核物理与核技术

《核物理与核技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核物理与核技术（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1、揭开原子核内部的奥秘、揭开原子核内部的奥秘2、核衰变与放射性、核衰变与放射性3、重核裂变与原子弹、重核裂变与原子弹4、热核聚变与氢弹、热核聚变与氢弹5、色彩纷呈的核技术、色彩纷呈的核技术12揭开原子核的内部奥秘揭开原子核的内部奥秘（一）核物理的发展（二）原子核的基本性质31、质子的发现1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核。卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。1919年，卢瑟福用加速了的高能粒子轰击氮原子，结果发现有质子从氮原子核中被打出

2、，而氮原子也变成了氧原子。这可能是人类第一次真正将一种元素变成另一种元素，几千年来炼金术士的梦想第一次成为现实。但是，这种元素的嬗变暂时还没有实用价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中。1924年，卢瑟福已经从许多种轻元素的原子核中打出了质子，进一步证实了质子的存在。42、中子的发现卢瑟福的另一位学生查德威克（18911974年）就在卡文迪许实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加速办法使质子获得高能，从而撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据。1929年，他准备对铍原子进行轰击，因为它在粒子的撞击下不发射质子，有可能分裂成两个粒子和一个中子。与此同时，德国物理学家波特及其学生贝克

3、尔已经先走一步。1928年开始，他们就在做对铍原子核的轰击实验，结果发现，当用粒子轰击它时，它能发射出穿透力极强的射线，而且该射线呈电中性。但他们断定这是一种特殊的射线。在法国，居里夫人的女婿和女儿约里奥居里夫妇也正在做类似的实验，波特的结果一发表，就被他们进一步证实了，但他们也误认为新射线是一种射线。51932年，见到德国和法国同行的实验结果后，查德威克意识到这种新射线很可能就是多年来苦苦寻找的中子。他立即着手实验，花了不到一个月的时间，就发表了“中子可能存在”的论文。他指出，射线没有质量，根本就不可能将质子从原子核里撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可能。其次，查德威克用云室

4、方法测量了中子的质量，还确证了中子确实是电中性的。中子就这样被发现了。约里奥居里后来谈到，如果他们去听了卢瑟福于1932年在法国的一次演讲，就不会坐失这次重大发现的良机，因为卢瑟福那次正好讲到自己关于中子存在的猜想。查德威克由于发现中子而获1935年度诺贝尔物理奖。63、原子核的组成、原子核的组成 原子核由质子和中子组成。原子核由质子和中子组成。 1919年，卢瑟福首先实现年，卢瑟福首先实现了原子核的人工破裂，并发现了原子核的人工破裂，并发现了质子，记作了质子，记作 p 。 1932年，英国物理学家查德威年，英国物理学家查德威克在实验中发现了中子，记作克在实验中发现了中子，记作 n 。 质子和

5、中子称为核子。质子和中子称为核子。7原子核的组成中子中子中子中子 质子质子质子质子 统称统称统称统称核子核子核子核子 U He H 1142235 92X AZ（核）电荷数（核）电荷数（核）电荷数（核）电荷数质量数质量数质量数质量数 原原 子子 核核 的的 组组 成成 1015m 元素符号元素符号元素符号元素符号 8原子核的基本性质电荷质量半径结合能9核子半径核子半径约为约为 0.810-15 m 。质子质量质子质量中子质量中子质量u 原子质量单位原子质量单位定义碳同位素定义碳同位素12C 的质量为的质量为12u 。一、原子核的电荷和质量一、原子核的电荷和质量 原子核带电量为原子核带电量为 +

6、Ze，Z 为核内质子数也为核内质子数也称为原子核的电荷数称为原子核的电荷数 。10质子质量质子质量中子质量中子质量核素核素 各种原子核的统称。各种原子核的统称。X ：元素符号。元素符号。 A：核素的质量数（核子数）。核素的质量数（核子数）。 Z：核电荷数（核内质子数）。核电荷数（核内质子数）。 例如，铝：例如，铝：A=27 ， Z =13 ：11二、原子核的形状和大小二、原子核的形状和大小 当质子数或中子数为当质子数或中子数为2、8、20、28、50、82及中子数为及中子数为126的原子核处于基态时，其电的原子核处于基态时，其电荷与质量的分布是球对称的。其他原子核具有荷与质量的分布是球对称的。

7、其他原子核具有轴对称性，呈现接近球形的旋转椭圆形。轴对称性，呈现接近球形的旋转椭圆形。原子核的平均半径：原子核的平均半径：fm: 飞米飞米12 原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和：应等于所有质子和中子的质量之和： 三三三三. . . .原子核的结合能原子核的结合能原子核的结合能原子核的结合能 根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：根据爱因斯坦质能关系，可得原子核的结合能：mx=Zmp+(A-Z)mn 但实验测定的原子质量但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量总是小于所有核子质量之和，这一差值称为原子核的质

8、量亏损：之和，这一差值称为原子核的质量亏损： m=Zmp+(A-Z)mn-mX13 质子和中子组成核的过程中，有能量质子和中子组成核的过程中，有能量 E E释放出来。反之，要使原子核再分解为释放出来。反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须吸收单个的质子和中子就必须吸收 E E的能量。的能量。 氘核吸收氘核吸收 E E能量后分解为质子和中子能量后分解为质子和中子 E氘氘质子质子中子中子 E=(E=( m)cm)c2 2=Zm=Zmp p+(A-Z)m+(A-Z)mn n-m-mX Xcc2 2爱因斯坦爱因斯坦14 放射性放射性就是不稳定原子核自发地发射出一些射线而本身变为新的原子核的现象

9、。151896年，法国物理学家贝克勒尔首先观察到铀盐的荧光现象。1898年，法国物理学家皮埃尔居里夫妇发现了两种放射性更强的元素。不久，卢瑟福把已发现的射线分成三种： 16放射性衰变定律N(t) t时刻尚未发生衰变的核素的数目t=0时刻的核素数目 表征衰变快慢的常量，称为衰变常量注意：放射性衰变规律是一个统计规律，只有当放射性核素的数目很大时才是适用的，而且必然伴随着衰变数目的涨落。17 三种衰变方式1.衰变衰变过程为衰变能分配给子核与粒子的动能又动量守恒要求故通常重元素发生衰变，有 A4 ，所以182.衰变三种衰变反应式： 对应三种变换：193.衰变和内转换 以辐射的形式发出光子（即射线）

10、衰变 或跃迁以能量直接转移给核外的轨道电子并使其电离 内转换无论是 衰变还是内转换，原子核的组成都不改变，只是所处的状态发生改变20原子核的人工转变：原子核的人工转变：用粒子（或或）轰击原子核使之发生变化的过程，叫做原子核的人工转变。（或说：用人工方法使原子核发生变化的过程，叫做原子核的人工转变）（原子核的人工转变是核反应中的一种。）2122一、核能一、核能 原子核的结构发生变化时放出的能量，原子核的结构发生变化时放出的能量，叫做叫做核能核能。23二、裂变什么叫重核裂变？重核在什么情况下才能什么叫重核裂变？重核在什么情况下才能发生裂变呢？发生裂变呢？19381938年年1212月德国科学家用中

11、子轰击重核铀月德国科学家用中子轰击重核铀时，发现铀核的裂变现象。之后，核能利时，发现铀核的裂变现象。之后，核能利用问题才逐渐被了解清楚，从而使控制和用问题才逐渐被了解清楚，从而使控制和利用原子能成为可能。利用原子能成为可能。 重核受到其他粒子（如中子）轰击时分重核受到其他粒子（如中子）轰击时分裂成两块或两块以上中等质量的核的过程称裂成两块或两块以上中等质量的核的过程称为裂变。裂变过程中放出中子并释放大量能为裂变。裂变过程中放出中子并释放大量能量。量。24三、链式反应三、链式反应1、链式反应、链式反应重核裂变时放出的中子引起其他重核的重核裂变时放出的中子引起其他重核的裂变，可以使裂变不断进行下去

12、，这就裂变，可以使裂变不断进行下去，这就是链式反应。是链式反应。25反应的特点：反应的特点： 利用一个中子轰击一个轴核，使利用一个中子轰击一个轴核，使轴核发生裂变，在反应中还放出轴核发生裂变，在反应中还放出2 2个中个中子，中子对未反应的轴核再进行轰击，子，中子对未反应的轴核再进行轰击，从而使核反应出现连锁反应，使在短从而使核反应出现连锁反应，使在短时间内出现积累效应。时间内出现积累效应。26核裂变核裂变 核核核核裂裂裂裂变变变变(nuclear (nuclear fission)fission)是是是是大大大大核核核核分分分分裂裂裂裂为为为为小小小小核核核核的的的的过过过过程程程程. . 普

13、普普普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。 铀铀-235的裂变与核武器的裂变与核武器 35种种元元素素的的200多种多种位素位素同同发生链反应发生链反应爆爆炸炸 2 3272、临界体积能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。28 足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量界质量界质量界质量(critical mass

14、)(critical mass)。 铀铀铀铀-235 -235 的临界质量约的临界质量约的临界质量约的临界质量约为为为为 1 kg 1 kg，质量超过，质量超过，质量超过，质量超过1 kg 1 kg 则发生爆炸。则发生爆炸。则发生爆炸。则发生爆炸。 任何有任何有任何有任何有核反应堆的国家都核反应堆的国家都核反应堆的国家都核反应堆的国家都不难得到爆炸级的不难得到爆炸级的不难得到爆炸级的不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹裂变材料，原子弹裂变材料，原子弹裂变材料，原子弹的基本设计又如此的基本设计又如此的基本设计又如此的基本设计又如此简单，从而为防止简单，从而为防止简单，从而为防止简单，从而为防止核武器

15、扩散带来了核武器扩散带来了核武器扩散带来了核武器扩散带来了困难。困难。困难。困难。291945年爆炸的第一颗原子弹年爆炸的第一颗原子弹年月日，年月日，第二次世界大第二次世界大战战的罪魁祸首德国法西斯宣布无条件的罪魁祸首德国法西斯宣布无条件投降。月日，美国、英国和中投降。月日，美国、英国和中国三国发表国三国发表“波茨坦宣言波茨坦宣言”，敦促日，敦促日本迅速无条件投降，但日本政府置之本迅速无条件投降，但日本政府置之不理。不理。为迫使日本迅速投降，年为迫使日本迅速投降，年月日时分，美军一架月日时分，美军一架轰炸机飞临日本广岛市区上空，轰炸机飞临日本广岛市区上空，投下一颗代号为投下一颗代号为“小男孩小

16、男孩”的原子弹。的原子弹。“小男孩小男孩”是一颗铀弹，长米，直是一颗铀弹，长米，直径径.米，内装公斤高浓铀，重米，内装公斤高浓铀，重约吨，梯恩梯当量为约吨，梯恩梯当量为.万吨。炸万吨。炸弹在距地面米的空中爆炸，在弹在距地面米的空中爆炸，在巨大冲击波的作用下，广岛市的建筑巨大冲击波的作用下，广岛市的建筑全部倒塌，全市万人口中有全部倒塌，全市万人口中有万人当日死亡，死伤总人万人当日死亡，死伤总人数达余万，城市化为一片废墟。数达余万，城市化为一片废墟。这是人类历史上首次将核武器用于实这是人类历史上首次将核武器用于实战，广岛成为第一座遭受原子弹轰炸战，广岛成为第一座遭受原子弹轰炸的城市。的城市。30世

17、界上第一颗原子弹由洛斯.阿拉莫斯实验室设计，与1945年7月在美国新墨西哥沙漠中引爆。第一颗用于战争的原子弹，是1945年8月8日美国投在广岛的原子弹（代号:LittleBoy）。31使原子弹小型化：1.减少原子弹引爆控制装置2.减少临界质量：提高核燃料的密度可提高中子碰撞原子核的可能性。32链式反应的控制链式反应的控制核反应堆核反应堆核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能反应，从而实现核能热能转换的装置。核反热能转换的装置。核反应堆是核电站的心脏，核裂变链式反应在其中应堆是核电站的心脏，核裂变链式反应在其中进行。进行。1942年美国芝加哥大

18、学建成了世界上第年美国芝加哥大学建成了世界上第一座自持的链式反应装置，从此开辟了核一座自持的链式反应装置，从此开辟了核能利用的新纪元。能利用的新纪元。33按能普分有按能普分有:热能中子反应堆热能中子反应堆快速中子增值堆快速中子增值堆按冷却剂分有：按冷却剂分有：轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）重水堆重水堆气冷堆气冷堆钠冷堆钠冷堆按用途分有：按用途分有：（1）研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、）研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、生物学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究；辐照防护学以及材料学等方面进行研究；

19、（2）生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀）生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚、钚-239；（3）动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发）动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。电。34慢中子反应堆（热中子反应堆）慢中子反应堆（热中子反应堆）快中子增值堆快中子增值堆热中子反应堆简称热中子反应堆简称“热堆热堆”，它是依靠速度大为减慢了，它是依靠速度大为减慢了的，而又处于在热运动情况下的热中子轰击铀的，而又处于在热运动情况下的热中子轰击铀-235原子核，原子核，使其发生链式反应的。热堆又分为轻水堆（普通水）、重水使其发生链式反应的。热堆又

20、分为轻水堆（普通水）、重水堆、和高温气冷堆等。堆、和高温气冷堆等。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。快中子增值堆简称快中子增值堆简称“快堆快堆”，是一种正在开发的第二，是一种正在开发的第二代新型先进反应堆，与普通反应堆相比，其先进性主要体代新型先进反应堆，与普通反应堆相比，其先进性主要体现在现在“快快”和和“增值增值”。35原子弹原子弹原子弹是利用裂变材料铀原子弹是利用裂变材料铀-235的链式裂的链式裂变反应原理制成的核武器，它的基本原理是变反应原理制成的核武器，它的基本原理是利用化学炸药使处于次临界状态的裂变物质利用化学炸药使处于次临界状态的裂变物质突然达到超临界状态，

21、致使链式反应迅速扩突然达到超临界状态，致使链式反应迅速扩大而产生核爆炸。大而产生核爆炸。36“枪法枪法”是把两块或多块裂变物质靠炸药压拢是把两块或多块裂变物质靠炸药压拢在一起而达到超临界的方法。在一起而达到超临界的方法。“内爆法内爆法”是利用炸药产生的内聚冲击波去是利用炸药产生的内聚冲击波去压缩处于次临界状态的裂变材料，使其密度压缩处于次临界状态的裂变材料，使其密度急剧增高，达到超临界状态急剧增高，达到超临界状态37我国在我国在1964年年10月月成功试爆的第一颗原子成功试爆的第一颗原子弹采用的也是内爆法，弹采用的也是内爆法，它表明我国在但是已建它表明我国在但是已建立了完整的核工业体系，立了完

22、整的核工业体系，从铀矿的开采、冶炼到从铀矿的开采、冶炼到铀同位素的分离都能独铀同位素的分离都能独立自主地进行。立自主地进行。38一、贫铀及其特性一、贫铀及其特性贫铀是铀浓缩过程中的作为尾料的副产品。贫铀是铀浓缩过程中的作为尾料的副产品。贫铀具有放射性，由于贫铀中贫铀具有放射性，由于贫铀中U234、U235含量减少，含量减少，因此贫铀的辐射能仅是天然铀的因此贫铀的辐射能仅是天然铀的60，虽然弱一些，但，虽然弱一些，但并无本质减少，贫铀的辐射能主要是由并无本质减少，贫铀的辐射能主要是由U238贡献的。贡献的。贫铀除了具有放射性外，它的金属性能也是其他金贫铀除了具有放射性外，它的金属性能也是其他金属

23、不可替代的。它具有高密度、高硬度、高韧性等物理属不可替代的。它具有高密度、高硬度、高韧性等物理特性，其密度为特性，其密度为19.3克厘米克厘米3，可以和钨匹敌，几乎，可以和钨匹敌，几乎是铅的是铅的2倍。倍。其化学性质很活泼，而且是一种放射性的剧毒物质，一其化学性质很活泼，而且是一种放射性的剧毒物质，一旦进入人体内，对人体各器官、特别是肾造成损害，最旦进入人体内，对人体各器官、特别是肾造成损害，最终会导致各种恶性肿瘤、儿童先天性残疾等发病率激增，终会导致各种恶性肿瘤、儿童先天性残疾等发病率激增，留下巨大的战争后遗症。留下巨大的战争后遗症。39贫铀作为核燃料的副产品，在过去相当长的时间贫铀作为核燃

24、料的副产品，在过去相当长的时间内被作为核废料，而用于核废料的管理费用是相当巨内被作为核废料，而用于核废料的管理费用是相当巨大的。因此各生产核燃料的国家都为贫铀的利用寻找大的。因此各生产核燃料的国家都为贫铀的利用寻找出路。目前已有不少国家将贫铀用于新弹药的研制，出路。目前已有不少国家将贫铀用于新弹药的研制，生产了贫铀弹。美国在贫铀的利用方面取得了突破性生产了贫铀弹。美国在贫铀的利用方面取得了突破性进展，美国生产的新式进展，美国生产的新式M1A1坦克采用了贫轴装甲，坦克采用了贫轴装甲，大大提高了坦克防护能力。在海湾战争期间，美国使大大提高了坦克防护能力。在海湾战争期间，美国使用了贫铀穿甲弹。用了贫

25、铀穿甲弹。二、贫铀弹二、贫铀弹40贫铀穿甲弹穿甲性能很强。一是由于贫铀密度大，贫铀穿甲弹穿甲性能很强。一是由于贫铀密度大，制成相同体积的弹丸时质量大。根据物理学原理，在同制成相同体积的弹丸时质量大。根据物理学原理，在同等火药的情况下，弹丸获得的动能相同，而一个物体的等火药的情况下，弹丸获得的动能相同，而一个物体的动量动量P和动能和动能Ek的关系为的关系为P=2mEk，可见弹丸在动能相，可见弹丸在动能相同的情况下，其动量和质量同的情况下，其动量和质量m的平方根成正比。而根据的平方根成正比。而根据物理学中的动量原理，弹丸穿甲时的平均穿透力物理学中的动量原理，弹丸穿甲时的平均穿透力F、穿、穿甲时间和

26、弹丸动量甲时间和弹丸动量P有如下关系：有如下关系：FdtPFP/t=ZmE/t因此弹丸穿透力和弹丸质量平方根成正比，这就是贫因此弹丸穿透力和弹丸质量平方根成正比，这就是贫铀穿甲弹为什么穿甲性能很强的主要原因。其次贫铀的铀穿甲弹为什么穿甲性能很强的主要原因。其次贫铀的高硬度也是重要因素，又由于铀易氧化，穿甲时发热燃高硬度也是重要因素，又由于铀易氧化，穿甲时发热燃烧，形成较大的后破坏作用，杀伤乘员及破坏坦克的内烧，形成较大的后破坏作用，杀伤乘员及破坏坦克的内部设备。部设备。41三、贫铀弹的毒性和对环境的影响三、贫铀弹的毒性和对环境的影响贫铀的毒性有放射性毒性和作为重金属的化学毒性两贫铀的毒性有放射

27、性毒性和作为重金属的化学毒性两个方面。个方面。放射性主要是放射性主要是a射线，射线，a粒子在空气中射程大约为粒子在空气中射程大约为2。73厘米，在致密物质中射程更短，仅能穿透人体皮肤角厘米，在致密物质中射程更短，仅能穿透人体皮肤角质层，受损伤的仅是无生命的组织，因此基本不存在外质层，受损伤的仅是无生命的组织，因此基本不存在外照射危害。但贫铀弹燃烧时，汽溶胶化了的氧化铀和贫照射危害。但贫铀弹燃烧时，汽溶胶化了的氧化铀和贫铀微粒可以进入人体内部，以很大的概率被人体器官吸铀微粒可以进入人体内部，以很大的概率被人体器官吸收，形成严重的内照射，使人体器官受到严重损伤。关收，形成严重的内照射，使人体器官受

28、到严重损伤。关于化学毒性，铀进入人体内时，在骨、肾脏、肝脏内沉于化学毒性，铀进入人体内时，在骨、肾脏、肝脏内沉积，尤其是肾脏，其抗铀的毒性最弱。积，尤其是肾脏，其抗铀的毒性最弱。42贫铀燃烧时，形成淡黄色烟雾状氧化铀尘埃，贫铀燃烧时，形成淡黄色烟雾状氧化铀尘埃，这些尖埃状氧化铀扩散开来，会对周围的区域造这些尖埃状氧化铀扩散开来，会对周围的区域造成放射性污染。它的危害与原子弹爆炸后造成的成放射性污染。它的危害与原子弹爆炸后造成的放射性沾染相比并不逊色，只不过每发穿甲弹的放射性沾染相比并不逊色，只不过每发穿甲弹的沾染区较小而已。沾染区较小而已。43热核聚变与氢弹热核聚变与氢弹44太阳里的热核受控核

29、热聚变氢弹和中子弹45光辉灿烂的太阳，永不停歇地向外发射着巨大的能量。4647太阳结构和能量核反应区核反应区太阳的中心部分称为日核（核心），半径大约为0.25个太阳半径，虽然不算大，但太阳的大部分质量都集中在这里，而且太阳的光和热也都是从这里产生的，温度高达1500万K。理论研究表明，这些光和热是在氢原子核聚变为氦的过程中释放出来的，因此，日核也叫做“核反应区”。太阳的主要成分是氢，为氢核聚变反应提供了足够的燃料。其主要反应方程式为：H+H=D+(e+)+v（v-中微子）D+H=He3+r(r-光子)He3+He3=He4+2H总反应式:4H=He4+2(e+)+2v+24.7MeV(MeV-

30、能量单位,包括了光子的能量).48能量太阳的光热主要来自其内部的核聚变反应。在高温高压下，太阳内部的热核反应每秒钟里将约6亿吨的氢核聚变为氦核，释放了大量能量。太阳已燃烧了近50亿年，其每秒钟损耗的质量约400万吨，据此速度，太阳在过去的时间里只消耗了百分之零点零三质量。据天文学家测算，太阳的寿命（稳定时期）可达100亿年，目前正处于稳定而旺盛的青年时期。太阳里的氢还可以燃烧100亿年。那么，当燃烧完了，太阳是否就熄灭了呢？科学家认为，当太阳里的氢燃烧完了之后，太阳就开始收缩，温度又重新升高，又会向宇宙空间散发大量的热，整个过程估计也有几十亿年。其后便进入老年期的白矮星阶段。最后才进到临终期以

31、至走向消亡。49受（可）控核热聚变受控核聚变是让轻原子核主要是氢及其同位素氘和氚聚合所产生的核能以可控的方式释放出来并有可观的能量增益的核反应。众所周知,氢弹爆炸也是核聚变反应，但它是瞬间的不可控的，自然界中持续的核聚变反应也有，太阳上的核聚变反应就是其中之一，这样的反应一旦在实验室里实现就可以为人类提供资源丰富足够用上100亿年、洁净无污染、安全核事故概率几乎为零且经济消费者可以承受的能源。因此受控核聚变也俗称人造太阳。因此可以说受控核聚变是与将来的经济发展社会进步人类文明密切相关的，有广阔应用前景的重大研究领域。50受控核聚变研究的一个基本思想是让氢或其同位素在一定的条件下电离成由电子和原

32、子核混合而成的完全电离气体-等离子体，然后对等离子体加热（在等离子体中感应产生电流进行欧姆加热或从外面注入高能中性原子束或射频波作非欧姆加热以及用激光束作压缩加热），以提高原子核间的碰撞从而发生聚变反应的几率。因为在温度为一亿度左右时氢原子核发生聚变反应的几率最大，核聚变研究所需要的等离子体温度都很高，所以一般又称为高温等离子体，与之相应的核聚变通常又称为热核聚变高温。51具体实现方式（1）TOKAMAK为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原

33、苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。52（2）ITER2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧共体提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果，其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了ITER

34、计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，韩国和印度也宣布加入。2005年ITER正式立项，地点在法国的卡达拉申，基本设计不变，力争2015年前全面完成，造价120亿美元，欧盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想让别人平摊，韩国印度不干，力争让俄国也出10%，自己出5%（最终美、日、俄、中、韩、印各出约9%）。ITER凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西抱有多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技术，设计和建造示范商用堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了。53（3）EASTEAST位于中国合

35、肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，目前连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面

36、是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，目前世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。54氢弹和中子弹氢弹：核武器的一种。是利用原子弹爆炸的能量核武器的一种。是利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘等轻原子核的聚变反应瞬时释点燃氢的同位素氘等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量的核武器。又称聚变弹放出巨大能量的核武器。又称聚变弹、热、热核弹核弹、热核武器热核武器。氢

37、弹比原子弹优越的地方在于：氢弹比原子弹优越的地方在于：1、单位杀伤面积的成本低；、单位杀伤面积的成本低；2、自然界中氢和锂的储藏量比铀和钍的储藏量还大、自然界中氢和锂的储藏量比铀和钍的储藏量还大得多；得多；3、所需的核原料实际上没有上限值，这就能制造、所需的核原料实际上没有上限值，这就能制造TNT当量相当大的氢弹。当量相当大的氢弹。551967年年6月月17日中国第一颗氢弹爆炸成功日中国第一颗氢弹爆炸成功56中子弹：一种以高能中子辐射为主要杀伤力的低当量小型氢弹。只杀伤敌方人员，对建筑物和设施破坏很小，也不会带来长期放射性污染，尽管从来未曾在实战中使用过，但军事家仍将之称为战场上的“战神”一种

38、具有核武器威力而又可用的战术武器。与原子弹和氢弹等核武器相比，中子弹具有三个显著的特点：一是早期核辐射效应强。二是爆炸释放的能量低。三是放射性污染轻，持续时间短。57大亚湾核电站5859核物理的发展不仅为人类提供了新的能源核电，而且还提供了种类繁多的同位素和辐射技术，即核技术。1995年，美国核技术应用GDP贡献4.7%，是核电的3.67倍，而我国2003年核技术对国民经济的贡献才仅为可怜的0.4%。自1995年来，我国核技术应用的平均增长率达到18%，在2009年核技术应用产值总计已达1000亿元人民币，为国民经济发展做出了突出的贡献。6061核技术是指利用原子核发出的射线以及加速器产生的粒

39、子和射线，与物质相互作用来研究物质的技术，是现代重要的技术之一。目前，核技术已广泛的运用于工业、农业、医学、资源、环境、公共安全、科研等诸多领域，并取得了显著地经济和社会效益，可以说，核技术已成为人类的朋友。62一、核技术的医学诊断和治疗核技术最初的应用是在医学领域，至今已经形成一门新学科核医学。核医学是对人体无创伤、安全而有效的诊断和治疗方法，它最重要的特点是能提供身体内各组织功能性的变化，而功能性的变化常发生在疾病的早期。核医学已经成为诊断和治疗心脏病、脑病、癌症等疾病的最佳手段之一。目前我国有1000多家医院应用了核医学技术进行临床诊断和治疗。631、放射性诊断放射性的临床诊断是利用放射

40、性核素作示放射性的临床诊断是利用放射性核素作示踪剂，通过核仪器观察示踪剂在人体脏器踪剂，通过核仪器观察示踪剂在人体脏器中的分布、强度情况和动态变化来诊断脏中的分布、强度情况和动态变化来诊断脏器是否有病变并确定病变位置。器是否有病变并确定病变位置。如甲状腺有摄取或浓集I的功能，它的摄取速度和摄取量与甲状腺的功能状态有关。口服 I-碘化物，在24h后，用和探测器在颈部甲状腺部位测量其摄取碘-131的情况，就可以判断甲状腺的功能状态。64核磁共振成像技术核磁共振成像技术是继CT（电子计算机断层扫描）后医学影像学的又一重大进步。核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的，是原子核的磁矩在满足一定条件的磁场

41、作用下所发生的共振吸收现象。核磁共振成像对组织中水变化最为敏感，是显示神经组织病变的最理想的影像学检查。65成像原理：将人体至于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量以电磁辐射释放出来，被体外的接收器收录，将生物组织的氢原子核密度分布、弛豫时间、流动效应等参数接受转换，通过电子计算机的处理，最后形成图像，作出诊断。它比CT能更灵敏的分辨出正常或异常的组织，对肿瘤的早期诊断及鉴别有很大的帮助。核磁共振成像技术66正电子发射计算机断层显像正电子发射计算机断层显像是利用加速器生产的超短半衰期同位素

42、，如F、N、O、C等作为示踪剂注入人体，参与体内的生理代谢过程。这些超短半衰期同位素是组成人体的主要元素，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对光子，被晶体探头所探测，得到高分辨率，高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生理和病理的功能级代谢情况。67它是目前进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，对脑肿瘤、癫痫、痴呆、帕金森病、抑郁症、脑血管疾病及神经性疾病等的诊断、疗效观察具有独特的作用。682、放射性治疗放射性治疗就是利用射线直接与病体组织相互作用，杀死病体组织或细胞。我们所熟知的放疗就是利用钴60的高能量射线来治疗肿瘤。我们所说的刀也是指用射线作为“

43、手术刀”来“切除”人体脑部肿瘤的.它的优点是无手术创伤，安全方便可靠，对病灶周围的脑组织损伤非常小。69二、核技术的工业应用核技术已广泛应用于工业领域的各个方面。1、利用放射性同位素的总计很容易被测出来的特点，在被测物中加入少量的放射性同位素作为示踪原子，可以显示被测物的动态过程及效果。如：在给水工程中应用示踪原子检漏；在水文地质勘探中利用放射性同位素作为指示剂来确定地下水的运动方向和流速；702、同位素射线容易被物质吸收，将它作为一种信息源可以区的工业过程中的非电参数和其他信息。密度计厚度计71核子秤离子感烟火警报警器（右）723、辐射加工它是利用电离辐射对物质和材料进行加工处理，使物质性能

44、得以改善的技术。目前已在交联电缆、热缩材料、橡胶硫化、表面固化等方面取得显著成效。例如：用高分子材料制成的聚乙烯电缆，在射线的照射下会发生很强的交联接枝反应，与普通电缆相比，阻燃性、载流量、绝缘性能和使用寿命都显著提高，这种电缆已广泛应用于机场照明。73三、核技术的农业应用同位素示踪技术在农业上的应用，解决了农业生产中的土壤、肥料、植物保护、动植物营养代谢及放射免疫等技术关键问题。它对揭示农牧渔业生产规律，改进传统栽培养殖技术，具有重要作用。74食品辐射保鲜技术随着社会生产的发展，人类贮藏食品的方法不断改进，随着社会生产的发展，人类贮藏食品的方法不断改进，从自然干燥发展、胶水、冷冻与药物处理等

45、贮藏技术。从自然干燥发展、胶水、冷冻与药物处理等贮藏技术。继这些传统贮藏方法之后发展起来的一种新的、独特继这些传统贮藏方法之后发展起来的一种新的、独特的食品辐射贮藏方法。食品的辐射贮藏，就是利用电的食品辐射贮藏方法。食品的辐射贮藏，就是利用电离辐射辐照各种食品，进行杀菌、杀虫，抑制发芽和离辐射辐照各种食品，进行杀菌、杀虫，抑制发芽和延迟成熟等，以实现保鲜。延迟成熟等，以实现保鲜。如经过辐射后的马铃薯在常温下可以抑制发芽且保藏如经过辐射后的马铃薯在常温下可以抑制发芽且保藏8 8个月之久。个月之久。食品在射线作用下吸收的剂量不同，发生的变化也不食品在射线作用下吸收的剂量不同，发生的变化也不相同。吸

46、收剂量的大小对杀虫、灭菌、抑制生长发育相同。吸收剂量的大小对杀虫、灭菌、抑制生长发育和新陈代谢的作用有直接的影响，关系到辐射保鲜的和新陈代谢的作用有直接的影响，关系到辐射保鲜的效果。所以，必须正确的测量被照食品所吸收的剂量。效果。所以，必须正确的测量被照食品所吸收的剂量。世界卫生组织已经确认，经过辐射处理的食品是无毒世界卫生组织已经确认，经过辐射处理的食品是无毒无害的，可以食用。无害的，可以食用。75植物育种和遗传据不完全统计，我国利用辐射诱变或与相关技术相结合，在40余种植物上累计育成品种630余个，超过世界各国辐射诱变育成品种总数(2252个)的14，年种植面积超过900万hm2以上，约占我国各类作物种植面积的10，每年为国家增产粮棉油33亿40亿kg。辐照育种分为外照射和内照射两种，外照射指被照射的植物接受来自外部的射线源、射线源或中子源等辐射源辐照,这种方法简便安全,可进行大量处理。内照射指将放射性物质引入植物体内进行辐照，此法容易造成污染，需要防护条件，而且被吸收的剂量也难以精确测定。76核能和核技术的广泛应用，给人类带来巨大利益的同时，也存在巨大的安全隐患和环境问题。1979年美国三哩岛核电站泄漏事故、1986年前苏联切尔诺贝利核电站爆炸事故、2011年日本福岛核电泄漏事故都造成了人员伤亡和严重的环境污染，核与辐射安全及环境问题引起了全球的关注与重视。7778