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2.4 核能
从太阳射向地球的光和热是由太阳内部进行的核聚变反应产生的，也就是说由核能转化而来的。那么，核能是怎样产生的？人类是如何有效地控制和利用核能的？
地球的能量几乎全部来自太阳
核电站
可控核裂变发电
1896年，法国科学家贝克勒尔(A.H.Becquerel)发现，铀和含铀矿物能够发出看不见的射线。1898年，居里夫人(M.Curie)发现，含铀矿物中还存在两种能够发出更强射线的新元素，她把一种元素命名为钋，另一种元素命名为镭，并经历几万次艰苦的提炼后，终于从8t沥青铀矿渣中提炼出0.12g纯净的氯化镭，证实了镭元素的存在。
一、放射性
居里夫人
1、放射性：
研究发现，许多天然存在的元素也具有放射性，它们自发地发出射线的现象称为天然放射性现象。
图2.4-1放射性物质的标志
放射性物质既有天然放射性物质，也有人工放射性物质。
具有放射性的元素。
物质具有发出射线的性质。
2、放射性元素：
一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质还是以化合物形式存在，都具有放射性。放射性的强度不受温度、外界压强的影响。
放射性物质放出的射线到底是什么？
科学家发现，各种放射性元素放出的射线中包括α、β和γ三种射线。
α射线：
这些射线来自原子核，这也佐证了原子核内部是有结构的。
3、射线的种类：
带正电的高速运动的氦原子核流;
β射线：
带负电的高速运动的电子流;
γ射线：
能量很高的电磁波。
发现放射现象后，科学家认识到，元素的放射性不受任何环境因素的影响，是一种完美的地质“时钟”，能用来测量岩石年龄，从而推测地球年龄。
放射性元素的原子核放出射线变成另一种原子核，这种变化称为衰变。放射性元素衰变的快慢用“半衰期”表示，指的是原子核有半数发生衰变所需的时间。一种放射性元素的半衰期是不会发生变化的。
地球的年龄可以通过陨石的年龄来推断。岩石形成时，或多或少有种类不同的放射性元素，测量这种放射性元素与它衰变出的元素的比例，就可计算出岩石的年龄。陨石来自围绕太阳运转的小行星带，与太阳系的行星同期形成，通过测量陨石的年龄，可以获得对地球年龄的推断。
例如，某岩石中含有某种放射性元素，假设该元素半衰期为5亿年，则5亿年后岩石中剩下一半该种放射性元素，10亿年后剩下1/ 4 该种放射性元素……依此类推，若分析现在岩石样本中只剩下 1/8 该种放射性元素，可以推算该岩石样本自形成以来经历了3个半衰期，即岩石年龄为15 亿年。
放射性测量年龄的方法也应用于考古研究。考古学家常利用放射性物质C-14测量文物的年龄。
地球年龄的测量
核能：
核能是从原子核内部释放出来的，它比物质在化学反应中所释放出的化学能要多得多。
例如，1克铀核全部转变为氪核和钡核时释放出的核能，超过了2000吨煤完全燃烧时释放出的化学能。
原子核
核外电子
质子
中子
原子
原子的结构：
原子核是由质子和中子依靠强大的核力结合而成。
二、裂变和聚变
质量较大的原子核发生分裂或质量较小的原子核相互结合释放出的能量。。
原子核的裂变和原子核的聚变是获得核能的两条途径。
原子核在转变过程中从原子核内部释放出巨大的核能。
如何使原子核发生转变而释放出核能呢？
原子核的聚变
原子核的裂变
视频：核裂变
质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个质量中等的原子核，同时释放出巨大的能的现象。
例如，用中子轰击铀-235原子核，可以使铀核裂变为氪-89原子核和钡-144原子核，向外释放核能，同时产生2～3个新的中子。
我国科学家钱三强、何泽慧夫妇在实验中发现铀原子核也可能分裂成三部分或四部分。
1、核裂变：
中子
氪-89原子核
钡-144原子核
中子
中子
铀-235原子核
中子
轰击
轰击
轰击
裂变
氪-89原子核
钡-144原子核
中子
中子
中子
钡-144原子核
氪-89原子核
中子
中子
中子
产生的中子又会继续轰击其他铀核，引起铀核裂变 ……于是就会导致越来越多的铀核不断地发生裂变，并释放出越来越多的核能。
中子
氪-89原子核
钡-144原子核
中子
中子
铀-235原子核
中子
铀-235原子核
铀-235原子核
（1）链式反应：
轰击
轰击
轰击
轰击
轰击
裂变
裂变
裂变
连锁式的铀核裂变反应。
如果原子核裂变的链式反应不加以控制，在短时间内形成雪崩式的裂变反应，就会放出巨大能量而产生剧烈的核爆炸。
（2）原子弹：
图2.4-3 长崎原子弹爆炸时的情景
投放长崎的原子弹“胖子”
根据不加控制的核裂变制造的。
视频：我国第一颗原子弹爆炸
原子弹爆炸带来的后果
2个质量很小的原子核结合成新原子核，同时释放出能的现象。
例如，氘核（核内有1个质子、1个中子的氢核）和氚核（核内有1个质子、2个中子的氢核）在超高温下聚合成氦核，将向外放出核能，如图2.4-4所示。在消耗质量相同的核材料时，核聚变比核裂变释放出更多的核能。
H
21
H
31
+
超高温
H
42
氘
氚
氦
+
1个中子
+
巨大能量
2、核聚变：
图2.4-4 核聚变反应示意图
所以核聚变也叫做热核反应。
（1）核聚变的条件：
极高温度引发。
热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，依靠自身产生的热就使核反应继续下去。氢弹就是根据核聚变的原理制造的，它的威力比原子弹大得多。
1967年6月17日
我国第一颗氢弹爆炸
（2）氢弹：
根据核聚变的原理制造的。
它的威力比原子弹大得多。
视频:氢弹爆炸
我国的氢弹研制
我国第一颗氢弹爆炸
1967年6月17日上午8点20分，伴随着一声巨响，在沉寂的戈壁大漠上空，宛若两颗太阳同时闪耀着万丈光芒，我国第一颗氢弹爆炸试验成功。那个时候，在重重技术封锁的国际环境中，我国完全依靠自力更生研发氢弹，以最快的速度实现了从原子弹到氢弹的跨越，震惊了世界。
被称为中国氢弹之父的"两弹一星”元勋于敏曾说：氢弹是在原子弹的基础上发展起来的，但是它比原子弹性能要优越得多，所以世界上几个核大国，核武库里主要的是氢弹。在20世纪50年代，我们没有核武器的时候，美国曾经威胁对中国使用核武器，为了打破他们的核垄断，粉碎他们的核威慑，中国必须有自己的氢弹。
在氢弹爆炸成功的同时，我国政府重中:发展核武器完全是为了防御目的，任何情况下，中国都不会首先使用核武器。邓小平同志多年以后说，没有“两弹”的爆炸成功，就没有中国后来的国际地位，就没有全国人民在危难之时自豪和坚挺的民族脊梁。
如果能够按需要控制链式反应的速度，使原子核的裂变反应持续进行，核能有控制地平稳释放，这样的核能就可以为人类和平建设服务。
1、核反应堆：
图2.4-6 核电站
核电站就是利用核反应堆提供的能量，使水变成蒸汽，再利用高温高压的水蒸汽推动汽轮发电机发电的。
三、核能的和平利用——核电站
可控制地进行核反应的装置。
视频:核能的利用
一台“华龙一号”机组年发电量近100亿度，能够满足一个中型城市一年的用电需求，相当于每年减排二氧化碳8.16×106t或植树7000万棵。
“华龙一号”核电技术是我国核电企业研发设计的具有完全自主知识产权的核电创新成果，也是中国核电走向世界的“国家名片”。
“华龙一号”核电机组安全性高，设计寿命为60年，电厂可利用率高达90%，是国之重器。
反应堆厂房
核燃料厂房
图2.4-7 华龙一号
热能
机械能
电能
核能
2、核电站发电的能量转化：
太阳释放出的巨大的能就是其内部核聚变产生的。在太阳的内部，氢原子核在超高温下发生核聚变，释放出巨大的核能。
图2.4-8 太阳能
这些能量再从太阳核心向外扩散到太阳表面，然后大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射出去，其中有一部分到达地球，如图2.4-8。
追根溯源，地球上消耗的能，绝大部分来自太阳，即太阳内部核聚变时释放的核能。太阳内部每秒钟约有7×108t氢原子核参与反应。
科学家估算，太阳的这种核反应还能维持几十亿年。实际上，核聚变是一种宇宙中普遍存在的能的产生形式。
人们虽然能够控制核裂变反应的速度，但还没有找到实用的控制核聚变反应的方式，所以，直到现在人类仍不能和平利用核聚变释放出的能。科学家一直致力于探索核聚变的控制途径。一项重大国际合作项目——国际热核聚变实验反应堆(ITER)，是国际核聚变研究的巨型工程，其使命是展示聚变发电的可行性，并证明它可以不造成负面影响。
中国工程物理研究院等机构的科研人员利用高能激光束来激发靶心物质产生核聚变反应，建造了“神光”装置，该装置被誉为我国三大高科技工程之一。
受控核聚变能够为人类提供几乎取之不尽的理想、洁净的能，人类一旦能够稳定地获取核聚变能，将不再有“能源危机 ”。
激光激发核聚变
神光二号
核电站的安全性
发展核电站，应优先关注安全性。核电引起的安全问题主要在两个方面：一是核反应万一失控，会损坏设备，引起放射性物质泄漏；二是放射性废料处理不当，会导致环境污染。
世界上曾发生了几次较大的核电事故。1986 年，苏联切尔诺贝利核电站发生严重的核电事故，事故的原因是工作人员违反操作规定，导致反应堆过热，发生一系列的爆炸，使得放射性物质泄漏到周围环境中，造成了重大损失。2011 年，日本福岛核电站在里氏 9.0 级地震和海啸袭击后出现的核泄漏事故，引发全球有核电国家对核电站的安全检查与反思。
为了防止核电站事故的发生，核电站的反应堆都有一系列的防护措施，设置了多道安全屏障。对核电站放射性废料的处理，先在核电站内专用的废物库暂存（我国规定暂存时间为 5 年），然后送到人烟稀少、地质稳定、地下水位低又远离天然水源的处置场永久存放，一般存放几百年。
每一次核泄漏事故对全球的核电发展是一把双刃剑，都会让核电发展吸取经验，升级防范措施。随着科学和技术的发展，人们将会制造出更安全的核反应堆，也期待着受控核聚变技术早日走向成熟。
视频——苏联切尔诺贝利核电站事故
1、千瓦级压水堆核电技术，使核能的利用更安全、更经济。下列关
于核能说法正确的是（　　）
A．核能可直接转化为电能
B．核反应堆是可控的链式反应装置
C．原子由质子和中子组成
D．核能是原子内部的化学反应释放
出来的能量
B
2、核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆，下列有关
核能利用说法正确的是（　　）
A．核反应堆所用的核燃料是可再生能源
B．核电站产生的核废料对环境没有污染
C．目前核电站都是通过核裂变来释放核能
D．核反应堆中发生的链式反应是无法控制的
C
3、关于核聚变，下列说法正确的是(　　)
A．原子核必须在超高温下才能发生核聚变
B．任何两个原子核都可以发生核聚变
C．原子弹爆炸时释放的巨大能量来自核聚变
D．目前人类已经建成核电站，利用核聚变发电
A
4.利用核能发电是人们和平利用核能的重要方向。下面有关核电站的说法正确的是( )
C
A.核反应堆是核电站的“心脏”，
里面发生的是核聚变
B.核电站反应堆中发生的链式反应
是可以控制的
C.核电站反应堆产生的废料对环境
没有污染
D.核能发电发生的能量转化:核能
→机械能→内能→电能
再见

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