能源材料2-核能利用和核材料

上页下页目录返回凡事豫则立，不豫则废孔子《礼记•中庸》学习与思考核能利用和核材料第二章—核化学概论上页下页目录返回核化学历史核能利用历史上页下页目录返回历史回顾重要人物H.Becquerel（贝克勒尔）,法国物理学家（1852-1908），1903年获得诺贝尔奖。发现了铀(U)放射现象，这是人类历史上第一次在实验室里观察到原子核现象。上页下页目录返回历史回顾重要人物M.Curie，法国物理学家（1867-1934），波兰人，1903年获得诺贝尔奖。发现钋(Po)和镭(Ra);她的女儿(I.Joliot-Curie,1897-1956)和女婿(F.Joliot-Curie,1900-1958)因发现人工放射性获1934年诺贝尔奖。上页下页目录返回历史回顾重要人物E.Rutherford(卢瑟福)，英国物理学家(1871-1937)，新西兰人，1908年获得诺贝尔奖。证实了a射线为He2+，b射线为电子；提出了原子的核式模型；首次实现人工核反应；培养了10诺贝尔奖获得者。上页下页目录返回历史回顾重要人物J.Chadwick(查德威克)，英国物理学家(1891-1974)，1935年因发现了中子获得诺贝尔奖。中子的发现被认为是原子核物理的诞生。上页下页目录返回历史回顾重要人物E.Fermi(费米），意大利物理学家(1901-1954)，1938年获得诺贝尔奖。发明了热中子链式反应堆。上页下页目录返回历史回顾重要人物R.L.Mossbauer（穆斯堡尔）,德国物理学家(1929-1976)。1961年因为对γ辐射的共振吸收的研究和发现的Mossbauer效应获诺贝尔物理学奖。上页下页目录返回历史回顾重要人物李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。上页下页目录返回历史回顾重要人物丁肇中，(1936—)与B.Richter,(1931—)分别发现J／ψ粒子，找到了美夸克存在的证据，1976年获诺贝尔奖。上页下页目录返回历史回顾重要事件1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象;1897：P.&M.Curie发现钋(Po)和镭(Ra);1899：卢瑟福发现a,b射线；1900：维拉德发现g射线;1903：卢瑟福证实a射线为He2+，b射线为电子；1911：卢瑟福提出原子的核式模型；1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。上页下页目录返回历史回顾重要事件1932：J.Chadwick发现了中子;1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性；1939：O.Hahn等人发现重核裂变；1939：N.Bohr等提出液滴模型;1942：E.Fermi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；1952：氢弹试爆成功。上页下页目录返回历史回顾我国核化学重要事件1958：我国建成第一座重水型原子反应堆;1964：我国第一颗原子弹试爆成功；1967：我国第一颗氢弹试爆成功；1969：我国首次成功地下核实验；1984：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；1991：秦山核电站发电成功;上页下页目录返回历史回顾原子弹“小玩意儿”钚装药重6.1千克，TNT当量2.2万吨，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30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。在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。“原子弹之父”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：“漫天奇光异彩，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。”上页下页目录返回历史回顾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、烟尘直冲云天，高达12英里多。美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市总人口的37%。上页下页目录返回历史回顾原子弹中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图上页下页目录返回1964年10月16日15时,中国在本国西部地区爆炸了一颗原子弹.....蘑菇云上页下页目录返回教学要求3．了解核辐照效应对材料性能的影响；2．了解核衰变和核能利用的基本概念；1．了解核素、放射性衰变等基本概念；掌握核化学反应基本原理。5．了解核安全和核废料处理4．掌握核反应堆原理及材料材料的特性；上页下页目录返回2.1核衰变和放射化学2.2核能和核能利用2.3核反应堆及相关核材料2.4核安全和核废料处理上页下页目录返回2.1.1放射性衰变和放射系放射性衰变(radioactivedecay)是一种过程,在这种过程中,原来的核素(母体)或者变为另一种核素(子体),或者进入另一种能量状态。上页下页目录返回辐射会使细胞的生长-调节机制受到伤害，以白血细胞过度生长为特征的白血病可能是由辐射造成的。辐射造成的生物效应辐射造成的生物效应上页下页目录返回β衰变α衰变γ衰变核电荷数减少2意味着子核在元素周期表中的位置左移2格,叫作α衰变的位移定则。β衰变的位移定则是，子核在元素周期表中的位置右移1格。放射性衰变+γ（高能电子波）*6027CoCo6027+Ra22688Rn22286He)α(4242+（电子）Bi21083e0-1Po21084上页下页目录返回在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变关系。母体放射性核素经多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素。放射系(radioactiveseries)上页下页目录返回2.1.2核化学方程式、半衰期和放射性活度1.核化学方程式书写核化学方程式的规则：(a)方程式两端的质量数之和相等；(b)方程式两端的原子序数之和相等。2.半衰期1个半衰期2个半衰期3个半衰期4个半衰期放射性核素的衰变速率用半衰期(half-life)表示,符号为t1／2。例如,锶-90的衰变反应的半衰期为29a。Sr9038Y9039e0-1上页下页目录返回放射性核素的半衰期短至10-6s,长至1015a。衰变反应半衰期的一个重要特征是,它不受外界条件(温度、压力等)的影响，也不受化合状态的影响。化学方法可以使有毒化学制剂分解为无毒物种，但对放射性造成的毒性却无可奈何!切尔诺贝利4号反应堆爆炸灾难后的几年内，乌克兰0～14岁儿童中甲状腺癌的发病人数。上页下页目录返回放射性活度及其单位放射性活度(activity)是通过实验观察得到的放射性物质的衰变速率。SI单位:为Bq(贝可)，1Bq相当于每秒发生1次衰变。旧单位：Ci(居里)，1Ci相当于每秒发生3.7×1010次衰变(1g镭-226的衰变速率)。1Ci=3.7×1010Bq比活度：指样品中某核素的放射性活度与样品总质量之比，单位为Bq·g-1或mCi·g-1等。上页下页目录返回检测放射性的方法盖革计数器(Geigercounter)是根据受辐射气体发生电离而产生的离子和电子能传导电流的原理设计的。每个被放大了的电脉冲即代表一次放射性记数上页下页目录返回2.1.3放射性碳-14纪年方法：放射性碳-14测定年代法(radiocarbon-14dating)依据：衰变反应半衰期与反应物的起始浓度无关利比：获得1960年诺贝尔化学奖假定：大气中碳-14与碳-12的比值是恒定的碳-14以5730a的半衰期发生β衰变+C146N147e01-上页下页目录返回Question1埃及一法老古墓发掘出来的木质遗物样品中,放射性碳-14的比活度为432Bq·g-1[即s-1·(gC)-1],而地球上活体植物组织相应的比活度则为756Bq·g-1，试计算该古墓建造的年代。Solution衰变反应是:根据一级反应的速率方程和半衰期公式:lnct()=-kt＋lnc0()，t1/2=0.693/k得：k=0.693/t1/2=0.693/5730a=1.21×10-4a-1t=ln[756Bq·g-1/432Bq·g-1]/(1.21×10-4a-1)=4630a即该古墓大约是公元前2625年建造的。C146N147e0-1C146C146上页下页目录返回2.2核能和核能利用Nuclearenergyanduseofnuclearenergy2.2.1核素的平均结合能Averagebindingenergyofnuclide2.2.2核裂变Nuclearfission2.2.3核聚变Nuclearfusion上页下页目录返回2.2.1核素的平均结合能核子之间靠核力(nuclearforce)结合成原子核，核力是核子之间的短程强吸引力，作用范围为2fm(10-15m)。=0.0023893u减少的质量质量亏损(massdefect)用△m表示△E=mc2减少的能量即核的结合能(nuclearbindingenergy),符号用EB例如,2H核的结合能为:EB(2H)=△mc2=931.5MeV·u-1×0.0023893u≈2.2256MeV上页下页目录返回平均结合能(averagebindingenergy)指核子结合为原子核时每个核子平均释放的能量(结合能除以质量数）。例如2H核的值为1.1128MeV。由于重核裂变为较轻核和轻核聚变为较重核的过程都是放能反应,这种趋势就奠定了核能利用的基础。上页下页目录返回Question2SolutionΔm=59.9529+1.00783―58.9332―2.01410=0.01343(g·mol-1)ΔE=Δmc2=1.343×10-5kg·mol-1×(3.00×108m·s-1)2=1.21×109kJ·mol-1计算反应++的吸收发射能。原子量：=58.9332，=2.01410，=59.9529，=1.00783。Co6027H21H11Co5927H21H11Co6027Co5927上页下页目录返回2.2.2核裂变核裂变(nuclearfission)是大核分裂为小核的过程.普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。1.铀-235的裂变与核武器发生链反应爆炸35种元素的200多种位素同＋＋＋2＋＋＋3U23592n10Te13752Zr9740n10Kr9136U23592n10Ba14256n10上页下页目录返回足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(criticalmass)。铀-235的临界质量约为1kg，质量超过1kg则发生爆炸。任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。上页下页目录返回2.2.3核聚变核聚变(nuclearfusion)由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。热核武器以聚变反应为基础的核武器氢弹就是利用装在其内部的一个小型铀原子弹爆炸产生的高温引爆的。＋＋40000000℃H31H21He42n10上页下页目录返回2.3.1人工核反应Artificialnuclearreaction2.3.2超铀元素的合成Synthesesoftransuraniumelements2.3人工核反应和超铀元素的合成Artificialnuclearreactionandsynthesesoftransuraniumelements上页下页目录返回2.3.1人工核反应人工核反应是指原子核受中子、质子、α粒子、重粒子(例如原子核)等轰击而形成新核的核嬗变过程(nucleartransmutation)。C126通式为:式中X为靶核，a为入射粒子，Y为产物核，b为出射粒子，通常简写为A1X(a,b)A3Y。XA1Z1aA2Z2YA3Z3bA4Z41919年卢瑟夫实现了第一个核嬗变反应:a42147NP+O11178上页下页目录返回人工核反应的实现,使科学家在实验室合成已知元素的新核素和新