华中科大能源科学导论课件第4章：新能源.pptx

第四章新能源

第一节核能

核能的来源

•“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在原子核中的一种非常强的作用力——核力。

•核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。

•当中子和质子形成原子核时会放出能

量，这样的能量称为该原子核的结合能。

•结合能的大小可以通过下列爱因斯坦的质能关系式求得

ΔE=Δmc2

式中ΔE--结合能(焦)，Δm--质量亏损(公斤)，c--光速(米/秒)。

•不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。

爱因斯坦的质能关系式

当质量数小于60或大于60的原子核由于某种原因向质量数等于60这个方向变换

时，比结合能增大。也就是说，在这样变换时必定伴随着能量的释放。

•

•根据这一原理，核能的实际利用有两种方法。

•一是目前已达到实用阶段的重核裂变方法，这就是核裂变反应堆的原理；

•另一是目前还处于研究试验阶段的轻核聚变方法，这就是核聚变反应的原理。

•1.核裂变反应

•中子与铀核作用而发生裂变反应时，除了形成裂变碎片、释放出核能以外，同时还平均产生2.5个新中子。在适当条件下，这些裂变产生的新中子会引起周围其他铀核裂变，如此不断继续下去。这种反应过程称为链式裂变反应。

•如果每次裂变反应产生的中子数等于引起核裂变所消耗的中子数，则一旦引起裂变反应，就有可能不再依靠外界作用而使裂变反应不断地进行下去，这样的裂变反应又称为自持链式裂变反应。

•2.核聚变反应

核燃料

•1.核裂变的核燃料

•核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常由三种同位素构成：铀-238，约占铀总量的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7％；还有极少量的铀-234。

•当铀-235的原子核受到中子轰击时会分裂成两个质量近于相等的原子核(变成铀—236)，同时放出2~3个中子。铀-238的原子核不是直接裂变，而是在吸收快中子后变成另外一种核燃料——钚-239，钚是可以裂变的。还有另外一种金属钍-232，它的原子核吸收一个中子后也能变成一种新的核燃料——铀-233。

•所以铀-235和钚-239可以通过裂变产生核

能，称为核裂变物质；铀-238则通过生成钚-239后再通过裂变产生核能。所以铀-235、

钚-239、铀-238通称作核燃料

•与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个突出的不同特点：

•一是生产过程复杂，要经过采矿、加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反应堆使用的核燃料；

•二是还要进行“后处理”。

核燃料的循环

最终储存废物处理

产生能 量

核燃料制作

临时贮藏

采矿

浓缩

转化

回收

•铀的浓缩方法：

•1.气体扩散法

•2.激光分离法

•2.核聚变的核燃料

•最容易实现核裂变反应的是原子核中最轻的核，例如氢、氘、氚、锂等。

•其中最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的反应。

•作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034g，地球上有15×1014亿t海水，故海水中的氘含量即达450亿t，因此几乎是取之不竭的。

•海水里的氚含量极少，大约是

3000×108亿分之一，因此不能像氘一样从海水里分离出来，而只能从地球上藏量很丰富的锂矿里分离出来。

•此外还有另一种获得氚的方法，即把含氘、锂、硼或氮原子的物质放到具有强大中子流的原子核反应堆中；或者用快速的氘原子核去轰击含有大量氘的化合物，也可以得到氚。

•值得注意的是，海水中也含有丰富的锂，每立方米海水中锂的含量多达

0.17g。

世界核能利用的现状

•截至1999年全世界有29个国家的433座核电站在运行。

•目前全世界核电提供的电能占世界电力供应的17%，为此每年可以减少23亿吨CO2的排放量，这意味着如果不使用核电，全世界CO2的排放量将增加10%。

•美国三里岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故引起公众对核的恐惧。在过去10年中，核电变成了一个倍受争议的话题，

它已从世界发展最快的能源沦为发展最慢的能源。

•但是这种恐核心理导致的核电发展停

滞，已带来严重的负面影响，例如1999年瑞典核电占47%，因为关闭核电站，只能被迫向丹麦燃煤电厂购电，不但电费上涨，而且导致西欧CO2的排放总量超标。由于电力紧张，美国也中止了暂停建核电站的规定，重新起动核电站建设计划。

•与欧美发达国家相反，亚洲由于经济迅速崛起，核电发展方兴未艾，亚洲