同济大学：《新能源》课程教学资源（PPT课件讲稿）第三讲 核能（主讲：周伟国）

核能

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1.2核能的和平利用 1.2.1核裂变和核聚变 “核能”来源于保持在原子核中的一种非常强的作用力—一核力 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。取得核能的方式有两种:一是目前已达到实用阶段的核裂 变方式,二是目前还处于研究试验阶段的核聚变方式 自然界中的所有物质,将它们进行化学分解,就能分出氢、氧、铀 等多种元素。这些元素结合起来便形成物质。保持物质性质的最小单位 为分子。分子还可以分成原子,原子是代表元素的最小单位。原子由 个带正电荷的原子核和围绕该原子核周围的带负电荷的电子组成。原子 核由质子和中子构成

1. 2 核能的和平利用 1. 2. 1核裂变和核聚变 “核能”来源于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。取得核能的方式有两种：一是目前已达到实用阶段的核裂 变方式，二是目前还处于研究试验阶段的核聚变方式。 自然界中的所有物质，将它们进行化学分解，就能分出氢、氧、铀 等多种元素。这些元素结合起来便形成物质。保持物质性质的最小单位 为分子。分子还可以分成原子，原子是代表元素的最小单位。原子由一 个带正电荷的原子核和围绕该原子核周围的带负电荷的电子组成。原子 核由质子和中子构成

1)核裂变 U-2s5 n n fission fragmcnts 图3-1-5核裂变反应示意图

图3-1-5 核裂变反应示意图 1）核裂变

2)核聚变 把一个氘核(质量数为2的氢核)和一个氚核(质量数为3的氢核)在高 温、高压的环境下结合成一个氦核时,也会释放出核能,这就是所谓的 氢核聚变,见图3-1-6。氢弹就是利用这个原理制成的.氢弹的威力比 原子弹要大得多。我们最熟悉的太阳其内部就在不断地进行着大规模的 核聚变反应,由此释放出的巨大核能以电磁波的形式从太阳辐射出来, 地球上的人类自古以来,每天都享用着这种聚变释放出的核能

2）核聚变 把一个氘核(质量数为2的氢核)和一个氚核(质量数为3的氢核)在高 温、高压的环境下结合成一个氦核时，也会释放出核能，这就是所谓的 氢核聚变，见图3-1-6。氢弹就是利用这个原理制成的．氢弹的威力比 原子弹要大得多。我们最熟悉的太阳其内部就在不断地进行着大规模的 核聚变反应，由此释放出的巨大核能以电磁波的形式从太阳辐射出来， 地球上的人类自古以来，每天都享用着这种聚变释放出的核能

ATOM LARGER t ENErGY ATOM ATOM 图3-1-6核聚变反应示意图

图3-1-6 核聚变反应示意图

磁约束是前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的,他们期望用环行磁场 这一“无形的河床来约束河水”。磁约束就是利用磁场将高温等离子体约 束在一定的范围内。由于高温等离子体是由高速运动的荷电粒子(离子 电子)组成,如果利用设计的磁场来约束高温等离子体,使带电粒子只能 沿着一个螺旋形的轨道运动,这样磁场的作用就相当于一个容器了(见图 3-1-7)。这就是磁约束系统的思想。 受这一思想的启发,前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研 究。最初,他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈,利用电容器放电使真空 室形成环形磁场。与此同时,用变压器放电,使等离子体电流产生极向磁 场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室,还改进了线圈的工艺,增 加了匝数,改进了磁场位形,最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束 装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。托卡马 克( TOKAMAK)在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个 组合即环流磁真空室的缩写

磁约束是前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的，他们期望用环行磁场 这一“无形的河床来约束河水”。磁约束就是利用磁场将高温等离子体约 束在一定的范围内。由于高温等离子体是由高速运动的荷电粒子（离子、 电子）组成，如果利用设计的磁场来约束高温等离子体，使带电粒子只能 沿着一个螺旋形的轨道运动，这样磁场的作用就相当于一个容器了（见图 3-1-7）。这就是磁约束系统的思想。 受这一思想的启发，前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研 究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈，利用电容器放电使真空 室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁 场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，还改进了线圈的工艺，增 加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束 装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。托卡马 克(TOKAMAK)在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个 词的组合，即环流磁真空室的缩写

螺线管 Central solenoid 极向场 Poloidal field magnet 环形场 Toroidal field 磁约束原理图

• 磁约束有各种不同的形式，其中一种叫 托卡马克的系统是目前性能最好的磁约 束装置 。 磁约束原理图 螺线管 极向场 环形场

全超导托卡马克EAsT(原名HT-7U)核聚变实验装置

全超导托卡马克EAST（原名HT━7U）核聚变实验装置

核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应,从而实现核能- 热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏,核裂变链式反应在其中 进行。反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系 统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。 Containment Structure Pressurizer Steam neato Turbine Rods Vessel Condenser 压水反应堆发电系统

核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能— 热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中 进行。反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系 统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。 压水反应堆发电系统 压水反应堆

Containment Structure Reactor Vesse Generator TurBIne Comtrol Rods Condenser 沸水反应堆发电系统

沸水反应堆 沸水反应堆发电系统