核能應用與發(fā)展

1、 1.序言 1.1經(jīng)典物理學和量子力學在這本書中介紹的原子和量子物理學，基本上是本世紀前第三的產(chǎn)物。經(jīng)典物理學的分支如力學、聲學、熱力學和光學必須擴大時，作為物質(zhì)的原子結構知識增加的結果，原子和量子成為了物理學研究的對象。因此，在第二十世紀，經(jīng)典物理學已經(jīng)由原子物理和光或能量量子物理進行了補充。原子物理學的目標是對原子結構及其相互作用的理解以及對電場與磁場的相互作用的理解。原子是由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子構成的。這些粒子相互作用的電磁力在經(jīng)典物理學中是眾所周知的。單獨在這些相互作用力基礎下原子核的物理現(xiàn)象是不能夠解釋的。一個新的作用力核強相互作用力決定了核的結構，并且典型的結合能是大于

2、那些原子中的電子的數(shù)量級的。因此原子核的研究，基本粒子的研究以及整個高能物理形成了它們自己的物理學分支。本書不會探討這些內(nèi)容。 1.2簡史 單詞原子出自于希臘語并且譯為“不可分割的物質(zhì)”，是物質(zhì)的最小組分，不可能再進一步分割。這個概念是在公元前5世紀和前4世紀中期被希臘自然哲學家引入的。最早的物質(zhì)結構原子理論是由德謨克利特（公元前460370年），柏拉圖（公元前429348年）和亞里士多德（公元前384322年）提出的。它經(jīng)歷了兩千多年才使這種推理的原子論演變成為現(xiàn)代意義上的精確的原子物理學。原子這個詞的含義如果翻譯成拉丁語的話就會產(chǎn)生更少的誤解：不可分割的物質(zhì)是大型集合中的最小的單元，它擁有

3、這個集合中所有的本質(zhì)特征。從這個意義上說，原子實際上就是不可分割的。誠然，有一種是可以的，把一個氫原子分離成一個質(zhì)子和一個電子，但是氫在分離的過程中就已經(jīng)被破壞了。例如沒有一個人能在氫原子光譜上觀察它的光譜線特征。原子論按照現(xiàn)代科學的理解首先被發(fā)現(xiàn)于物質(zhì)之中，然后是電子，最后是能量。物質(zhì)的原子論，有一個公認的事實那就是所有的化學成分室友原子組成的，這是根據(jù)化學研究推斷的。恒量定律和倍比定律分別是由J.L.普魯斯特和道爾頓約在1799年和1803年提出，這些定律可以很簡單地解釋原子假說。反應方程式 14g N + 16g O =30g NO 14g N + 32g O =46g NO2意思就是氮

4、和氧原子的重量是相關的14:16只有整個原子相互作用，第一個原子模型（W.普羅特 1815）是假設除了氫原子之外的所有元素的原子是組成整體的。作為一個啟發(fā)性原理，這個假設最終基于化學性質(zhì)形成了有序元素的體系，L.邁耶和D.I.門捷列夫化學周期系。更多關于這個學科的內(nèi)容會在化學入門教材講到。幾乎在同一時間（1808年），蓋-呂薩克發(fā)現(xiàn)不僅是質(zhì)量而且氣態(tài)反應物的量都是以整數(shù)的定量發(fā)生的。在上面的例子1體積N +1體積O產(chǎn)生2體積NO 1體積N +2體積O產(chǎn)生2體積NO2相似的觀察形成了阿伏伽德羅假設：同等體積的氣體在相似的狀態(tài)下 （壓強，溫度） 包含同等數(shù)量的分子。 在19世紀間對氣體的繼續(xù)研究調(diào)

5、查引出了熱原子論，它對熱量在通常的情況下進行了解釋，尤其是在一系列的原子運動和原子間碰撞的熱力學定律。大約在1870年，這一首個理論包含了整個物理學分支，氣體分子運動論由物理學家克勞修斯和玻爾茲曼完成。 電磁感應是在1833年被英國科學家邁克爾法拉第發(fā)現(xiàn)的，基于對電解液體非常仔細測量的定量計算，他用公式表達了他著名的定律： 分解的元素的電量與電荷傳輸過程的電量成正比，不同的元素被相同電量的電荷分離成等效權重。 由此法拉第總結出： 原子的帶電成分是在它的質(zhì)量與電荷定義后70年，這個帶電物質(zhì)就是電子與物質(zhì)的原子相關。 原子能的發(fā)現(xiàn)可以追溯到底：1900年十二月14號，在那次柏林物理學會的演講中普朗

6、克給出了黑體輻射規(guī)律的推導。為了推導出這些定律，他假定諧波振蕩器的能量只能采取離散的值對于在經(jīng)典理論中能量值是連續(xù)的，這是相當矛盾的。 這一天可以稱為量子理論的誕生日。原子與量子物理學的進一步發(fā)展是這本書的主題。 我們對原子結構的認識受到了光學譜研究的強烈影響。在1860年基爾霍夫和本生發(fā)現(xiàn)光學光譜所發(fā)射或吸收的光的元素的特征后，巴爾默在原子光譜中成功地找到一個有序原理，用公式8.1表示，這個公式是以他的名字命名并描述了氫原子的發(fā)射譜線。基于盧瑟福提出的原子模型，玻爾才能夠在1913年用公式表示原子中電子軌道的量子化的基本原則。這些量化的規(guī)則是由索末菲大大推廣的。通過玻恩，海森伯，薛定諤，泡利

7、，狄拉克和其他研究人員在1920年到1930年的十年之中取得了實際突破。 當前研究關心的原子物理問題：關于原子的電子殼層結構及其激發(fā)的越來越詳細的描述原子與輻射場的相互作用，以其在光泵浦（第二十一章）和激光物理（第二十二章）中 的應用為例原子物理基礎研究原子數(shù)據(jù)的計算物理學應用科技固體物理學 量子電子學 測定單位理想與缺陷結構 激光器，頻率標準，航行，大地測量學 基本常數(shù) 化學物理學 醫(yī)療技術 空間研究 分子形成 輻射效應 地球和行星大氣，氣象天體物理學 通信技術 環(huán)境 原子光譜 激光技術，電離層 污染物檢測等離子體物理 能源問題 激發(fā)機制 能源生產(chǎn)新方法生物物理學 復雜分子結構地球物理學 地

8、球磁場領域 圖1.1 原子物理學與其他科學、 科技學科的關聯(lián)原子在氣相碰撞過程中和分子形成過程中的相互作用單個原子凝聚相形成原理，和它們的性質(zhì) 因此，在原子物理和化學的基礎上，分子和固體物理也不斷使用它的規(guī)律和原則。 與此同時，對于許多其他研究，科技以及應用學科而言，原子物理學是一門基礎科學。舉例如圖1.1所示。 下面的章節(jié)不會給出一個歷史或時間順序介紹。然而，這些章節(jié)展現(xiàn)了發(fā)展和探索的總路線。在滿足獲取物理知識方面，它是很少用的。物理學家必須學會分析，解釋，并從實驗結果中提取出要點。在這個過程中，重要的是要認識到與其他實驗結果的關系，并能夠預測新實驗的結果。然后預測必須得到實驗檢驗。因為這個

9、過程，物理不是一成不變的，最終確定的科學，而是處于一個不斷發(fā)展的狀態(tài)。由于新的實驗技術開辟了新的研究領域，而另一方面，發(fā)展物理概念的過程中帶來了有史以來最新的實驗的理念。核能的應用引言 人類的一切活動都離不開能源，能源是發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學技術和提高人民生活水平的重要基礎。1939 年原子核裂變的發(fā)現(xiàn)，開辟了核能利用的新時代.。特別是在能源結構從石油轉(zhuǎn)入非油能源的新時期里，核能被認為是解決世界能源短缺的一種重要途徑，可開發(fā)的核燃料資源所提供的裂變能、聚變能，可供人類大規(guī)模長時期的利用。核能具有獨特的優(yōu)越性開發(fā)和利用新型的核能源是人類社會生存發(fā)展的必然趨勢。近年來，大力發(fā)展核電是

10、許多國家在研究本國能源現(xiàn)狀和前景之后,所采取的一種比較普遍的基本政策。核能發(fā)現(xiàn)  核能的發(fā)現(xiàn)凝聚了眾多科學家的智慧和汗水。1932年，英國物理學家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，為人類提供了打開核能利用大門的一把鑰匙，1939 年，費米利用中子轟擊鈾發(fā)現(xiàn)反應能產(chǎn)生中等重量的元素，居里夫人的女兒伊倫·居里進行了類似的研究，但得到了不同的反應產(chǎn)物。德國科學家哈恩重復他們的實驗證實中子轟擊鈾能產(chǎn)生重量為鈾一半的元素，并確定它是鋇，他的進一步工作證實了伊倫·居里實驗的產(chǎn)物是鑭。接著，流亡瑞典的奧地利女科學家邁特納提出了鈾核裂變的概念,并指出裂變能放出能量。為了能持續(xù)地放出核

11、能,匈牙利物理學家西拉德最先考慮了鏈式反應發(fā)生的可能性。1939 年約里奧·居里夫婦等人，通過實驗發(fā)現(xiàn)一個鈾核(U - 235)裂變會釋放出23個中子,用實驗證實了鏈式反應的可能性。1941年12月到1942年12月,費米領導一批物理學家在芝加哥大學斯塔克運動場的西看臺下成功地建造了世界上第一座原子核反應堆發(fā)出了200W的電，解決了受控自持鏈式反應的眾多技術問題，這標志著核能和平利用時代的到來。核能的發(fā)展  第一代核電站。核電站的開發(fā)與建設開始于20世紀50年代。1954年前蘇聯(lián)建成發(fā)電功率為5兆瓦的實驗性核電站；1957年，美國建成發(fā)電功率為

12、9萬千瓦的Ship Ping Port原型核電站。這些成就證明了利用核能發(fā)電的技術可行性。國際上把上述實驗性的原型核電機組成為第一代核電機組。  第二代核電站。20世紀60年代后期，在實驗性和原型核電機組基礎上，陸續(xù)建成發(fā)電功率30萬千瓦的壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核電機組，他們在進一步證明核能發(fā)電技術可行性的同時，使核電的經(jīng)濟性也得以證明。目前，世界上商業(yè)運行的400多座核電機組絕大部分是在這一時期建成的，習慣上稱為第二代核電機組。  第三代核電站。20世紀90年代，為了消除三里島和切爾諾貝利核電站事故的負面影響，世紀核電業(yè)界集中力量對嚴重事

13、故的預防和緩解進行了研究和攻關，美國和歐洲先后出臺了先進輕水堆用戶要求文件，即URD文件和歐洲用戶對輕水堆核電站的要求，即EUR文件，進一步明確了預防與緩解嚴重事故，提高安全可靠性等方面的要求。國際上通常把滿足URD文件或EUR文件的核電機組稱為第三代核電機組。對第三代核電機組要求是能在2010年前進行商用建造。  第四代核電站。2000年1月，在美國能源部的倡議下，美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷共10個有意發(fā)展核能的國家，聯(lián)合組成了“第四代國際核能論壇”，與2001年7月簽署了合約，約定共同合作研究開發(fā)第四代核能技術。核能原理  核能（或稱

14、原子能）是通過轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的方程E=mc² ，其中E=能量，m=質(zhì)量，c=光速常量。核能通過三種核反應之一釋放：1、核裂變，打開原子核的結合力。2、核聚變，原子的粒子熔合在一起。3、核衰變，自然的慢得多的裂變形式。核能發(fā)電的能量來自核反應堆中可裂變材料(核燃料)進行裂變反應所釋放的裂變能。裂變反應指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片，同時放出中子和大量能量的過程。反應中，可裂變物的原子核吸收一個中子后發(fā)生裂變并放出兩三個中子。若這些中子除去消耗，至少有一個中子能引起另一個原子核裂變，使裂變自

15、持地進行，則這種反應稱為鏈式裂變反應。實現(xiàn)鏈式反應是核能發(fā)電的前提。核能的應用 一、核能在農(nóng)業(yè)方面的應用 將農(nóng)學與核科學結合起來的新興學科稱核農(nóng)學，其目的在于為農(nóng)業(yè)科學研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供新的手段，促進農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化。核技術在農(nóng)業(yè)中的應用是1955年第一屆國際原子能和平利用會議以后，逐漸在各個國家發(fā)展起來的。中國于1956年開始制訂這門學科的發(fā)展規(guī)劃。1957年在中國農(nóng)業(yè)科學院建立了第一個原子能農(nóng)業(yè)利用研究室，后發(fā)展為研究所。至今全國各省、市、自治區(qū)和少數(shù)地區(qū)的農(nóng)業(yè)科研單位已廣泛開展這方面的研究，并取得了顯著成績。主要包括下列內(nèi)容： 輻射育種即利用、X、射線或中子流等

16、高能量的電離輻射處理植物的器官，使細胞內(nèi)產(chǎn)生不同類型的電離作用,進而誘發(fā)產(chǎn)生可遺傳的突變,從中選擇和培育符合生產(chǎn)需要的新品種。輻射育種與常規(guī)育種比較，其主要特點為：變異率高。一般可達1/30，比自然突變高100倍以上,甚至可達1000倍。變異范圍廣。誘變產(chǎn)生的變異類型常超出一般，甚至會產(chǎn)生自然界中未曾出現(xiàn)的或罕見的新類型。其中有的具有利用價值，已為作物提早成熟、植株矮化、增強抗病性、提高蛋白質(zhì)、糖分、淀粉的含量等創(chuàng)造了豐富的育種原始材料和基因資源。變異穩(wěn)定快。由輻射處理產(chǎn)生的變異,一般經(jīng)3代即可基本穩(wěn)定,而有性雜交大多要經(jīng)46代才能穩(wěn)定。 輻射處理的方法分外照射和內(nèi)照射兩種。外照射是指被照射的

17、種子或植株所受的輻射來自外部某一輻射源；方法簡便、安全，可以大量處理。內(nèi)照射是將輻射源引入被照射種子或植物某器官內(nèi)部，常見的有放射性同位素浸種、放射性同位素注射（在莖、枝條、芽或子房部位施用放射性同位素肥料供植物吸收）以及向植物供給14CO2、使之通過光合作用同化到代謝產(chǎn)物中去誘發(fā)突變等。輻射處理的材料包括種子、花粉、子房、營養(yǎng)器官和整體植株。此外，還可照射愈傷組織，用于輻射誘變與組織培養(yǎng)相結合的研究領域（見誘變育種）。輻射不育治蟲原理是通過對防治對象(雄蟲)某個蟲態(tài)的輻照處理，使其生殖細胞的染色體發(fā)生斷裂、易位，造成不對稱組合，導致顯性致死；而受照射的體細胞基本上不受損傷。由于輻照后的昆蟲仍

18、能保持正常的生命活動和尋找配偶，將經(jīng)過輻照處理的不育昆蟲在蟲害地區(qū)連續(xù)大量釋放，就可使其同正常昆蟲進行交配而不產(chǎn)生后代。經(jīng)過幾代之后，自然種群因不育而數(shù)量減少，以致有可能完全消滅這一地區(qū)的蟲種。此法不會造成環(huán)境污染，對人、畜和天敵無害，防效持久，專一性強，對消滅螟蟲、棉鈴蟲等鉆進植物體內(nèi)隱蔽、藥劑和天敵很難觸及的害蟲效果尤佳。射線、X射線、射線及中子束都可用于照射，而以60Co放射源的射線最簡便有效。但用高劑量輻照造成的不育昆蟲因無法和自然種群爭奪配偶，因而影響滅蟲效果。近年來，改用亞不育或半不育劑量處理的害蟲，可提高受照射昆蟲競爭配偶的能力，通過遺傳將輻射導致的細胞染色體易位變化傳遞給下一代

19、，使95以上的下一代害蟲喪失生育力。如玉米螟雄蟲經(jīng)過這樣的處理后，其子代可比親代更為不育。此法雖不能在當代根除害蟲，但可減少不育蟲的釋放量，使防治成本降低。因而在成蟲期不危害作物的條件下釋放半不育（其子代完全不育）雄蟲，一般可比釋放完全不育的雄蟲取得更好的效果。 世界上約有 1/3的國家對上百種昆蟲從事輻射不育的研究，已知有30多種害蟲進入了中間試驗或應用階段。螺旋蠅、地中海果蠅、紅鈴蟲等一些重要害蟲用不育方法防治，都取得了重大成果。  輻射食品保藏即通過輻照抑制食用產(chǎn)品器官的新陳代謝和生長發(fā)育，同時殺滅害蟲和致病微生物，以改進食品品質(zhì)，減少貯運損失，延長貯存期和貨架陳放期

20、。用于這一目的的輻照源一般包括 60Co、137Cs的射線源、X光機發(fā)出的X射線、電子加速器發(fā)出的小于或等于10MEV的電子射線等。輻照前處理是輻照食品的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)常采用的手段包括:嚴格控制食品收獲、加工的條件,以降低害蟲和微生物對食品的污染基數(shù);通過適當加熱,以鈍化生物酶的活性；通過低溫暫存和絕氧控制食品代謝的速度，以防止氧化；以及添加抗氧劑、保水劑、輻射增效劑等。  輻照劑量按輻照的不同目的可分為3類:低劑量用于抑制產(chǎn)品器官的代謝和殺蟲，劑量范圍在0.1兆拉德以內(nèi)；中劑量用于針對性、選擇性的殺蟲、滅菌和改進品質(zhì),劑量范圍在0.11兆拉德;高劑量用于徹底殺蟲、滅菌和長期

21、保存食品，劑量范圍在16兆拉德。多數(shù)情況下，劑量率在1010000千拉德小時范圍以內(nèi)時,輻照劑量率變化對食品輻照效果的影響不顯著。長期的生物試驗結果證明，輻照食品是衛(wèi)生和安全的，不會使食品產(chǎn)生感生放射性；射線殺蟲、滅菌還能減輕甚至消除病原體及其產(chǎn)生的毒素，而不會產(chǎn)生病原體及其毒素。人食用輻射食品后無不良反應。  放射免疫分析是一項微量分析技術。1959年由美國科學家耶洛與貝松提出。在畜牧、獸醫(yī)上現(xiàn)已成為家畜生理和獸醫(yī)臨床研究的重要手段，常用以進行激素檢測和細菌、病毒、抗體、維生素、藥物、酶等微量物質(zhì)的定量測定；在植物病理研究等方面也有應用。其基本原理是用放射性同位素標記的抗原與限量特

22、異抗體發(fā)生反應，形成標記抗原-抗體復合物。這是一種可逆反應。在抗體濃度較低時，此復合物是可溶的。如向此反應系統(tǒng)中加入性質(zhì)相同的非標記抗原，則將以同樣方式與抗體發(fā)生反應，即在數(shù)量上與標記抗原發(fā)生競爭。反應系統(tǒng)中非標記抗原的量愈多，同標記抗原相結合的抗體就愈少。放射免疫分析就是利用這種競爭性反應。實驗中將一系列不同濃度的非標記抗原加至含有一定量特異抗體和標記抗原的混合液中，反應后，用快速分離技術使結合的標記抗原和未結合的標記抗原分離，進行放射性測定，即可繪制出劑量 -反應標準曲線。按同樣程序?qū)Υ郎y樣本進行測量，將所得結果與標準曲線對照，便可求得樣本中抗原的含量。此法的優(yōu)點是特異性強，靈敏

23、度、準確度和精確度高，樣本用量少，操作程序便于標準化，放射性物質(zhì)不引入體內(nèi)因而比較安全。  同位素示蹤法是利用放射性或穩(wěn)定性同位素標記的元素或化合物參加到化學或生物研究過程中跟蹤某個過程的方法。其特點是：靈敏度高。一般最精確的化學分析很少能測到10-12克,同位素示蹤則可檢測出10-1410-18克的微量物質(zhì)，這對于動、植物體內(nèi)痕量元素和激素代謝等的研究十分重要。操作手續(xù)簡便。只測定試驗樣品中的放射性強度，不受其他非放射性元素的干擾，因而可以減少繁雜的提取、純化、分離等化學分析的操作程序?？蓞^(qū)分試驗體系中原有的分子和新加入的分子。如用放射性同位素32P示蹤方法研究作物對磷的吸收，可以

24、區(qū)分出植株中來自土壤和來自肥料的磷?？梢栽谡Ｉ項l件下進行試驗。如用常規(guī)方法研究家畜營養(yǎng)代謝往往要引入比正常生理劑量大得多的藥理劑量，而使用同位素示蹤劑只要微量就可達到目的，因而可避免對正常生理的干擾和破壞?？梢詼蚀_定位。用放射性自顯影術可以確定放射性示蹤劑在組織或器官中的位置和分布；而用顯微自顯影或電鏡自顯影，則可進行細胞甚至亞細胞水平的定位觀察。 同位素示蹤法在農(nóng)業(yè)中的應用可分為下列兩類。 放射性同位素示蹤又分為3種類型: 利用同一元素的同位素化學性質(zhì)相同的示蹤試驗。這類試驗所采用的放射性示蹤劑和研究對象二者的化學性質(zhì)以及試驗過程中所經(jīng)歷的化學和生物學反應都相同，如用

25、放射性32P標記的過磷酸鈣去追蹤作物對磷肥吸收的研究就屬此類。 利用放射性示蹤劑和被研究對象完全物理混合的試驗。二者的重量比在整個試驗過程中保持不變。如在農(nóng)藥溶液中加入一定量可溶解于農(nóng)藥的短半衰期的放射性同位素，可用以測定飛機噴灑農(nóng)藥的分布范圍。 利用放射性作標記的示蹤試驗。這類試驗要求示蹤劑在試驗過程中牢固地和被追蹤物結合在一起。如將放射性131I或60Co附加（通過喂食、噴灑、沾著等方法）在昆蟲身上后釋放，再在不同的時間和地點捕捉昆蟲并檢測其放射性，便可得知其遷飛的速度和分布范圍。 穩(wěn)定性同位素示蹤穩(wěn)定性同位素是天然存在的不能探測到放射性的同位素。用以作為農(nóng)業(yè)科學研究的示蹤劑，具

26、有下列優(yōu)點： 沒有放射性，適用于生物有機體的研究；標記物的合成和處理較簡單，同位素不會衰變，實驗不受時間限制；農(nóng)業(yè)科學研究中最常用的穩(wěn)定性同位素如13C、15N、18O等都無毒性,且是有機體的組成元素,氮和氧沒有較長半衰期的放射性同位素,因而15N、18O是農(nóng)學研究中唯一適用的示蹤元素；用質(zhì)譜技術測定“同位素比值”，要比放射性示蹤測定方便。基于這些優(yōu)點，穩(wěn)定性同位素示蹤法已日益成為農(nóng)學研究不可缺少的手段。如土壤科學中用以研究氮素轉(zhuǎn)化、肥料氮在土壤中的移動和固定、氮的循環(huán)以及氮的利用和損失；生理研究中用以揭示植物蛋白質(zhì)的形成過程、生物固氮和動物的氮代謝；生物工程中通過13C、15N等同位素標記核酸、核苷酸或核苷進行追蹤,用以揭示DNA的重組和復制過程等。此外,還可利用13C、15N標記農(nóng)藥,研究其在作物和土壤中的殘留和降解產(chǎn)物，利用18O研究土壤水分以及利用10B研究植物對微量元素硼的需要等。  放射自顯影術是定位地記錄放射性物質(zhì)在動、植物體內(nèi)分布的方法。攝取了放射性物質(zhì)的動、植物標本的表面，在與感光乳膠相接觸后，感受了放射性的乳膠經(jīng)顯影加工，就能反映放射性在體內(nèi)分布的影象。由于乳膠中的鹵化銀顆粒極其細小，且每一顆粒都獨立地