第八章 核能及其风险利弊

1第五章核能的风险利弊2I为人类谋福的核——核能的利用我国的秦山核电站3一、能源简介1.分类按来源太阳能地球本身蕴藏的能量地球和其他天体相互作用而产生的能量按基本形态一次能源二次能源按性质燃料性能源非燃料性能源4能源分类（按基本形态）5不同形式能的品位熵值越小的能品位越高，反之则越低。不同形式能的品位6二、化石燃料的应用与污染1.煤：存储量大且转化为热、电能等的技术相对简单。大约平均每吨煤燃烧排放出二氧化硫30千克，颗粒尘30千克。北京的冬日，由于燃煤取暖，造成大气污染78密度小、容易开采、便于运输、发热量比煤炭高1倍。石油燃烧的产物主要是CO、CO2、氮氧化合物、二氧化以及各种碳氢化合物。2.石油：93.天然气：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。天然气的大量开采会引起地表沉降。10资源缺乏11三、21世纪—核能时代核能的优点：（1）可产生惊人能量；（2）核燃料储量丰富；（3）核能发电较经济；（4）核能是清洁的能源；（5）核能能量密集，运输量小。12核能的广泛应用考古地质国防原子弹爆炸13医学交通运输X光照射下的人手指14II核是如何工作的—核能的产生与应用原理15一、核反应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。核反应可以为核衰变，核裂变和核聚变三类。16（一）核衰变1.定义：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。2.类型：α衰变β衰变γ衰变正电子衰变电子俘获17(1)α衰变α射线是氦-核（又称α粒子），用或表示。42αHe2422286Rn2184842PoHe→+每次α衰变后使质量数减少4，质子数减少2。18(2)β衰变：β粒子是电子，用或表示，β射线是高速粒子流。0-1e0-1β10n→11P0-1e+每次β衰变后质量数都不变，而质子数增加1。19(3)γ衰变：γ射线是波长很短的电磁辐射（高能量的光子），用表示。γ衰变表示损失能量，既不改变质量数，也不改变质子数。00γ20(4)正电子衰变：正电子用表示。01e11P→10n01e+(5)电子俘获：核从内层俘获一个电子，使质子转变为中子。11P0-1e+→10n213.半衰期符号：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。公式：T12N0：放射性元素衰变之前的数目N：衰变到某一时刻t时剩下的该核的数目N=N0e-λt（λ为衰变常数）22t=3.32T12lgN0N式2T12=Ln2=0.693式1当N=N02时，t=T1/223例题[例1]通过分析测定某岩石，有1mg铀-238就有0.275mg铅-206，试计算此岩石的年龄。24解：假设现在岩石中铀-238总量为1mg，则此岩石中原有铀-238的总量为1mg加上衰变为铅-206的量：查表知半衰期=4.5×10代入式2计算：答：此岩石的年龄为1.7×109年。923892U=1mg+238206×0.257mg=1.297mg23892UT12Nt=3.32T12lgN0=3.32×4.5×109×lg0.2971.000=1.7×109（年）254.天然放射系钍系：母体是（T1/2为1.41×1010年）,系列中有13种核素26铀系：母体是（T1/2为4.51×109年）,系列中有19种核素；27锕系：母体（T1/2为7.1×108年）,系列中有17种核素。28（二）核裂变、原子弹与核电站1.定义：用中子打击重原子核而使原子核分裂的反应。较重碎核+较轻碎核+中子23592U10n+裂变产物一般仍具放射性。可裂变物质有U-235，U-233，Pu-239等。292.核裂变链式反应中子诱发U-235裂变形成链式反应链反应的过程“链收敛”幸存中子数平均不到1“链发散”幸存中子数平均大于1303.临界质量为什么金属铀在一般情况下不会发生链式裂变反应而自发爆炸?天然铀块质量小且可裂变的U-235只有0.711%,99%以上均为不能发生连续裂变的U-238.在有中子反射层时,U-235的临界质量为10kg.314.原子弹让裂变反应所释放的能量不断积聚，则可以在瞬间酿成巨大的爆炸，这就是制造原子弹的基本原理。原子弹的基本构造32核弹爆炸过程示意图0秒爆炸11秒振波37秒对流风110秒蘑菇云335.核电站基本工作原理：控制幸存中子数恰好为1,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应堆核心的水，产生蒸汽推动发电机工作。34反应堆的结构：控制棒中子反射层核反应堆冷却剂壳体轻水型重水型石墨型减速剂压缩的铀天然的铀核燃料35控制棒:控制链反应,用中子吸收截面大但本身又不发生裂变的B,Cd,Hf等制成;36中子反射层:阻止中子逃到堆外，一般用石墨或铍做成；37慢中子引发链式反应慢中子引发的链式反应过程38轻水堆核电站沸水反应堆核电站示意图压水反应堆核电站示意图39增殖反应堆在可裂变的U-235燃料外面放一层不裂变的物质U-238和Th-232，里面的U-235作为中子源，U-235产生的中子使U-238和Th-232发生链反应，分别转变为可裂变的PU-239和U-233,将U-238增殖成PU-239。40核电站的冷却设备裂变核电站的发电效率约为30～33%，大约67%的热能的废热形式出现。核电站的冷却塔41(三)核聚变、氢弹与聚变电站1.定义：由2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。2.太阳中的氢核聚变：聚变反应示意图423.核聚变的条件：需要高能量以克服两个带正电核之间的巨大排斥力。4.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。435.聚变电站:燃料为氘，氚受控核聚变反应点火的条件：1）高温2）等离子体的约束3）耐高温容器44核聚变的优点：(1)释放能量巨大(2)无放射性污染，无难于处理的废料(3)原料丰富。45二、放射量及其单位1.放射性活度：贝可勒尔（Bq）1Bq=1s居里（Ci）1Ci=3.7×10-110Bq2.照射量与照射量率：照射量：库仑每千克空气（C/kg）伦琴（R)1R=2.58×10C/kg照射量率：C/kg﹒sR/s-4463.吸收剂量与吸收剂量率：吸收剂量：焦尔每千克（J/kg）戈瑞（Gy）1Gy=1J/kg拉德（Rad）1Rad=10Gy吸收剂量率：Gy/sRad/s-2474.剂量当量与剂量当量率：剂量当量：希沃特（Sv）1Sv=1J/kg雷姆（Ram）Ram=0.01Sv剂量当量率（H）：Sv/hRam/h48三、核反应的能量1.爱因斯坦质-能公式：△E=△mc2〔例2〕试计算1克U-235按下式裂变时所产生的能量：nKrBanU109136142561023592349解：nKrBanU1091361425610235923摩尔质量（g/mol）235.04391.00867141.909290.9056△m=(141.9092+90.9056+3×1.00867)-(235.0439+1.00857)=-0.2118g/mol=-0.2118×10-3kg/mol50molKJmolJmolsmkgsmmolkgmcE/109035.1/109035.11009035.1)109979.2()/102118.0(101312213218321克U-235放出的能量:gKJE/101.80439.2351109035.171051化石燃料放出的能量:gKJKHgmolKJHgCOgOCrmr/44.5)15.298(:1/5.393),()()(22石墨1克煤完全燃烧:1克石油完全燃烧:gKJKHgmolKJKHlOHgCOgOlHCrmr/7.47)15.298(:1/1044.5)15.298()(9)(8)(225)(322288521克天然气完全燃烧:gKJKHgmolKJKHlOHgCOgOgCHrmr/6.55)15.198(:1/890)15.298()(2)()(2)(222453[例3]试计算1克H-2和H-3按下式发生聚变时放出的能量:nHHH10423121摩尔质量g/mol2.013553.015504.001501.0086754解:△m=(4.00150+1.00867)-(2.01355+3.01550)=-0.01888g/mol=-0.01888×10-3kg/mol△E=△mc2=(-0.01888×10-3kg/mol)×(2.998×108m﹒s-1)2=-1.697×1012kg﹒m2﹒s-2﹒mol-1=-1.697×109kj/mol1g:KJmolggmolKJE891037.3/)016.3014.2(1/10697.1552.核平均生成能核的平均生成能核平均生成能是指中子与质子形成核时所放出的能量。56最稳定的核是质量数接近60的核；质量数大于60的核能量较高，不稳定；小于60，则进入高能量区。裂变：能量较高的重核分裂成质量中等，能量也低的核，核中的每个核子都从较高的能量状态降到较低能量状态而释放能量；聚变：将较轻的核合成质量中等的核，从而释放更多的能量。57〔例3〕使用核的平均生成能图，粗略计算1克U-235按下式裂变释放出的能量。58解：从图可查知核的平均生成能为可按照求化学反应的生成热的方法计算ΔHm1g铀裂变的焓变为：答：1g铀-235裂变放出能量85GJ。59III核——一柄双刃剑——放射性对环境的危害海湾战争中装束奇异而又无奈的沙特平民60一、无形杀手——放射性污染1.放射性污染的特点(1)持续性(2)难以消除(3)滞后性612.射线(1)α射线:穿透力较小，在空气中易被吸收，外照射对人的伤害不大，但其电离能力强，进入人体后会因内照射造成较大的伤害(2)β射线:是带负电的粒子，穿透能力较强；(3)γ射线:是波长很短的电磁波，穿透能力极强对人的危害最大。623.放射性物质进入人体的途径放射性物质主要通过食物链经消化道进入人体；其次是放射性尘埃给呼吸道进入人体；通过皮肤吸收的可能性很小。放射性物质进入人体的途径634.放射性物质的机体效应◆急性效应:◆慢性效应:癌症、白血病、皮肤、肺、卵巢、造血器官出现恶性肿瘤、免疫能力降低、遗传障碍等。在妊娠期间受到辐射极易使胚胎死亡或形成畸胎。头痛、头晕、食欲不振，睡眠障碍等神经系统和消化系统的症状，继而出现白细胞和血小板减少甚至导致死亡。645.不同辐射量及其后果65二、放射性污染的来源1.天然辐射来源：天然辐射源是自然界中天然存在的放射性物质。天然辐射所产生的总辐射水平称为天然本底放射，它是判断环境是否受到放射性污染的基本准则。66①地球上存在于土壤、岩石、水和大气中的放射性物质；②宇宙间高能粒子构成的宇宙线，以及在这些粒子进入大气层后与大气中的氧、氮原子碰撞产生的次级宇宙线。672.人工辐射源(1)核工业①核燃料生产过程：包括铀矿的开采、冶炼、精制和加工过程。②核反应堆运行过程:一是反应堆材料中的某些元素在中子照射下生成的放射性活化物；二是由于封闭裂变产物的燃料元件盒由于包壳微小破坏而产生的裂变产物68③核燃料后处理过程：含有裂变产物的废气和含有放射性物质的废水以及不能再使用的放射性固体废物，其包括有半衰期长、毒性大的核素。④意外事故:1979年的美国三里岛核泄漏1986年的前苏联的切尔诺贝利核爆炸事故倒塌的切尔诺贝利69迄今最严重核事故一览1957年9月29日，前苏联乌拉尔山中的秘密核工厂“车里雅宾斯克65号”一个装有核废料的仓库发生大爆炸，迫使苏联当局紧急撤走当地11000名居民；1957年10月7日：英国东北岸的温德斯凯尔一个核反应堆发生火灾，这次事故产生的放射性物质污染了英国全境，至少有39人患癌症死亡；1967年夏天：前苏联“车里雅宾斯克6