核電廠系統(tǒng)與設(shè)備01章補(bǔ)充課件

2023/6/91自發(fā)裂變自發(fā)裂變是原子核在沒(méi)有受到外界激發(fā)下而自行分裂的過(guò)程，它是一種特殊類型的核衰變。這個(gè)現(xiàn)象是由前蘇聯(lián)物理學(xué)家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年發(fā)現(xiàn)的。質(zhì)量為中等以上的核，尤其是一些重元素，如鈾-236，從能量的角度講都具有自發(fā)裂變的可能性例如，在1克鈾中每小時(shí)約有20個(gè)鈾核會(huì)發(fā)生自發(fā)裂變，這對(duì)于反應(yīng)堆的啟動(dòng)有明顯的幫助2023/6/92中子裂變產(chǎn)生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬發(fā)中子0.65%緩發(fā)中子裂變后百萬(wàn)分之一秒左右放出能量約在1~2兆電子伏范圍內(nèi)，速度為14000~20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂變后幾分鐘的時(shí)間內(nèi)逐漸釋放出來(lái)平均能量約在0.5兆電子伏左右2023/6/93定義兩個(gè)原子核或一個(gè)原子核和一個(gè)粒子（如中子、γ光子等）接近到10－15米量級(jí)時(shí)，兩者之間的相互作用所引起的各種變化過(guò)程稱為核反應(yīng)性質(zhì)核反應(yīng)所涉及的能量變化比一般的核衰變大得多，通常大于一個(gè)核子的結(jié)合能，可以高達(dá)100~1000兆電子伏，因而它是研究原子核高激發(fā)能級(jí)的重要手段核反應(yīng)2023/6/94中子核反應(yīng)（n，γ）反應(yīng)（n，p）反應(yīng)（n，α）反應(yīng)（n，n）反應(yīng)（n，2n）反應(yīng)（n，f）反應(yīng)質(zhì)子中子α粒子，氦原子核裂變2023/6/95（n，γ）反應(yīng)中子輻射俘獲反應(yīng)例如113Cd（n，γ）114Cd當(dāng)中子能量為0.176電子伏時(shí)，鎘吸收中子的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于能量小于這個(gè)數(shù)值時(shí)的能力，即出現(xiàn)共振吸收因此經(jīng)常采用鎘作為吸收熱中子的物質(zhì)。在反應(yīng)堆中常用鎘作控制棒的材料，吸收中子以調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率由于中子輻射俘獲反應(yīng)使原子核的中質(zhì)比增大，反應(yīng)產(chǎn)物常具有β－放射性，所以（n、γ）反應(yīng)是人工制造β－放射性同位素的有效方法瞬間產(chǎn)物為靶核的同位素，因此對(duì)被輻射物質(zhì)沒(méi)有影響例如，利用鈾-238中子輻射俘獲反應(yīng)，可以制造出核燃料钚

2023/6/96出射粒子是質(zhì)子例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。產(chǎn)生雜質(zhì)原子（n，p）反應(yīng)使剩余核的中質(zhì)比增加，中子過(guò)多，所以也是具有β－放射性的，例如上例中產(chǎn)生的剩余核碳-14就具有β－放射性由于出射粒子是質(zhì)子，它除了需要足夠大的分離能以外，還需要有相當(dāng)大能量用來(lái)克服庫(kù)侖位壘，所以一般慢中子引起這種反應(yīng)的幾率較小，重靶核發(fā)生這種反應(yīng)的幾率很小，而輕核的幾率就比較大（n，p）反應(yīng)2023/6/97出射粒子為氦核與（n，p）反應(yīng)類似，慢中子引起重核的（n，α）反應(yīng)的可能也很小，只有輕核才能發(fā)生（n，α）反應(yīng)。例如：10B（n，α）7Li反應(yīng)等，其熱中子吸收截面很大，所以常利用硼-10和鋰-6作為中子探測(cè)器，利用含硼石蠟作為快中子的屏蔽材料。產(chǎn)生雜質(zhì)原子（n，α）反應(yīng)2023/6/98（n，n）反應(yīng)就是中子與原子核的彈性散射，中子在散射后，運(yùn)動(dòng)方向和動(dòng)能都發(fā)生了改變，靶核則受到反沖。中子與物質(zhì)相撞，物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)愈大，中子損失的能量愈小，這說(shuō)明在防護(hù)中子輻照時(shí)，不能像防護(hù)γ射線那樣選擇重物質(zhì)作屏蔽材料，而是要選擇質(zhì)量數(shù)較小的輕物質(zhì)才行。（n，n）反應(yīng)2023/6/99當(dāng)入射中子的能量足夠大時(shí)，復(fù)合核處于很高的激發(fā)態(tài)，以致足以釋放出二個(gè)中子，即（n，2n）反應(yīng)。這種反應(yīng)是吸能反應(yīng)，因此具有一定的反應(yīng)閾。（n，2n）反應(yīng)使核的中質(zhì)比變小，所以剩余核往往具有β+放射性。除（n，2n）反應(yīng)外，當(dāng)入射中子能量更高時(shí)還可以發(fā)生（n，3n）反應(yīng)、（n，2np）反應(yīng)等。例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它們的剩余核錳-54、鈹-8、鋁-26均具有β+衰變及軌道電子俘獲放射性。

（n，2n）反應(yīng)2023/6/910（n，f）反應(yīng)中子與重核作用，重核分裂成兩個(gè)碎片，平均放出2~3個(gè)中子，并放出大量熱量。2023/6/911核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的區(qū)別核反應(yīng)吸收或釋放出來(lái)的能量要比化學(xué)反應(yīng)吸收或釋放出來(lái)的能量大得多，例如，一個(gè)鈾原子放射出α射線的能量比一個(gè)碳原于燃燒釋放出來(lái)的能量幾乎大100萬(wàn)倍核反應(yīng)只涉及原子核，而與電子無(wú)關(guān)2023/6/912核子的相互吸引力--核力核力具有短程強(qiáng)相互作用的能力它比電磁相互作用強(qiáng)130倍左右，作用距離只在鄰近核子之間為什么這么多的帶正電荷的質(zhì)子能緊密結(jié)合？電磁力重力核力原子核的尺寸：10-15m原子的尺寸：10-10m核力的相互作用距離：（1.4~1.5）×10－15m是一種特別強(qiáng)大的，是目前知道的最強(qiáng)大的作用力。它是核能的起源核力與電荷無(wú)關(guān)，質(zhì)子和質(zhì)子、中子和中子、質(zhì)子和中子之間，都存在相互吸引的核力2023/6/913質(zhì)能方程愛(ài)因斯坦指出：質(zhì)量只是物質(zhì)存在的形式之一另一種形式就是能量能量和質(zhì)量的簡(jiǎn)單關(guān)系：E=mc2質(zhì)量能量2023/6/914原子核結(jié)合能：1+1≠2原子核的質(zhì)量，小于組成它中子和質(zhì)子質(zhì)量之和核子在結(jié)合形成原子核前后的質(zhì)量差值，稱為質(zhì)量虧損按質(zhì)能方程，這部分質(zhì)量就對(duì)應(yīng)于核子在結(jié)合時(shí)放出的能量，稱為原子核的結(jié)合能2023/6/915結(jié)合能的利用—核能每個(gè)核子的平均結(jié)合能稱為為比結(jié)合能元素的比結(jié)合能反映該原子核的核子結(jié)合緊密程度中等核比結(jié)合能最大(質(zhì)量虧損大)輕核和重核的比結(jié)合能小(質(zhì)量虧損小)輕核比結(jié)合能最大結(jié)合時(shí)質(zhì)量虧損大中等核重核重核中等核重核裂變質(zhì)量虧損輕核輕核聚變輕核中等核質(zhì)量虧損可被利用的能量2023/6/916重核裂變自發(fā)裂變:無(wú)需外界作用，就有自發(fā)分裂的趨勢(shì)。自然界中某些質(zhì)量數(shù)很大的原子核，如鈾-236，有自發(fā)裂變的現(xiàn)象。誘發(fā)裂變：在中子轟擊下發(fā)生的裂變鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)：裂變過(guò)程中，有中子釋放出來(lái)，這樣就可能形成鏈?zhǔn)降牧炎兎磻?yīng)，從而源源不斷地產(chǎn)生核能鈾-235,平均每次裂變放出2.4個(gè)中子，同時(shí)放出大約200兆電子伏的能量2023/6/917圖2-7液滴裂變機(jī)制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能核裂變是中子轟擊原子核，原子核接受中子后變得不穩(wěn)定，從而分裂

復(fù)合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量稱為裂變臨界能量

重核為何會(huì)裂變？易裂變的材料外部入射的自由中子材料的裂變臨界能量小于入射中子的能量裂變的條件復(fù)合核2023/6/918圖2-7液滴裂變機(jī)制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能裂變臨界能量

復(fù)合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量稱為裂變臨界能量靶原子核復(fù)合核的臨界裂變能(Mev)中子的結(jié)合能（Mev）釷-2326.55.1鈾-2385.54.9鈾-2355.36.4鈾-2334.66.6钚-2394.06.4幾種核素的臨界裂變能<<<>>易裂變材料天然的核燃料可轉(zhuǎn)換核素可轉(zhuǎn)換核素2023/6/919裂變核燃料在任意能量的中子作用下發(fā)生核裂變反應(yīng)，這些核素稱為易裂變核素，鈾-235鈾-233钚-239钚-241在天然鈾中，鈾-235只占0.72%鈾-238約99.28%鈣鈾云母銅鈾云母天然鈾2023/6/920裂變核燃料的生成2023/6/921裂變產(chǎn)物定義：在鈾-235裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)形成60余種不同的碎片，通過(guò)β衰變產(chǎn)生約250種不同的核素，稱為裂變產(chǎn)物

鈾-235的裂變產(chǎn)物質(zhì)量數(shù)分布概率曲線呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的峰，分別位于質(zhì)量數(shù)為95和140附近鈾-233和钚-239的裂變產(chǎn)物質(zhì)量數(shù)分布概率曲線與鈾-235的十分接近2023/6/922反應(yīng)堆能實(shí)現(xiàn)控制的決定性條件！！裂變產(chǎn)生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬發(fā)中子0.65%緩發(fā)中子裂變后百萬(wàn)分之一秒左右放出能量約在1～2兆電子伏范圍內(nèi)，速度為14000～20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂變后幾分鐘的時(shí)間內(nèi)逐漸釋放出來(lái)平均能量約在0.5兆電子伏左右2023/6/923裂變能量(1)

反應(yīng)前后的質(zhì)量裂變前質(zhì)量(u)裂變后質(zhì)量(u)235U235.12495Kr94.945n1.00867139Ba138.955

2n2.01734總計(jì)236.13267

235.917質(zhì)量虧損：236.13267-235.917＝0.215（u）

2023/6/924裂變能量(2)

一個(gè)鈾-235核裂變方式產(chǎn)生的能量己知1u的總能量為931兆電子伏

0.215×931=200（兆電子伏）裂變能的存在形式裂變能的大部分（約80％）是以碎片動(dòng)能的形式出現(xiàn)的。它們很快被周圍的介質(zhì)減速，將能量逐步交給介質(zhì)約有20％的能量由瞬時(shí)γ射線和中子帶走。其余的能量隨著裂變產(chǎn)物的放射性衰變，通過(guò)β和γ輻射的形式逐漸放出1克鈾-235核裂變釋放的能量1克鈾-235的原子數(shù)為：

6.023×1023／235.14=2.562×10211克鈾-235核全部裂變時(shí)，釋放出的總能量為：5.13×1023兆電子伏，它相當(dāng)于8×107千焦熱量，而燃燒1克標(biāo)準(zhǔn)煤平均只能得到29千焦的熱量鈾－235裂變釋放出的能量比燃燒煤大270萬(wàn)倍2023/6/925裂變能量(3)比較:

裂變能n+235U

X+Y+E200MeV

化學(xué)能

C+O2

CO2+

E

4ev

汽油與氧的爆炸，一個(gè)分子釋放40-50eVTNT爆炸自身釋放能量，每個(gè)分子30eV2023/6/926鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)

自持式鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)核爆炸原理每次反應(yīng)產(chǎn)生2.5個(gè)中子引起下次反應(yīng)可控鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)核電廠反應(yīng)堆原理控制發(fā)生裂變的中子數(shù)，控制反應(yīng)速度如何才能使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不變成原子彈似的在瞬間倍增，而是維持不變的核反應(yīng)速率？必須保證每次裂變放出的中子只有一個(gè)用于其它核素的裂變辦法是：設(shè)法用非裂變方法將裂變放出的多余中子搶走2023/6/