第二节 核能 核技术（课件）-【中职专用】高中物理同步精品课堂（高教版化工农医类）

第二节 核能 核技术 主题十 原子结构与核能 物理（化工农医类） 同学们，大家好！今天我们一起来学习《物理》“主题十 原子结构与核能”的“第二节 核能 㧡技术”。 1 人类第一台核反应堆由著名物理学家恩利克·费米领导的小组于1942年12月(曼哈顿计划期间)在世界顶级学府芝加哥大学建成，命名为芝加哥一号堆(Chicago Pile-1) 。该反应堆是采用铀裂变链式反应，开启了人类原子能时代，芝加哥大学也因此成为人类"原子能诞生地"。 情境引入 2 2017年5月，“华龙一号”核电机组-福清核电站5号机组宫顶吊装成功。 核电站为什么要安装圆球形的穹顶呢? 情境引入 3 主要内容 重核裂变 反应堆 轻核聚变 1 2 3 本节我们要学习的主要内容。 4 核聚变 01 重核裂变 一、重核裂变 物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变．把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反映叫做聚变． 〓 聚变 〓 裂变 一、重核裂变 一、重核裂变的发现 1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击元素周期表中的第92号元素铀时，铀核发生了分裂，变成了钡、镧等一些中等质量的原子核。后来科学家们把这种重原子核分裂成两个或多个中等质量原子核的过程，叫作重核裂变，简称裂变。 一、重核裂变 铀核裂变的产物是多样的，一种典型的反应是铀核裂变生成钡和氮，同时放出3个中子，核反应方程是 8 二、质量亏损和核能 科学家们发现，一些核反应后的生成物的总质量比反应前的反应物的总质量减少，这种现象叫作质量亏损。 爱因斯坦的质能方程指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系。重核裂变时出现质量亏损，必然要放出能量。我们把这种在核反应中放出的能量叫作核能。经过计算发现，如果1 kg铀全部裂变放出的核能相当于2 500 t优质煤完全燃烧释放的化学能。 一、重核裂变 9 三、链式反应 一般情况下，铀核裂变时总要释放出2~3个中子，这些中子又会引起其他铀核的裂变，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，如图所示。 一、重核裂变 10 四、临界体积和原子弹 铀块的体积大小对于产生链式反应是一个重要因素。因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫作它的临界体积。 如果铀块的体积超过了它的临界体积，只要有中子进入铀块，就会立即引起铀核的链式反应，在不到百万分之一秒内释放出惊人的核能，形成剧烈的爆炸。这就是原子弹的原理。如图，中国第一颗原子弹爆炸成功。 一、重核裂变 11 02 反应堆 二、反应堆 解决能源危机根本途径——核能 可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。 核聚变资源可使用几亿年。 二、反应堆 水泥防护层 控制棒——镉棒 燃料棒—铀棒 减速剂 链式反应的应用—— 核电站慢中子反应堆 二、反应堆 一、人工可控核裂变反应 反应堆是一种实现可控链式反应的装置，它可以使得堆内链式反应以一定的强度进行下去稳定地释放核能。反应堆一般用石墨、重水或轻水等作为中子的减速剂，用易于吸收中子的银、铟、镉合金制成控制棒，控制裂变反应的快慢。当裂变反应过于激烈时，使控制棒插入得深一些，让它多吸收一些中子，反应速率就会慢下来。用计算机通过专门驱动机构调节控制棒插入燃料的深度，就能使反应堆保持一定的功率安全地工作。 二、反应堆 15 二、核电站 用于发电的反应堆中，压水反应堆是当前应用最广泛的堆型，其主要结构示意图如图所示。压水反应堆利用水作为冷却剂和中子慢化剂，其冷却系统由两个循环回路组成。一回路中高温高压的水将堆芯的热量循环至热交换器，将二回路中的水汽化，形成的蒸汽被送至蒸汽轮机，推动其运转，并带动发电机发电。 为了防止铀核裂变过程中放出的各种射线对人体的危害，在反应堆的外面要修建安全壳，作为防止外来物体撞击以及事故后放射性物质外泄的安全性屏障，穹顶便是安全壳的一部分。 二、反应堆 16 三、中国核电发展 核电站消耗的燃料很少，一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30 t左右的浓缩铀，而同样功率的火电站，每年要消耗250万吨左右的煤。与火电相比，核电是一种技术成熟的清洁能源，对环境的污染微乎其微。与水电、风电、太阳能发电相比，核电也具有明显的优势。核电单机容量大，运行稳定，利用小时数高，可以作为电网基荷运行。截至2020年3月底，我国已拥有浙江秦山、广东大亚湾、广东岭澳、江苏田湾、辽宁红沿河等19座核电站，48座在运反应堆，在运核电机组总装机容量约4 800万千瓦，年发电量位列全球第三。在建核电机组15台，装机容量约为1 600万千瓦，在建核