5 核电站作为一种新能源的特点 1）核电站的经济性 5 核电站作为一种新能源的特点 1）核电站的经济性 一座1000MW的核电站，每年只需30吨左右的核燃料，而同功率的煤电站，每年需330万吨的煤炭。 发电站每度电的成本包括建造投资费、燃料循环费及运行维护费。 建造费 燃料费 核电站 60~70% ~30% 煤电站 20~30%

核电站的建造费较高，约为同规模的煤电站的1.5倍，由于燃料成本是长期起作用的因素，所以核电成本低于煤电（绝大多数发展核电的国家都如此）。 2）核电站对改善环境起重要作用 一座1000MW的煤电站，一年要向大气排放77万吨的烟尘，6.1万吨CO2，1.3万吨氮氢化物，630公斤强致癌物质3-4苯并芘（每1000m3空气中苯并芘增加1微克，肺癌放生率就增加5-10%）。核电站不排放。 由于煤渣及飘尘中含有铀、钍、镭和氡等天然放射性同位素，加上火电厂中煤的吞吐量大，又无防护措施，所以火电厂排放到环境中的放射性，比同规模的核电厂大几倍到几十倍，正常运行下核电厂放射性只有本底放射性的1%，火电厂消耗的煤太多，放射性污染难以控制。

3）核电站的安全性 核燃料在反应堆中裂变时，产生大量的放射性物质，因此，核电站是一个有很大潜在危险性的能源设施，对它必须处处设防，避免各种可能事故发生。 核电站设计的安全标准很高，这是它建设投资成本的重要原因。压水堆核电站有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷块可耐高温，燃料组件包壳有很好密封，整个堆芯密封在压力容器（厚20cm的钢）内，有坚固的安全壳；因此安全性能够保证。

两次严重人为核事故： 1979年美国三里岛核电站二回路故障，造成失水，无法导出余热，部分燃料棒熔化、破损，放射性泄漏，但对环境影响不大。 1986年切尔诺贝利核电站严重事故，也是人为造成的。停堆进行电机性能试验，切断安全保护系统，将堆内大部分控制棒迅速拔出，剩下8根时，反应堆功率失控，被切断的安全保护系统无法动作，引起爆炸与燃烧，堆芯熔化，放射性严重泄漏，大范围污染环境和大量人员死伤（31人死亡、203人放射病、400万人低剂量辐射）。

发生事故技术上的原因： 石墨水冷堆是军用生产堆基础上发展起来的，安全性低，体积庞大，为节省造价，无安全壳，发生事故时无法挽救。 压水堆有多道保护屏障，是安全可靠的!

6 核裂变弹（原子弹） 用235U或239Pu作燃料 常密度r0下，无反射层，球体形状的临界质量： 235U 239Pu 6 核裂变弹（原子弹） 用235U或239Pu作燃料 常密度r0下，无反射层，球体形状的临界质量： 235U 239Pu MCO ~50kg ~16kg 密度r时的临界质量 ： 例如，当r=2 r0时，235U 及Pu裸球的临界质量就分别减为 ~12.5kg及 ~4kg 。

1）压拢型（“枪式”）：初始状态为分开的两部分（譬如说，两半球），每一部分都次临界（譬如说，<40kg 235U)，然后用炸药使两部分很块压拢，达到高超临界。

原子弹结构原理

中国第一次核试验的蘑菇云

7 加强弹、氢弹和中子弹 1）加强型弹 原子弹外围加一层6LiD，其外再加238U或天然铀包壳。利用原子弹爆炸时放出的中子，和6Li反应产生3H（氚）：  所产生的3H再和氘D（即2H）在原子弹所提供的高温下产生热核聚变反应：  反应中放出的高能中子（能量达14MeV左右），可使238U发生裂变，加强原子弹的威力。

以6LiD为主要装料，用原子弹扳机提供的能量使6LiD达到高密度和高温状态，扳机提供的中子引发上述 、两反应的快速循环。 2）氢弹 以6LiD为主要装料，用原子弹扳机提供的能量使6LiD达到高密度和高温状态，扳机提供的中子引发上述 、两反应的快速循环。 A Z Y U L

氢弹结构原理

由于不受临界尺寸的限制， 6LiD装料可以很多，使氢弹达到几百万吨TNT当量以上的威力。 调节238U或天然铀包层的厚薄可以增加或减少氢弹威力中的放射性成分（来自裂变产物）。

第一次氢弹试验成功

3）中子弹 以氘（2H）及氚（3H）为主要装料，利用（尽可能小的）原子弹扳机提供的高温，引发热核聚变反应  可用铍的（n，2n）反应，增加中子产额。（铍作包壳材料）：

8 受控热核反应 1）要实现聚变潜能的和平利用，必须设法使氘-氘或氘-氚的热核反应能受到人工控制。 8 受控热核反应 1）要实现聚变潜能的和平利用，必须设法使氘-氘或氘-氚的热核反应能受到人工控制。 控制的难点在于：在能够有效进行热核反应的高温（108 K以上）下，氘、氚都会电离，变成等离子体状态，其热运动不易约束（因容器也会气化），而易飞散。若飞散过快，就来不及进行深度的热核反应。

太阳和恒星内部进行的热核反应，受引力约束，不致飞散；相反，可以抗衡引力坍缩的倾向。 地球上引力不足以约束高温氘、氚等离子体；已知的约束方法是：1 磁约束；2 惯性约束。（参看书P.50－51） 约束高温等离子体的劳逊判据： DT反应 DD反应 n=粒子数/米3，t＝约束时间（秒），T=温度

受控热核聚变研究的重要里程碑 1991年11月9日，英国牛津附近的欧洲联合核聚变实验室的装置JET首次成功地实现了受控热核聚变的试验。这次试验使用了0.2克氚，以86%氘和14%氚的比例混合氘和氚。实验中费了15MW电“点火”，使装置内达到了3108K,聚变持续了2秒钟，产生了1.7MW的电能，核聚变特征乘积ntT达到9.51020 m-3·s·keV已十分接近ntT 51021 m-3·s·keV的指标要求，能量的输出与输入之比为 1.7 : 15  0.11，说明，它离聚变能的商业性开发还相差很远。

1993年12月9日~10日，美国普林斯顿大学等离子体实验室的托卡马克聚变试验反应堆TFTR进行了4次氘氚实验；最后一次的最高输出功率为6 1993年12月9日~10日，美国普林斯顿大学等离子体实验室的托卡马克聚变试验反应堆TFTR进行了4次氘氚实验；最后一次的最高输出功率为6.4MW，实验中使用了50%的氘和50%的氚的混合物，温度达3~4亿度，消耗能量20MW。L=6.4:20=0.32。 1994年5月的实验：9:20=0.45

TFTR是美国能源部耗费14亿美元建造的，年度经费预算1亿美元。它还不能达到得失相当。必须扩大规模，使它输出的功率不但能补偿“点火”消耗的电能，还能产生约束等离子体的电磁场线圈所需的电能（约为点火电能的5倍），并使约束时间每次超过1小时。 美国、欧共体、日本及俄国曾计划设计、建造一个规模更大的装置——国际热核试验性反应堆ITER，费用估计将达1000亿美元以上。后来因美国的不积极，进展部分停顿。

中国环流器（HL-1M)

核科学技术继续造福人类 生命科学时代、信息时代需要核科学 任何新的技术都有造福和危害两重性 核科学的不可替代性 我们的任务： 科学技术继续造福人类！ 核科学仍焕发它的青春！

习题 1 原子核是由什么组成的？ 2 什么是原子核的结合能和比结合能？ 3 什么是链式裂变反应？ 4 怎样才能实现自持链式反应？