核能发电原理(课堂PPT)

索迪因此及对同位素起源和性质研究 获1921年诺贝尔化学奖。
元素衰变理论打破了自古希腊以来人
们相信的原子永远是不生不灭的传统观
念，而认为一种元素的原子可以变成另
一种元素的原子。
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30
原子核模型
1911年，卢瑟福用α射线轰击原子，发现中 间有个“原子核” 存在。核很小、坚硬、 很重并且带正电。因此提出了原子核模型。
“核子科学之父” 卢瑟福
卢瑟福原子
32
人 工 衰 变
卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”，研究被轰击的粒子的 情况。1919年，终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一 个氢核，同时变成另一种原子核的结果,14N＋ α17O＋p 。
这是人类历史上第一次实现原子核的人工衰变，使古代炼 金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想变成现实。
➢核电站的第4号核反应堆在进行半烘烤实验中突
然失火，8吨多强辐射物质泄露，其辐射量相当于
500颗美国投在日本的原子弹
10
➢反应堆有哪些类型？各是什么原理？
11
核能在能源结构中的地位和作用
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地球核能储量
490万 275万吨 吨铀、 钍矿
铀矿石
核裂变反应
核裂变能
海洋
核聚变反应
核聚变能
氘、锂
所释放的能量比全世界现有能
40万亿吨 2千多亿吨 源总量放出的能量大千万
倍.“无穷的能源”
13
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核能－－无穷的能源
核裂变能
铀、钍矿石
如全部利用， 能供使用 2400～2800年
海洋
核聚变能
40万亿吨 2千多亿吨
氘（来自海水）、锂
如实现可控核 聚变，能供使
用上千亿年 14 返回
地热
风能
太阳能
水 力
二氧化碳CO2
核能
煤
天然气
大学的足球场西看台下的
网球场，世界上第一座原
子核反应堆 “芝加哥”
第一号（CP-1）开始运 行,揭开了人类利用原子
“芝加哥”第一
能的序“人幕类。于此首次完成自持链 号
式反应的实验并因而肇始
了可控的核能释放。”
“反应堆之父” 41 费米
核能和平利用的历程
全上19世世51界纪年目7，0前年美有代国核中利电期用站，一4进座41入生多了产座发钚，展的占核反全电应世站堆界的电高余力潮热供试应验的发电 17%， （截止2005年1月） 1954年，苏联建成世界上第一座核电站 美国、英国和法国相继建成一批核电站
第二种辐射，能贯穿约 半毫米厚的铝片，命名 为β射线。
“核子科学之父” 卢瑟福
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卢瑟福、索迪——元素衰变
1902年，物理学家卢瑟福与化学家 索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放 射性研究中，提出了放射性元素的衰 变理论：放射性原子是不稳定的，它 们自发性地放射出射线和能量，而自 身衰变成另一种放射性原子，直至成 为一种稳定的原子为止。这种特性即 放射性。
性物质--镭。
1902年，居里夫妇从沥青
矿渣中提炼出钋、镭 。
居里夫妇
揭开了原子时代 的序幕
镭的射线强度 是纯铀的九百
倍
2返7 回
α射线和β射线的发现
1896年，卢瑟福发现铀和钍的两种辐 射在强磁铁被分开了三股
1899年，卢瑟福发现了 镭的两种辐射穿透本领 不同：
第一种辐射不能贯穿比 1/50毫米更厚的铝片， 但能产生显著的电效应。 命名为α射线
哈恩的实验 桌
提出了铀裂变的 理论，并发现了 裂变时放出核能
1938年
1944年，哈恩因为发
现了“重核193裂8年变反
返回
应”，荣获诺贝哈尔恩
化学奖。
1939年
梅特涅与侄子弗里施
38
“原子的火花”－－链式核裂变反应
在铀核裂变释放出巨大 能量的同时，还放出两、
三个中子来
哈恩 约里奥·居里 返回
巨大能量
为恐怖。
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。
这颗原子弹的威力，要比科学家们 原估计的大出了近20倍。
“原子弹之父” 奥本海默
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足球场看台下的第一座核反应堆
The Chicago Pile-1
1942年12月2日下午，
美国费米实验室在芝加哥
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第一颗原子弹－曼哈顿计划
1942年美国启动了取名为“曼哈顿
计划”的制造原子弹计19划39，年，由爱奥本
海默负责。
因斯坦写信
1州人94类的5第一年一个7月次301核米6日试高，验的美。铁国塔给 罗 细 制在上原美 斯 阐新，子国 福 述弹总 ， 了墨进的统 详 研西行哥了
核爆炸腾起的烟尘若垂重天要之性云。，极
35
探索原子核奥妙的钥匙——中子
中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元，它不仅 使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，而且为人工 控制原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘 的"钥匙"，在开发原子能的伟大事业中大显身手。
3返6 回
人工放射性核素的发现
• 1934 年约里奥.居里夫妇用
射线打击镁、硼、铝，发
当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。
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33
中子的发现
查德威克
• 1920 卢瑟福预言： 原子核 = 质子 +“中性粒子”？
• 1930 博特和贝克尔（德）：α→Be 产生穿透力强的射线（断 言γ）
• 1932 约里奥·居里夫妇 ：α→Be 产生“中性射线”，以为是
γ射线。
疑惑: γ射线能量很高?原子科学发展的
核军备竞赛开始
1949年8月29日，苏联在亚洲中 亚西亚靠近塞米巴拉金斯克的地 方爆炸了第一颗原子弹。
１９５２年１１月１日 美国首 颗氢弹爆炸成功。
英国、法国、中国分别于 1952 年10月、1960年 2月和1964年10 月爆炸了各自的第一颗原子弹。
印度也 1974年 5月爆炸了它的 第一个核装置。
磁约束
82,000,000℃
43
原子
原子的尺寸：10-10m
电子
原子 核 原子核的尺寸：10-15m
质量数
132
质子数
同位素
中子数=质量数-质子数
21
原子的放射性
衰变 衰变
衰变 物质自发放出射线的 性质叫放射性 也称为核辐射
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居里夫人
与 核 能 相 关
贝克勒耳
的 伟
约里奥.居里夫妇
大 发 现
查德威克
图1-27 费米 费米 哈恩
1895年11月8日伦琴无意中发 现阴极射线管中有射线可以穿 过许多物体透视到荧光物质上 使其发光。
12月22 日，伦琴为夫人拍下
了第一张x射线照片。
未知的射线--x
获得第一枚诺贝 尔物理学奖
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金戒指
1895/12/2 2
现代物理学的 揭幕人
威廉•伦琴
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天然放射性的发现
• 1896年，亨利·贝克勒耳研究
现在停止打击后，这些元素 还不断地放出β射线。 • 这些射线的强度逐渐减小， 并遵守天然放射元素的衰变 规律。
约里奥.居里夫妇
3返7 回
裂变的发现
费米
原子核吸收一个中子只
会变成下一个元素。原
子核结合力太大，不可
能分裂
从被中子
轰击过的
铀中，测
得了镧的
同位素
约里奥.居里夫妇
哈恩和斯特拉斯曼
确认了中子轰击 铀原子会产生新 的较轻的元素
卢瑟福
在1932年发现中子后，苏联的伊凡宁柯和德 国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中 子组成的模型(质子和中子统称为核子)
原子核
返回
质子 中子
“量子力学的奠基者 之一”
V·K·海森泊31
质子的发现
1914年 发现质子（氢原子核） 1919年 第一次人工核反应
4 He + 14 N → 17 O + 1 H
巴南朝我基非鲜斯、等国坦伊国的也拉也已克有第经、研一制试伊爆朗原颗了、子核 利弹原我弹 比的子国。 亚计、划弹的。第一颗最氢大(弹氢的核弹爆) 炸
现60在0俄01至罗986斯40与年00美1枚0国月核各1弹6拥日头有1，大5时掌约握1967年6月17日
着世界上绝大多数核武器。
原子弹
9
➢核电厂会不会像原子弹一样爆炸？切尔诺贝利 核电站事故是怎么发生的？
美国的核电站（100多座）
其它
煤 电力
2%
37%
核能 17%
石油 11%
水力 天然气 18% 15%
我国秦山核电站于1991年并网发电。 世界电力能源结构（2000年） 42
人类的梦想――可控聚变反应堆
目前最高温度1,200,000℃
等离子体
托卡马克装置
地球上实现连
续聚变反应发
生的条件是温
度必须超过
• 1932 查德威克读了居里夫妇文章，马第上二进个行重实大验发。现指出：
“中子的可能存在”
42He + 94Be → 126C + n（中子） 34
探索原子核奥Biblioteka Baidu的钥匙——中子
1932年：海森伯和伊凡宁柯各自独立地 提出了原子核是由质子和中子组成的核结 构模型。
由于中子不带电荷，不受静电作用的影 响，可以比较自由地接近以至进入原子核， 容易引起核的变化，因此，它立即被用来 作为轰击原子核的理想"炮弹"。
• 1954年3月1日，代号为“城 堡行动”的人类第一颗可投 式氢弹试验成功。其爆炸力 为千万吨级TNT当量，几乎 是广岛原子弹的1000倍。
• 热核武器的能量规模及杀伤 力远远超过了原子核裂变武 器。
第一次使用热核反应装置的核 聚变试验， 1952年11月1日
氢弹空中爆炸的冷凝云
埃尼威托克的核爆炸 8
x射线时偶然发现铀盐能自发
永久地放出一种神秘的射线。
• 人们把这种自发放出射线的性 质叫放射性。
硫酸钾铀
亨利·贝克勒耳
放射性物质
原子科学发镭展的
形形色色的天然铀矿石的第形一态个重大铍发现
。。。
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26
天然放射性极强的物质--镭的发现
1898年，居里夫妇发现含
有铀或钍的物质，都会有
放射性，并发现了强放射
1945年8月6日美国向日本 广岛投下原子弹，装料为 10公斤铀235，当量1.25万 吨TNT ，因为该弹细长， 被称为 “小男孩”。
“小男孩”
“胖子”
8月9日，美国又在长崎 扔下名为 “胖子”的第 二颗原子弹。
7
威力更大的核武器――氢弹的诞生
• 1952年11月1日，美国采用 热核反应装置，进行了人类 首次热核反应核聚变试验。
并提出了“原子能”的概念。
卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖 29
卢瑟福、索迪——元素衰变
以后，卢瑟福和索迪等人进一步研究 放射性元素递次变化（即衰变链系）的 线索，发现如下衰变链：
U T 1/2 几 百 万 R年 aT 1/2 10 多 0 0 年 Rn
B i P o Pb
石油
核能
氮氧化物NOx
非污染能的结构 煤
二氧化硫SO2
煤
天然气
天然气
石油 核能
核电正是“最安全、
石油 核能
最清洁、且经济效益
最高的电力资源”
15
加拿大皮克灵核电厂
核电站
16
日本美滨核电站
核电 站
17
中国秦山核电站（浙江海盐）
核电站
18
中国大亚湾核电站（广东深圳）
19
20
原子模型
中子
质 子
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➢在科学上，决不能轻易地放过偶然出现的 现象。
➢粗心的人是难有重要发现的，伟大的机会 到来时，常常被擦肩而过。因此，科学上想 要有成就，必须首先养成善于细心观察事物 的习惯和本领。
➢近代微生物学奠基人巴斯德说过一句话： “在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准 备的头脑。”
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无意中的伟大发现-- X射线
核工程
1
2
氢弹
核能的用途
核武器
原子弹
船用核动力
核电
核舰艇
核动力航母
核电厂
3
➢原子弹爆炸的原理是什么？它是怎么造出来的？
4
➢原子弹和氢弹有什么不同？为什么？
5
“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。”
“原子弹之父6 ” 奥本海默
广岛的“小男孩”和长崎的“胖子”