资源简介

(共20张PPT)
第7章
核能及其应用
本章导读核能是人类历史上的一项伟大发现。时至今日，核能已经被广泛应用于军事、能源、航天等领域。核能为人类带来了新的能源，成为人类获取能源的重要途径。截至2020年8月，我国共有62个核电机组，其中有47个机组装料投入运行，分布在18座核电厂中。核电站究竟是怎样的设施？它又是如何产生电能的呢？本章将带大家学习核能、核技术相关知识。学习目标
了解原子结构。
了解放射现象。
了解核能、核技术及其应用。
目录 Contents
7.1 原子结构
7.2 核能与核技术
7.2 核能与核技术
7.2 核能与核技术
7.2.1 核 能
由于核子之间存在着核力，所以原子核分裂成核子或者核子结合成原子核都伴随着能量的变化，这种能量称为核能，又称为原子能。
爱因斯坦根据狭义相对论原理指出，物体的能量E与它的质量m之间存在着密切的关系，即
式中，c表示光速，这就是著名的爱因斯坦质能方程。根据质能方程，物体的能量跟它的质量成正比。物体的质量增大，其能量也增大；物体的质量减小，其能量也减小。
7.2 核能与核技术
在核反应中，反应前所有核子的总质量与反应后新核的总质量之差叫作质量亏损。核子在结合成原子核时出现质量亏损，因此要释放能量。用 表示亏损的质量，用 表示释放的能量，则有
7.2 核能与核技术
7.2.2 重核裂变
1938 年，物理学家哈恩和斯特拉斯曼等科学家发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了分裂，产生了钡、镧等一些中等质量的原子核。后来，科学家把这种重原子核分裂成两个中等质量原子核的过程叫作重核裂变，简称裂变或核裂变。
例如，用中子轰击铀235的原子核时，铀核分裂成两个中等质量的新核，同时释放出2～3个中子，并释放了约200 MeV的能量。
1．重核裂变
7.2 核能与核技术
由于铀核裂变总要释放出2～3个中子，这些中子又会引起其他的铀核裂变，这样，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，如右图所示。
铀块的体积大小是产生链式反应的重要因素。能够产生链式反应的铀块的最小体积称为铀块的临界体积，相应的质量称为临界质量。
2．链式反应
7.2 核能与核技术
链式反应使核能的大规模应用成为可能。原子弹就是利用链式反应的原理制成的。如果铀的体积大于临界体积，只要有中子进入铀块，就会立刻引起铀核的链式反应，在不到百万分之一秒的时间内就会释放出惊人的核能，形成剧烈的爆炸。如右图所示为我国第一颗原子弹在西部地区爆炸成功形成的蘑菇云。
3．重核裂变的应用
7.2 核能与核技术
原子弹爆炸时的链式反应速度非常快，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能能用比较平缓的方式释放出来，人们研制出了核反应堆。
核反应堆就是用人工方法控制重核裂变并获得核能的装置。核反应堆是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制成控制棒，并用计算机自动地调节镉棒插入反应堆的深度以控制裂变反应的快慢，促使反应堆保持一定的功率安全地工作。
核电站是利用原子核裂变所释放的能量产生电能的发电站。在反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转化为热力学能，使反应堆温度升高。在反应堆外用水等作为循环冷却剂控制反应堆的温度，使其正常工作，并带走一部分热力学能。这些热力学能将蒸汽发生器中的水变成蒸汽，蒸汽又推动蒸汽轮机发电，从而将核能成功转化为电能。
7.2 核能与核技术
核电站一般分为两个部分：利用原子核裂变产生蒸汽的核岛和利用蒸汽发电的常规岛。核电站工作原理示意图如下图所示。
7.2 核能与核技术
2019年全年，我国运行核电机组累计发电量为 ，约占全国累计发电量的4.88%。与燃煤发电相比，核能发电相当于减少了燃烧标准煤 ，减少二氧化碳排量 ，减少二氧化硫排量 ，减少氮氧化物排量 。
秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座 的大型核电站，地处浙江省海盐县。秦山核电站工程于1985年开工，1991年并网发电。
秦山核电站的建成发电，结束了中国大陆无核电的历史，实现了零的突破，标志着“中国核电从这里起步”。秦山核电站的建成发电，标志着中国核工业的发展迈上了一个新台阶，成为我国和平利用核能的典范；使我国成为继美、英、法、苏联、加拿大和瑞典之后世界上第七个能够自主设计、建造核电站的国家。
7.2 核能与核技术
知识角
7.2 核能与核技术
7.2.3 轻核聚变
1．轻核聚变
某些较轻的原子核结合成一个较重的原子核时，能释放出大量的能量，这种现象叫作轻核聚变，简称聚变或核聚变。例如，一个氘核（含一个质子和一个中子）和一个氚核（含一个质子和两个中子）结合，聚变成一个氦原子核，同时释放出一个中子，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大3～4倍。
7.2 核能与核技术
2．热核反应
要使轻核发生聚变，就必须使它们之间的距离小于 。由于原子核都是带正电的，要使原子核间的距离小于 ，必须克服原子核之间巨大的核力。为了达到这一距离要求，就必须把原子核加热到很高的温度。当物体达到 以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，以克服它们之间的作用力在相互碰撞时发生聚变，因此，聚变反应又叫作热核反应。热核反应一旦发生，就不需要外界再提供能量，仅靠自身产生的热量就可以使反应进行下去。
7.2 核能与核技术
3．轻核聚变的应用
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的威力。如右图所示为我国第一颗氢弹爆炸形成的蘑菇云。
7.2 核能与核技术
与重核裂变反应相比较，轻核聚变反应具有许多优越性。
7.2 核能与核技术
核聚变能够释放出巨大的能量，且产生的能量清洁、无污染。但目前人们还不能进行受控核聚变，主要是因为进行核聚变所需要的条件十分苛刻。当前面临的主要问题有两个：第一个问题是热核反应的点火温度很高，而没有什么容器可以承受住高温；另一个问题是不知如何约束核聚变所需的燃料，从而约束反应范围。
尽管轻核聚变的利用仍然存在不少问题，但经过人们的不懈努力已经取得了一定进展。例如，科学家设计利用强大的磁场约束反应范围，用强大的激光加热原子核等。在未来，人类一定能够克服重重困难，让核聚变为人类服务。
7.2 核能与核技术
课后实践
请同学们在课后完成以下任意一项任务。
第一项任务：查阅资料，了解我国科学家在“两弹”研制过程中所做的贡献，与同学一起举办一个小型讨论会。
第二项任务：调查核能开发对人类生活和社会发展的影响，撰写调查小报告，并与同学分享交流。

展开更多......

收起↑