资源简介

(共29张PPT)
主题七
核能及其应用
物理
核能是蕴藏在原子内部的能量。核能的发现是人们探索微观物质结构的一个重大成果。现在我们通过多种方式利用核能，如利用核能发电等。核能的利用可以缓解常规能源短缺的压力。
通过本主题的学习，我们将对原子结构和核能有更多的了解。
第二节
　核能　核技术
图 7-10 所示为目前我国核电机组数量最多、堆型品种最丰富、装机容量最大的核电基地——秦山核电站。它是我国自行设计、建造和运营管理的第一座 30×104 kW压水反应堆核电站，该站共有 9 台运行机组，总装机容量为 654.6×104 kW，年发电量约 500×108 kW·h。你知道压水反应堆的工作原理吗？
一、核能
20 世纪初，爱因斯坦从相对论思想出发推导出了物质的能量 E 与其质量 m、光速 c 之间的关系式为
E=mc2
这就是著名的质能方程。该式说明，物体的质量和能量相对应。如果通过某种转化使物质的质量减少，也就是说产生了质量亏损，根据质能方程可知，必然有能量放出。通过转化物质的质量从原子核释放的能量就称为核能。
二、重核裂变
1939 年 12 月，德国化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。后来，科学家们把这种重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程称为重核裂变，如图 7-11 所示。
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，因此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，如图 7-12 所示。
铀块的体积大小是链式反应发生的一个重要因素。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它的临界体积。如果铀的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，便会立即引起铀核的链式反应，在极短的时间内释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。图 7-13 所示为原子弹爆炸。
三、轻核聚变
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，这样的反应称为核聚变。如图 7-14 所示，一个氘核和一个氚核结合聚变成一个氦核（同时释放出一个中子）时，平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大 3 ～ 4 倍。
轻核发生聚变的前提条件是它们之间的距离小于 10-10 m。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力。要使大量原子核获得足够的动能而发生聚变，就需要把它们加热到 1×107 ℃以上，剧烈的热运动可使一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的电磁力而发生聚变。因此，聚变反应我国的受控核聚变又称为热核反应。
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。氢弹是利用原子弹爆炸所产生的高温来引起热核反应的，其威力往往相当于数百个原子弹。
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都在 1×107 ℃以上，热核反应在那里激烈地进行着。太阳每秒辐射出来的能量（约为 3.8×1026 J）就是由热核反应产生的。地球只接受了其中二十亿分之一左右的能量就能使地面温暖、万物生长。
核聚变能释放出巨大的能量，但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。
而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务，就必须使核聚变在人们的控制下进行，这就是受控核聚变。实现受控核聚变具有极其诱人的前景。
因为相比核裂变，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。因此，受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。但是目前人们还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻，难以达到。
中国氢弹之父——于敏
于敏（1926—2019）（图 7-16），中国核物理学家、核武器科学和技术专家，在原子核结构及其反应方面，尤其是对原子核相干结构、原子核平均场的独立粒子运动有深入研究。长期领导并参加核武器的理论研究和设计，填补了我国原子核理论的空白，为氢弹突破做出卓越贡献。1951—1965 年，于敏在原子能研究所任助理研究员、副研究员，先后从事核理论研究和核武器理论研究，在核物理、中子物理、统计物理、等离子体物理、爆炸物理和辐射流体力学等方面取得了多项重要成果。1965 年入第二机械工业部（现更名为中华人民共和国核工业部）后，立即从事氢弹设计和爆炸过程的研究，提出了氢弹试验核装置的理论设计方案，在氢弹的突破性研究中起了关键作用。他在核武器的理论基础研究、核装置武器化和小型实用化以及向高科技发展方面，在长远目标、技术途径与关键技术的解决方案等方面都做出了突出贡献。
扩展阅读
1982 年，于敏获国家自然科学一等奖，1985 年、1987 年和 1989 年三次获国家科学技术进步奖特等奖，1986 年获全国劳动模范称号，1999 年被国家授予“两弹一星”功勋奖章，2019 年被授予“共和国勋章”。
扩展阅读
四、核电站
原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，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。核反应堆也称原子反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变、链式反应的装置，是一种启动、控制并维持核裂变或核聚变链式反应的装置。在反应堆中，核变的速率可以得到精确的控制，其能量能够以较慢的速度向外释放，供人们使用。
图 7-17 所示为用浓缩铀作为核燃料，用石墨、重水或普通水作为中子的减速剂，用易于吸收中子的金属镉做控制棒而制成的核反应堆。当反应过于激烈时，将镉棒插入得深一些，让它多吸收一些中子，反应速度就会慢下来。利用计算机自动地调节镉棒的升降，就能使反应堆在一定的功率下安全地工作。
核电站是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量产生电能的热力发电厂。核电站的结构如图 7-18 所示。反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热能，使反应堆的温度升高。
反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转变为热能，使反应堆的温度升高。为了控制反应堆的温度，使它能正常工作，需要用水等流体做冷却剂，在反应堆内外循环流动，不断地带走热能。这些热能将水转变为蒸汽，蒸汽又推动汽轮机发电。
为了防止铀核裂变过程中放出的各种射线对人体造成伤害，在反应堆的外面要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让其透射出去。放射性的核废料要装入特制的容器，埋入地层深处。
放射性污染与防治
放射性污染主要是指由于各种原因产生核泄漏甚至核爆炸而引起的环境污染，其危害范围大，对周围生物破坏严重，持续时间长，事后处理危险，情况复杂。
人类生活在有放射性物质的环境之中。地球上的每个角落都有来自宇宙的射线，我们周围的岩石中也有放射性物质。我们的日常用品有的也具有放射性，例如一些夜光表上的荧光粉就含有放射性物质。平时吃的食盐和有些水晶眼镜片中含有的钾-40 也是放射性同位素。不过这些放射性物质的辐射强度都在安全剂量之内，对人体没有伤害。
扩展阅读
在核燃料的提炼和制造过程中都会有放射性废弃物产生和废气、废水的排放，这都有可能造成污染。由于核工业生产过程的每个环节都采取了相应的安全防护措施，废物排放也得到了严格控制，因此对环境的污染并不十分严重。但是，如果核电站发生意外事故，其污染则是相当严重的。1986 年 4 月，苏联切尔诺贝利核电站发生了严重的核泄漏事件，核泄漏过程持续了 10 d，核反应堆泄漏出了大量的锶、铯和钚等放射性物质。仅在事发当年，就有至少 6 名消防队员死于急性放射性疾病，数十万当地居民被紧急疏散。联合国在 2005 年 9 月发表报告说，截至 2005 年，“直接”因核辐射死亡的人数将近 50 人。报告还预计，大约有 9 000 人“可能”死于与放射有关的疾病。据不完全统计，切尔诺贝利核事故的受害者总计达 900 万人。据专家估计，完全消除这场浩劫的影响最少需要 800 年。
扩展阅读
另外，核武器试验时产生的大量放射性物质与大气中的飘尘结合，随着雨、雪沉降于地面，这些物质称为放射性粉尘。放射性粉尘散播的范围很大，往往可以覆盖整个地球。这些粉尘会对生物圈造成严重危害，引起人体细胞发生癌变。
如果环境中存在的放射性物质过多，就有可能由空气和水源等多种途径进入人体，引发白血病和各种癌症，严重的能在短期内致人死亡。少量辐射则会造成慢性放射病，使造血器官、心血管系统、内分泌系统和神经系统等受到损害，并且发病过程往往延续数十年。
扩展阅读
对放射性污染的防治分为辐射防护和放射性废物处理两个方面。
1. 辐射防护
辐射防护的目的主要是减少射线对人体的照射。人体接受的照射剂量除与辐射源的强度有关外，还与受照射时间及与辐射源的距离有关。放射源的强度越强，受照射时间越长，距辐射源越近，受照量越大。为了尽量减少射线对人体的照射，应使人体远离辐射源，并减少受照射时间。当采用这些方法受到限制时，常用屏蔽的方法，即在辐射源与人体之间放置一种合适的屏蔽材料，利用屏蔽材料对射线的吸收作用降低人体的受辐射剂量。人在放射线污染区域工作时，一定要穿防辐射服，阻断放射性物质通过口、鼻、皮肤和伤口等进入人体。
扩展阅读
2. 放射性废物处理
放射性废物是指含放射性元素或被放射性元素污染的、其放射性的剂量超过国家规定标准的物质。对放射性废物的处理是保护环境、控制放射性污染的重要环节和根本途径。对放射性废物的处理必须严格遵守操作规程，不准用手接触；对于不能再利用的放射性废物，也不能随便丢掉，应在指定地点深埋于地下，并要远离水源。要特别注意防止放射性废物对空气、水源和食品的污染。
扩展阅读
对于放射性强的废气用净化方法进行处理，即用吸附法吸附废气中具有挥发性的放射性气体，如用活性炭吸附放射性碘，用高效过滤、静电除尘等除尘技术除去放射性粉尘。对于放射性弱的废气通过高烟囱直接排放，使其在大气中扩散稀释。
综上所述，放射性物质既能造福于人类，但也可能给人体健康带来一定的危害，因此务必认真对待。实践证明，只要以科学的态度对待放射性物质，安全从事放射性工作，防止环境受到放射性污染是完全可能的。
扩展阅读
1. 简述轻核聚变的应用。
2. 什么是核裂变和链式反应？
课后练习
主题小结
一、原子结构　原子核的组成
1. 原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，称为原子核；原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，带负电的电子在核外空间绕着原子核旋转；原子核所带的正电荷数等于核外的电子数，整个原子是电中性的。
2. 原子核是由质子和中子构成的。质子与中子统称为核子，质子带正电，中子不带电。
3. 物质放射出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。放射性元素自发地放出射线的现象称为天然放射现象。放射性元素发出的射线分别为 α 射线、β 射线和 γ 射线。
主题小结
二、核能　核技术
1. 通过转化物质的质量从原子核释放的能量就称为核能。
2. 重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程称为重核裂变。
3. 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，这样的反应称为核聚变。
感谢收看
物理

展开更多......

收起↑