第八章 核能 §8-1 概述 §8-2 原子核物理基础 §8-3 核反应堆及核燃料 §8-4 核能利用技术 §8-5 核废物处理与核安全

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1 第八章 核能 §8-1 概述 §8-2 原子核物理基础 §8-3 核反应堆及核燃料 §8-4 核能利用技术 §8-5 核废物处理与核安全
第八章 核能 §8-1 概述 §8-2 原子核物理基础 §8-3 核反应堆及核燃料 §8-4 核能利用技术 §8-5 核废物处理与核安全 §8-6 核能利用发展现状和趋势

2 §8-1 概述 核能的应用历史 1 海洋的核资源 2 月球的核应用 3

3 核能：通过质量转化而从原子核中释放的能量
二次世界大战原子弹 放射性物质的标志

4 1.核能的应用历史 1895：伦琴（德）——X射线 （1901 第一届诺贝尔物理奖） 1896：贝克勒尔（法）——天然放射性现象
（1903年诺贝尔物理奖） 1898：玛丽·居里（法）——镭 （1903年诺贝尔物理奖，1911年诺贝尔化学奖） 1897：汤姆逊（英）——电子

5 1.核能的应用历史 1914：卢瑟福（英）——发现质子 卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，得到氧原子核和氢原子核，首次实现人工核反应。

6 1.核能的应用历史 1932：查德威克（英）——发现中子
1938：哈恩（德）用中子轰击铀原子核，出现的新元素与铀相距甚远。这是首次发现重原子核裂变现象

7 1.核能的应用历史 1942年12月2日美国加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆
1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎 1945年之前，人类在核能利用领域只涉及物理变化和化学变化，1945年之后，人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。

8 2.海洋的核资源 类型 含量 可用时间 铀 相当陆地储量的几千倍 几万年 氘 含有几亿千克氘 上百亿年 锂 储量约为2.5×1011吨 重水
含有2×1014吨

9 3.月球的核应用 月球有大量的氦3 大约5亿吨 使用上千年

10 §8-2 原子核物理基础 原子核物理基础理论 1 核裂变 2 核聚变 3 核衰变 4

11 1.原子核物理基础理论 基本定义： 1.原子是由位于中心的原子核和围绕原子核运动的若干电子组成，原子核由质子和中子组成，统称为核子，电子质量只有核子1/1840，原子质量几乎全部集中在原子核上。

12 §8-2-2 原子核物理基础理论 2.原子核内质子和中子总数，称为核子数，或质量数，用A表示。
3.原子核的质子数或核外电子数决定了元素化学性质，称为元素原子序数，用Z表示。 4.原子序数相同而质量数(核子数)A不同元素，称为同位素。

13 质量亏损 §8-2-2 原子核物理基础理论 结合能 实际测得： 原子质量≠质子质量+中子质量+电子质量
5.能量计算：原子核的结合能是由质量转化为能量的。 实际测得： 原子质量≠质子质量+中子质量+电子质量 质量亏损 结合能

14 §8-2-2 原子核物理基础理论 轻核和重核均具有较小的平均结合能（轻核与重核的划分界限是铁，大于56为重核，小于56为轻核）
大部分原子核平均结合能在7～8.5MeV之间 6.原子核的平均结合能是指原子核的结合能除以组 成原子核的核子数A

15 §8-2-2 原子核物理基础理论 核能释放方式 三种方式 核裂变 核聚变 核衰变

16 2.核裂变 核裂变（nuclear fission）是重核分裂为中等核的过程。第一代核武器和现代核电站都依赖于裂变过程而产生能量。 分裂碎片
中子 γ射线 U-235分裂 U-235分裂 U-235分裂 U-235 中子 千万分之一秒內

17 2.核裂变 铀裂变的方程式： 发生裂变时，裂变反应的直接(瞬发)产物，如反应： 氙和锶称为裂变碎片，它们和它们的衰变产物称为裂变产物

18 2.核裂变 1.曲线呈现两个明显的峰，分别位于质量数为95和140附近 2.分裂成质量数恰好相等的两半的概率很小，大约只占0.01%
裂变时会形成60余种不同的碎片，而这些碎片通过β衰变产生约250种不同的核素的裂片产物。 注意：裂片碎片会发生一系列的衰变，具有很强的放射性，主要是β射线和γ射线，其中有些核素半衰期较长，给核燃料后处理带来困难 裂变碎片的质量分布图

19 3.核聚变 核聚变(nuclear fusion) 由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。热核武器就是以聚变反应为基础的核武器。 中子 14.1MeV 氚 氘 氦-4 3.5MeV

20 3.核聚变

21 3.核聚变 “第一代”聚变：氘氚聚变，燃料便宜，产生中子。 “第二代”聚变:氘和氦3反应。不产生中子，或者产生非常少量的中子。
“第三代”聚变:让氦3跟氦3反应。完全不产生中子，称为终极聚变。

22 3.核聚变 劳逊条件：等离子体密度和约束时间的乘积必须大于某一值，热核反应才能持续进行。 表8-2 可控核聚变反应堆需要满足的基本条件
反应堆类型 最低温度/K 等离子体密度/(个·cm-3) 最少约束时间/s 劳逊条件/(s·个·cm-3) 氘-氚反应 108 1014~1016 0.01~1 1014 氘-氘反应 5×108 0.2×1014~0.2×1016 5~500 1016 表8-2 可控核聚变反应堆需要满足的基本条件

23 3.核聚变 可控核聚变方式 超声波核聚变 激光约束核聚变 磁约束核聚变

24 4.核衰变 核衰变过程中放射性放出的三种射线 γ射线 β射线 α射线

25 4.核衰变 类型 实质 特点 α射线 带正电荷的氦核 电离作用最强 穿透本领很小 β射线 带负电荷的高速电子流 电离作用弱 穿透本领强
γ射线 波长短，频率高的电磁波 电离作用最弱 穿透本领最强

26 §8-3 核反应堆及核燃料 核反应堆 1 核燃料 2

27 1.核反应堆 核反应堆：装配了铀或钚等核燃料，使得在无需补加中子源的条件下，实现大规模可控制的自持式核裂变链式反应并释放能量的装置。

28 1.核反应堆 用途 石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆 沸腾堆、非沸腾堆、压水堆 研究堆，生产堆，目的堆，发电堆，推进堆
水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆 天然气铀堆、浓缩铀堆、钍堆 燃料类型 热工状态 1.核反应堆的类型 慢化剂 冷却剂

29 1.核反应堆 2.核反应堆的工作原理

30 1.核反应堆 核反应堆结构 核燃料 防护装置 控制设施 慢化剂 热载体

31 1.核反应堆 3.核反应堆的核心组件 慢化剂。用石墨、重水或普通水（用于减小中子的速度）。 控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）
冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发 电，同时使反应堆冷却，保证安全） 屏蔽层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。

32 核 反 应 堆 水泥防护层 控制棒 水管 铀棒 石墨 控制反应速度 吸收慢中子 防 辐 射 冷却剂 热交换 核原料 减速剂
快中子 → 慢中子

33 1.核反应堆 4.核反应堆分代标志 第一代 GEN-I 核电站是早期的原型堆电站 第二代
技术成熟的商业堆，目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站 第三代 GEN-Ⅲ 先进的轻水堆核电站，第三代核电站采用标准化、最佳化设计和安全性更高的非能动安全系统。 第四代 GEN-Ⅳ 待开发的核电站

34 1.核反应堆 5.核反应堆的用途 发电 供热 A B 裂变中子 D 核动力 C

35 1.核反应堆 （1）核能供热：一项新技术，是一种经济、安全、清洁的热源，因而在世界上受到广泛重视。

36 1.核反应堆 （2）核动力：核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力；又由于它少耗料、高能量，是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。

37 1.核反应堆 （3）利用裂变中子：核反应堆的第二大用途就是利用链式裂变反应中放出的大量中子。 1 2 3 4
中子轰击薄膜材料可以生成极微小的孔洞 3 中子还可以生产优质半导体材料 4 中子可以治疗癌症 大量生产各种放射性同位素

38 2.核燃料 核燃料，是指可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。 铀235，钚239是能发生核裂变的核燃料，称裂变核燃料
氘、氚及氦-3称为聚变核燃料

39 2.核燃料 乏燃料 裂变核燃料 聚变核燃料 核燃料

40 (U,Th)O2-(热解石墨，SiC)-石墨
燃料形式 形态 材料 适用堆型 固体燃料 金属 U 石墨慢化堆 合金 U-Al 快堆 U-Mo U-ZrH 脉冲堆 陶瓷 U3Si 重水堆 (U,Pu)O2 (U,Pu)C (U,Pu)N UO2 轻水堆、重水堆 弥散体 金属-金属 UAl4-Al 陶瓷-金属 UO2-Al 陶瓷-陶瓷 (U,Th)O2-(热解石墨，SiC)-石墨 高温气冷堆 液体燃料 水溶液 (UO2)SO4-H2O 沸水堆 悬浊液 U3O8-H2O 水均匀堆 液态金属 U-Bi ​ 熔盐 UF4-LiF-BeF2-ZrF4 熔盐堆

41 2.核燃料 乏燃料及聚变核燃料 注意：虽然核聚变的能量密度甚至比核裂变的还高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作为能源仍只在理论上可行 乏燃料定义：裂变产物、铀、钚以及稀有锕系核素的混合物 聚变核燃料：聚变核燃料包括氘、氚及氦-3

42 2.核燃料 辐照稳定性好 制造容易，再处理简单 要求 具有较高的熔点和热导率 与包壳材料相容，与冷却剂无强烈的化学作用

43 2.核燃料 核燃料的后处理 回收和重新利用核燃料 确保环境的安全

44 2.核燃料 回收和重新利用核燃料的方法： 水法过程 干法过程 以磷酸三丁酯为萃取剂的萃取法过程————普雷克斯流程
注意：核燃料后处理过程必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中，进行远距离操作，并且需要采取防止核临界的措施。

45 §8-4 核能利用技术 核能发电 1 核武器及核动力 2 核技术的广泛应用 3 核能的发展前景 4

46 1.核能发电 核电站是利用核分裂或核融合反应所释放的的能量产生电能的发电厂 核岛 NI 常规岛 CI

47 1.核能发电 出水蒸汽 发电机 核能电厂与火力电厂异同 核反应器 核反应器 锅炉 冷却 冷凝器 进水

48 1.核能发电 核电的优点 一 二 三 四 五 能量密度高，体积小，便于运输和储存 不会排放二氧化碳 铀燃料除发电外，无其他用途 不会污染空气
发电成本稳定

49 1.核能发电 各国核电应用的状况

50 1.核能发电 美 国 美国第一座核电厂建成于1975年12月。近50年来美国总共建成商业核电机组132台，除去已经关闭的28台目前仍在运行的有104台，居世界之最。它们分布在美国的31个州（见图4）

51 1.核能发电 日 本 目前日本运行的核电机组有55台 在核电堆型选择方面，日本的压水堆和沸水堆核电机组并行发展，两者数量相近。

52 1.核能发电 英 国 2008年，英国政府发布《核能白皮书》，宣布重启核电发展。
英 国 英国曾是世界上核电发展领先的国家，但自上世纪70年代起，北海油田大规模产油使其能源供应状况得到改善，加上对核电安全问题的顾虑，英国的核电发展步入冬天。 2008年，英国政府发布《核能白皮书》，宣布重启核电发展。

53 1.核能发电

54 1.核能发电 秦山一期（浙江） 30万千瓦机组，是我国自主设计、建造和运营的第一个原型堆核电机组。

55 1.核能发电 秦山二期（浙江） 我国首座自主建设、自主建造、自主管理、自主运营的2×650MW级商用压水堆核电厂。

56 1.核能发电 秦山三期（浙江） 引进加拿大重水堆技术建造的2×728MW级重水堆核电厂

57 1.核能发电 大亚湾核电厂（广东） 我国首座2×900MW级商用压水堆核电厂。核岛部分采用法国压水堆技术。
大亚湾核电厂年发电量约150亿千瓦时，70％供香港，30％送广东电网。

58 1.核能发电 红沿河核电站（辽宁） 中国首次一次同意4台百万千瓦级核电机组标准化、规模化建设的核电项目，是东北地区第一个核电站。
采用的是在法国技术上改进的压水堆，是目前中国内地应用的最先进的核电技术。

59 世界核电机组概况

60 2.核武器及核动力 核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称
裂变武器（原子弹） 聚变武器（氢弹） 具有特定功能的核武器（中子弹和小型化核武器）

61 2.核武器及核动力 《不扩散核武器条约》 1968年，59个国家签署了《不扩散核武器条约》 目前，187
规定：只有在1967年1月1日前爆炸核装置的国家，才允许保留核武器。

62 2.核武器及核动力 核动力是利用可控核反应来获取能量，从而得到动力，热量和电能 世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力

63 3.核技术的广泛应用 核技术应用主要有以下几个方面 1 为核能源的开发服务 2 同位素的应用 3 射线辐照的应用 4 中子束的应用 5
离子束的应用 5

64 1 2 3 4.核能的发展前景 核电的经济性能可与火电竞争 发展核电有利于减轻交通系 对燃料运输的负担 以核燃料代替煤和石油，有利
于资源的合理利用

65 §8-5 核废物处理与核安全 核废物处理 1 核安全 2

66 1.核废物处理 1.核废料：核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料 物理状态分 比活度分 2.核废物类型
固体 液体 气体 高水平 中水平 低水平 2.核废物类型 比活度：也称为比放射性，指放射源的放射性活度与其质量之比，即单位质量(通常用重量表示)产品中所含某种核素的放射性活度。

67 1.核废物处理 3.核废物特征 热能释放 特征 放射性 射线危害

68 1.核废物处理 4.核废料管理原则 尽量减少不必要的废料产生并开展回收利用 对已产生的核废料分类收集分别贮存和处理
以稳定的固化体形式贮存以减少放射性核素迁移扩散 向环境稀释排放时必须严格遵守有关法规 尽量减少容积以节约运输、贮存和处理的费用

69 1.核废物处理 5.处理核废料的必要条件 安全、永久地将核废料封闭在一个容器里并保证数万年内不泄露出放射性
寻找一处安全、永久存放核废料的地点，例如：花岗岩层、岩盐层以及粘土层

70 1.核废物处理 6.废料处理方法 海洋 一般是先经过冷却、干式储存，然后再将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底 国际处理方法
一般是先经过冷却、干式储存，然后再将装有核废料的金属罐深埋于建在地下厚厚岩石层里的核废料处理库中 陆地

71 1.核废物处理 6.废料处理方法 中低放射性核废料危害较低，国际上通行的做法是在地面开挖深约10—20米的壕沟然后建好各种防辐射工程屏障。
高放废料危害较大，世界上公认的最安全可行的方法就是深地质处置方法，即将高放废料保存在地下深处的特殊仓库中永久保存。

72 2.核安全 核事故 核污染事件 年美国三里岛核电站事故

73 2.核安全 核污染事件----1986年前苏联切尔诺贝利事故 死亡人数：9.3万人 致癌人数：23万人 经济损失：180亿卢布
鬼城切尔诺贝利

74 2.核安全 核污染事件 年日本福岛第一核电站事故

75 2.核安全 安全壳 钢衬 压力容器 燃料芯块及包壳

76 §8-5-2 核安全 新的核安全技术 我国核安全政策 《核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标》 第三代核反应堆
第四代核反应堆 三套紧急情况下的柴油发电机 附加的紧集核心冷却系统

77 §8-6 核能利用发展现状和趋势 1 能源危机与发展核能的必然性 2 核能的发展历程与开发利用现状 3 核能的利用对环境造成的影响 4
核能发展的前景 4

78 1.能源危机与发展核能的必然性 《2012年BP世界能源统计》， 截止到2011年底，全世界剩余石油探明可采储量为2343亿吨，
2011年世界石油产量为39.96亿吨，即可供开采年限大约58年。 煤炭剩余可采储量为 亿吨，可供约200年 天然气剩余可采储量为208.42万亿立方米，可供开采越63年

79 §8-6-1 能源危机与发展核能的必然性 每年要耗煤250万吨 二氧化硫1.7万吨 100万千瓦的燃煤电厂 氮氧化物4000吨
二氧化碳650万吨 煤灰28万吨

80 §8-6-1 能源危机与发展核能的必然性 每年消耗低浓铀25吨 低放废物400吨 100万千瓦的核电厂 高放废物9吨 中放废物200吨

81 2.核能的发展历程与开发利用现状 1. 20世纪50年代，第一代核电机组。 2. 20世纪70年代，第二代核电机组
世纪50年代，第一代核电机组。 世纪70年代，第二代核电机组 3. 20世纪80年代，第三代核电机组 4.以美国为首的一些工业发达国家已经联合起来进行第四代核能利用系统的研究和开发

82 3.核能的利用对环境造成的影响 核电产生的放射性废物主要是放射性废水、放射性废气和放射性固体废物对环境造成污染
铀矿资源的开发造成的废气、废水、废渣等污染环境，因此对铀尾矿也必须进行妥善处理。 发生核事故或核泄漏，对人类和环境造成的影响都是灾难性的

83 5.核能发展的前景 展望未来： 传统能源存量不足，效率低，污染大。核电具有资源丰富、高效、清洁而安全的相对优势，其它可再生新型能源如风能、生物质能特别是太阳能由于成本高、效率低，短期内难以成为能源供应主力，因此，未来20~30年核电将会迅速发展以缓解人类能源需求的燃眉之急。

84 思考题 1. 什么是核能？简述世界和中国核能的发展史。 2. 简述核电的发展历程，以及中国核电的发展现状。
1. 什么是核能？简述世界和中国核能的发展史。   2. 简述核电的发展历程，以及中国核电的发展现状。   3. 什么是核反应堆？简述其主要用途、分类和组成。   4. 简述核电站存在的主要安全隐患，浅述保证核电站安全的措施。   5. 常见的核电站反应堆有哪些堆型？简述其主要工作原理。   6. 核废料是如何产生的？简述核废料的种类和常用的处理方法。