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% 60~70%
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
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 。
2)(MM 0
C0C r
r=
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。
2）压紧型（“内爆式”）：初始状态为次临界状态的球（譬如说，常密度时 30kg
的 235U球），然后用炸药从四周向内爆压，
将铀的密度很块压到两倍以上，达到高超临界，压紧型用核燃料省，效率高。中心用中子点火器点火。
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。
2,5 M e VHHenLi 3416
1 7,5 8 M e VnHeHH 1423
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）：
1 7,5 8 M e VnHeHH 1423
n2BenBe 1819
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
=
=
KT
n
8
320
10
/10 米秒t
=
=
KT
n
9
322
10
/10 米秒t
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·k eV已十分接近 ntT?5?1021 m-3·s·k eV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 6.4MW，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？
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% 60~70%
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
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 。
2)(MM 0
C0C r
r=
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。
2）压紧型（“内爆式”）：初始状态为次临界状态的球（譬如说，常密度时 30kg
的 235U球），然后用炸药从四周向内爆压，
将铀的密度很块压到两倍以上，达到高超临界，压紧型用核燃料省，效率高。中心用中子点火器点火。
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。
2,5 M e VHHenLi 3416
1 7,5 8 M e VnHeHH 1423
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）：
1 7,5 8 M e VnHeHH 1423
n2BenBe 1819
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
=
=
KT
n
8
320
10
/10 米秒t
=
=
KT
n
9
322
10
/10 米秒t
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·k eV已十分接近 ntT?5?1021 m-3·s·k eV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 6.4MW，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？
