虑到它在建造和运行中所用的材料，其燃料链温室气体的排放系数约为13.7等效CO2克千瓦时。可见，核电站向环境释放的温室气体，只是同等规模煤电厂的1。,煤电厂向环境释放大量温室气体,全球气候变化的可怕后果,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,向环境释放放射性物质方面，科学调查证实，从对公众和工作人员产生的辐射照射看，煤电燃料链分别是核电燃料链的50倍和10倍。 当然还有铀资源的可持续利用、核电站运行安全、核废物处理处置、核材料扩散等问题都能得到很好的解决。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,我国在1971年建成第一艘核潜艇以后，立即转入了对核电站的研究和设计。我国迄今已建成的核电站有：浙江秦山一、二、三期、广东大亚湾、广东岭澳、江苏田湾。 在建的核电站有：浙江三门、广东阳江、辽宁红沿河、山东海阳、福建宁德；选址拟建的有：湖北通山、湖南桃花江、湖南岳阳、安徽芜湖、山东乳山、江西彭泽、重庆涪陵、四川蓬安等。,中国第一座核电站秦山核电站,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,2、原子能的发现和发展 核能是从哪里来的呢？核能问世的准备时期，可以追溯到19世纪末至20世纪初。 19世纪末，英国物理学家汤姆逊发现了电子。1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线。1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。,法国物理学家贝克勒尔,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,1898年，法国物理学家居里夫人发现新的放射性元素钋。1902年，她经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。 1914年，英国物理学家卢瑟福发现质子。 1932年，英国物理学家查德威克发现中子。 1938年，德国物理学家哈恩和斯特拉斯曼发现铀核裂变现象。,二十世纪物理学家的一次合影,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,1942年12月2日，在美国芝加哥大学体育场西看台底下的一个壁球厅内，美籍意大利物理学家费米领导一批科学家，聚精会神地操纵着一座由40吨天然铀短棒和385吨石墨砖构成的庞然大物。下午3点25分，启动运行成功。,著名物理学家费米,世界上第一个受控核反应堆,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,虽然从这座反应堆发出的功率只有0.5瓦（后来达到200瓦），还不足点亮一盏灯，但其意义非同小可。 在这以前人类利用的能源，只涉及到物理变化和化学变化，当核能进入人们的生产和生活后，一种通过原子核变化而产生的新能源从此诞生，它标志着人类从此进入了核能时代。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,3、核能的来源 在居里夫人发现镭以后不久，物理学家卢瑟福就指出，放射性元素在释放看不见的射线后，会变成别的元素，在这个过程中，原子的质量会有所减轻。那么，这些失踪了的质量到哪里去了呢？,英国物理学家卢瑟福,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,著名科学家爱因斯坦在1905年提出相对论时指出，物质的质量和能量是同一事物的两种不同形式，质量可以消失，但同时会产生能量。两者之间的定量关系是 Emc2 转化成的能量E等于损失的质量m乘以光速c的平方。,著名科学家爱因斯坦,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,极小量的质量可以转化为极大的能量。当较重的原子核分裂成较轻的原子核时（或较轻的原子核聚合成较重的原子核时）会发生质量亏损，损失的质量转换成巨大的能量，这就是核能的本质。 迄今达到工业应用规模的核能只有核裂变能。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,原子核的质量总是小于组成其核内质子与中子质量的总和,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.1原子能的发展历史,当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子而分裂成两个较轻的原子核，同时发生质能转换，放出很大的能量，并产生2个或3个中子，这就是举世闻名的核裂变反应。 链式裂变反应释放出巨大的核能，1千克铀-235裂变释放出的能量，相当于2500吨标准煤燃烧产生的能量。,核裂变反应示意图,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,1、放射性 元素可以分为两大类，一类是稳定的，另一类是不稳定的。不稳定元素可以自发地蜕变为另外的元素，这个过程叫做放射性衰变。 这种不稳定元素放出射线的特性叫放射性。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,1899年，英国物理学家卢瑟福将镭源放入铅制的容器中，容器开有一小孔，让镭的射线射出。然后在射线的垂直方向施以磁场力，奇迹出现了，射线在磁场力作用下，分解为三束。,、射线,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,1903年证实，偏转角度不大的射线或者说粒子就是氦原子核（带正电荷）；偏转角度大的那束命名，是电子束（带负电荷）；中间不偏转的命名，是电磁波，不带电荷。 科学家把它们分别命名为、射线。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,射线：是带正电荷的高速粒子流。粒子就是剥掉两个轨道电子的氦原子核(2He4) 。如果把粒子收集起来，它们就会再俘获电子而变成正常的氦气。 从放射性元素中放射出的粒子最大能量是9MeV左右，速度可达20000km/s。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,射线的贯穿本领很小，一张普通的写字纸，就可以把射线全部吸收.空气吸收射线也很厉害，一层厚7cm的空气层就可以把镭的射线全部吸收。但射线的电离本领很强(照相本领也很强)。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,射线：是带负电荷的高速粒子流，这种粒子就是电子。粒子的能量一般也是几百万电子伏特，最大的是16MeV。 射线有较强的贯穿本领和较小的电离作用。这些电子的速度接近于光速，约每秒钟20多万公里。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,射线：是一种光子流。光子不带电荷，是以光速运动的粒子。一切可见光、紫外线、 射线，射线都是一个个光子组成的光子流，它们的区别在于光子的能量不同。 射线的能量由几千到数百万电子伏特，而可见光的能量只有几个电子伏特，因此射线的贯穿本领很大。,三种射线的穿透能力,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,2、放射性衰变和核辐射 大量实验证明：放射性元素的衰变完全不受外界条件的影响：如温度，压力（真空）、电磁场等物理变化，或参加各种生物、化学反应，其结果都不能改变放射性元素固有的衰变规律。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,放射性衰变指数规律：任何放射性元素的原子都不会一下子全部衰变掉，假如现在一种放射性原子有N0个，经过t时间后，尚未衰变的放射性原子的个数就剩下了N个。经过实验测定发现，N和N0之间有如下的关系：,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,公式反映了放射性元素随时间t的衰变指数规律。其中“e”是常数，等于2.718，即自然对数的底；“T” 也是一个常数，即放射性元素的半衰期。为衰变常数，它是反映衰变快慢的一个量：衰变常数大(即半衰期短)衰变就快，反之则慢。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,衰变公式也可写成： 显然 的物理意义：即放射性元素的一个原子核在一秒钟内将要发生衰变的几率。如果在某个时间t时，这个元素共有N个原子(即N个原子核)，那么N个原子在一秒钟内就有N要发生衰变，N也就表示了放射性的强度(核衰变数秒)。,放射性衰变指数规律,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,粒子、粒子、质子等带电荷，可以直接引起物质电离；X射线、射线和中子等不带电荷，但在与物质作用时产生“次级粒子”从而使物质电离。所有这些现象，统称电离辐射或核辐射，简称辐射。 另外，红外线、紫外线、微波、激光等也称辐射，但不是“电离辐射”。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,3、天然放射性 人类环境中放射性的来源分天然辐射源和人工辐射源。天然辐射主要来自宇宙辐射，地球和人体内的放射性物质。 而对公众造成自然条件下原本不存在的辐射源称为人工辐射，主要有核试验、核能生产、放射性同位素生产和应用、核材料贮存及运输、放射性废物处理与处置等。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,宇宙辐射：宇宙射线是一种从宇宙太空中辐射到地球上的射线。在地球大气层以外的宇宙射线称为初级宇宙射线。进入大气层后和空气中的原子核发生碰撞，即产生次级宇宙射线。其中部分射线的穿透本领很大，能透入深水和地下，另一部分穿透本领较小。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,初级宇宙射线通过各种不同的核反应，在大气层、生物圈和岩石层中产生一系列放射性核素。宇宙射线与大气层的作用，其通量密度在海拔12km处为最大，低于此高度则呈指数规律减少，到达海平面处最低。 就对人类照射的剂量贡献而言，主要的宇生放射性核素是3H、7Be、14C和22Na，最重要的照射途径是14C的食入。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,陆地辐射：除宇生放射性核素之外，地壳中还存在着自地球形成以来就有的天然放射性核素，显然，这类原生放射性核素都是长寿命的，其半衰期可与地球年龄相比较。 就对人的外照射剂量贡献而言，主要的原生放射性核素为40K(1.3×109a)、232Th (1.4×1010a)和238U(4.5×109a) 。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,陆地辐射原生放射性核素主要分布： 空气中：氡（222Rn、220Rn和219Rn）、232Th及238U。 地表水：40K、铀、钍和镭。 矿物开采和应用：煤、磷酸盐矿物、石油、泥炭、天然气中的232Th及238U 。,第一讲 绪论（核工业基础知识） 1.2放射性的基本概念,人体内的辐射：由于大气、