核能专业概论4

1、幻灯片1原子核物理基础幻灯片2现代原子结构原子核中子+质子电子(电子云)电子(电子云)幻灯片3 原子究竟小到什么程度？举例可以说明：一张纸的厚度相当于10000个原子的厚度。 原子虽小，但里面十分空旷，如果我们将原子放大成直径上百米的足球场，在其中央有一颗称为原子核的小米粒，其直径不到原子直径的万分之一。而它的质量却占整个原子质量的99.94%以上。原子核内含有更小的粒子质子和中子，统称为核子。原子核外部是围绕原子核不断旋转的一些粒子电子（用e表示）。 幻灯片4 除了最简单的氢原子核内只有一个质子之外，其余元素的原子核都由多个质子和中子组成的。科学家将元素原子核内的质子数定义为元素的原子序数。

2、电子的数量同质子一样多，且围绕原子核旋转。幻灯片5 中子顾名思义是中性的，它不带电荷，而质子是带正电荷的粒子，电子是带负电荷的粒子。一个质子和一个电子的电量相同，但两者的质量相差甚远，而质子和中子的质量很相近，分别为电子质量的1839和1837倍。原子的组成 中子：不带电，质量为1；质子：带正电，质量为1；电子：带负电，质量为中子的1/1837。中子和质子组成原子核，因此统称为核子。质子数量等于原子序数，中子数等于原子的质量数减原子序数。同一种元素的质子数相同。幻灯片6同位素 "同位"意思是在元素周期表中只占有一个位置,占同一个位置. 人们把原子里具有相同的质子数和不同中子

3、数的同一元素的不同种原子互称为同位素.很多种元素的原子都有同位素. 同位素中有的会放出射线，因此称放射性同位素或放射性核素，其余叫做稳定同位素。稳定同位素、放射性同位素有数千种，大多数同位素都是稳定同位素，并呈混合物状态出现在元素中。 幻灯片7同位素 2D3D氕氘氚同一个元素家族，带有不同的中子数，就是同位素。同位素具有相同的化学特性，但可能有不同的物理特性同位素中有的会放出射线，称为放射性同位素或放射性核素，其余叫做稳定同位素2H3H1H氢原子家族235U238U233U铀原子家族幻灯片8放射性放射性原子核自发地放射各种射线的现象主要射线种类1.008665 0 n中 子1.007276 +

4、1 p质 子 0 0 gg5.486×10-4 ±1 e± 4.00279 +2 4He 质 量 ( u )电荷（e)符号种类氦原子负或正电子电磁波幻灯片9 物质的放射性 有许多天然和人工生产的核素都能自发地发射出各种射线，或称辐射。射线的种类很多，a射线，b射线，宇宙射线、中子等的辐射，统称粒子辐射。射线、X射线等的辐射，统称电磁辐射。此外，还有发射正电子、质子、中子、等其它粒子。 原子核自发地放射各种射线的现象，称为放射性。能自发地放射出各种射线的核素称为放射性核素。大气层中的宇宙射线成分主要是质子、中子、p介子、m介子、电子等。 a射线：为氦原子，它的电离作

5、用大，贯穿本领小。b射线：为负或正电子，e-1或e+1，它的电离作用小，贯穿本领较大；­g射线：为一种波长很短的电磁波。只有能量，无静止质量。它的电离作用小，贯穿本领大。 幻灯片10a衰变的性质能辐射射线的物质的原子序数都大于82母核放出的粒子具有一定的动能5兆电子伏的粒子在空气中的射程约7厘米，在铅中约 0.06毫米，在人体组织中约 43微米。所以一般 辐射的粒子对人体外照射的损伤很小，通常不予考虑。但是，粒子的电离本领很大，所以要防止放射性物质进入体内产生内照射粒子能被一张薄纸阻挡 在热中子反应堆中，对反应堆材料的影响不重要幻灯片11衰变的性质带电粒子、质量小射线的能量对不同的核

6、是不同的，大致为十几千电子伏到3兆电子伏由于这种粒子的质量小，只带一个电荷，其射程比粒子长，但产生电离的能力比粒子弱完全吸收射线所需要的物质长度：铝约5毫米，铅约1毫米 幻灯片12g衰变特点从原子核中发射出光子常常在 a 或 b 衰变后核子从激发态退 激时发生产生的射线能量不连续可以通过测量光子能量来鉴定核素种类 类别幻灯片13放射性衰变规律半衰期 (T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间时间 t (T1/2 )012345n放射性原子核数目N0N0 /2N0 /4N0 /16N0 /32N0 /64N0 /2n经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原

7、有的 1/2n幻灯片14 强透射性 射线具有穿透物质的特殊能力。不同的射线种类穿透能力是不一样的。其中，a、b穿透力很小，a射线一张纸就可以隔离，b射线一层金属薄板也可以隔离，g穿透力最强，必须非常厚的混凝土或铅块才能阻挡。因此，人们害怕的放射性主要是指g射线。 射线的应用 射线的辐射能力和穿透能力同样也可以造福人类。人们利用射线的辐射效应，将其应用到各个领域，如材料改性、育种、治疗癌症、治理环境污染等，使它们为人类服务。 核技术应用常用的射线为g、中子和X光。因为这些射线不带电，所以它从原子和分子的近傍飞过时同它们的相互作用很弱，这就是它的电离本领极小，而穿透本领很强的原因。幻灯片15 如果

8、我们将当一束射线照射某一物体时，中途将不断有射线穿过物质壁面，逸出到外部，逸出的量必然同当地的物质密度等性质有关，逸出的射线如果能够被一些外部的感光材料吸收，它就可以显现出物质内部的结构。利用该特征，人们可以拍照，如用于医学及工业中的X射线照相。 如果将放射性同位素载入某种物质，例如注入人体的血液中，放射性同位素就好象惯于招摇的旅游者，它们到哪里就将射线释放到哪里，因此测量穿过人体的射线，可以跟踪同位素的动向，这种技术称为示踪。幻灯片16射线的穿透性 X-rayX 射线XCT-X射线CT扫描机PET-正电子发射断层扫描机幻灯片17自发裂变自发裂变是原子核在没有受到外界激发下而自行分裂的过程，它

9、是一种特殊类型的核衰变。这个现象是由前苏联物理学家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年发现的。质量为中等以上的核，尤其是一些重元素，如铀-236，从能量的角度讲都具有自发裂变的可能性例如，在1克的铀中每小时约有20个铀核会发生自发裂变这对于反应堆的启动有明显的帮助 幻灯片18核 反 应定义两个原子核或一个原子核和一个粒子（如中子、光子等）接近到1015米量级时，两者之间的相互作用所引起的各种变化过程称为核反应性质核反应所涉及的能量变化比一般的核衰变大得多，通常大于一个核子的结合能，可以高达1001000兆电子伏，因而它是研究原子核高激发能级的重要手段幻灯片19核反应与化学反应的区别核反应吸收或释放出

10、来的能量要比化学反应吸收或释放出来的能量大得多，例如，一个铀原子放射出射线的能量比一个碳原于燃烧释放出来的能量几乎大100万倍 核反应只涉及原子核，而与电子无关碳原子的核特性是相同的，无论是纯净的碳还是碳与其他元素的化合物（二氧化碳、石蜡、碳氢化合物等）幻灯片20重核裂变自发裂变:无需外界作用，就有自发分裂的趋势。自然界中某些质量数很大的原子核，如铀-236，有自发裂变的现象。诱发裂变：在中子轰击下发生的裂变 链式裂变反应：裂变过程中，有中子释放出来，这样就可能形成链式的裂变反应，从而源源不断地产生核能铀-235,平均每次裂变放出2.4个中子，同时放出大约200兆电子伏的能量 幻灯片21 重核

11、裂变 裂变能来自某些重核的裂变。但是如何使得重核发生分裂呢？自然界中某些质量数很大的原子核，如铀-238，无需外界作用，就有自发分裂的趋势，这种现象叫做自发裂变。重核自发裂变的概率是很小的，一公斤铀-238大约有2.5×1025个原子核，这么多原子核中，每秒大概只有7个原子核自发裂变；除了自发裂变，更多的就是重核在中子轰击下发生裂变，一般称为诱发裂变。幻灯片22 铀-235的原子核吸收一个中子后可以分裂成两个中等质量数的原子核，同时放出大约200兆电子伏的能量。因此，要能够利用裂变发生的能量，首先必须要确保裂变可以不断发生。要做到连续的裂变，就必须要有足够的中子和容易裂变的易裂变材料

12、。中子的来源通常来自裂变自身放出的中子，对于铀-235,平均每次裂变放出2.4个中子。然后，中子为何会使重核裂变呢？幻灯片23裂变核燃料的生成幻灯片24裂变产物 定义：在铀-235裂变反应时，会形成60余种不同的碎片，通过衰变产生约250种不同的核素，称为裂变产物 铀-235的裂变产物质量数分布概率曲线呈现出两个明显的峰，分别位于质量数为95和140附近铀-233和钚-239的裂变产物质量数分布概率曲线与铀-235的十分接近幻灯片25 易裂变核素在发生裂变后除了分裂成两到三个或者更多的裂变碎片后，同时会放出两三个中子。铀-235核裂变后放出的平均中子数为2.43个。 这些中子的99.3%以上是

13、在裂变的瞬间（百万分之一秒左右）放出的，称之为瞬发中子，其能量约在12兆电子伏范围内，速度为1400020000千米/秒。 另外有大约0.654%的中子是在裂变产物在衰变时逐渐放出，称为缓发中子，平均能量约在0.5兆电子伏左右。缓发中子是在裂变后持续几分钟的时间内逐渐释放出来的。按照其缓发的时间可分为六组。缓发中子的缓发时间是裂变反应能够受到控制的条件。如果都是瞬发中子，则反应堆的控制是不可能的。幻灯片26裂变能量一个铀-235核裂变方式产生的能量己知1u的总能量为931兆电子伏 0.215×931=200（兆电子伏）裂变能的存在形式裂变能的大部分（约80）是以碎片动能的形式出现的。

14、它们很快被周围的介质减速，将能量逐步交给介质约有20的能量由瞬时射线和中子带走。其余的能量随着裂变产物的放射性衰变，通过和辐射的形式逐渐放出1克铀-235核裂变释放的能量1克铀-235的原子数为： 6.023×1023235.14=2.562×10211克铀-235核全部裂变时，释放出的总能量为：5.13×1023兆电子伏，它相当于8×107千焦热量，而燃烧1克标准煤平均只能得到29千焦的热量铀235裂变释放出的能量比燃烧煤大270万倍幻灯片27裂变能量(3) 比较 : 裂变能 n + 235U ® X + Y+ DE 200 MeV 化学能

15、C + O2 ® CO2 + DE 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV幻灯片28链式裂变反应 如何才能使链式反应不变成原子弹似的在瞬间倍增，而是维持不变的核反应速率？自持式链式裂变反应核爆炸原理每次反应产生2.5个中子引起下次反应 可控链式裂变反应核电厂反应堆原理控制发生裂变的中子数 ，控制反应速度 必须保证每次裂变放出的中子只有一个用于其它核素的裂变办法是：设法用非裂变方法将裂变放出的多余中子抢走幻灯片29 自持式链式裂变反应: 每次裂变放出的能量有限，如何保证在短时间内获得大量能量，就像核爆炸或核反应堆那样呢？

16、办法是使大量铀核在短时间内裂变并能维持。费米是第一个实现链式反应的科学家。他注意到铀-235分裂时不仅能放出200兆电子伏的能量，同时还放出几个中子。这些中子有可能引起其它铀核分裂。这种重核在不靠外界作用就可能连锁式的引起其它核素的裂变反应称为自持式链式裂变反应。要维持自持式链式的反应，同是否能得到足够的用于裂变的中子数量有关。幻灯片30 链式裂变反应中，到底有多少中子产生，其中又有多少中子参与下一次的裂变反应？实验表明，对于铀-235，平均每次裂变放出的中子数为2.5个，如果大部用于下次裂变，链式反应将于爆炸式的形式倍增，释放的能量按指数规律随时间增加，这就是原子弹核芯中发生的情况。 我们并

17、不希望链式反应以爆发性的形式发生，而希望核能可以平缓地释放出来。只有控制发生裂变的中子数，才能达到控制裂变反应速度的目的，该方法称为可控链式裂变反应，这就是核电站核芯中发生的情况。幻灯片31维持链式裂变的条件-临界质量一定要维持一定量的中子数，才能保证链式反应延续中子的产生其它材料中子的吸收结构材料裂变材料幻灯片32 临界体积 ：可发生裂变的物质，产生链式反应所必须具有的最小体积。如果铀块的体积小于临界体积，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀-235而引起裂变前就已飞出铀块外去了。于是中子数目越来越少，不能使链式反应继续下去。在原子核反应堆能正常运转，即堆内链式反应能正常进行，就必须能保证由

18、原子核裂变所产生的中子，能补偿被其它核俘获（不产生裂变）或者逸出反应堆而损耗的中子，这条件只有在反应堆具有一个最低限度的体积，即临界体积时，才能实现。幻灯片33 临界体积与堆内可裂变物质，例如，同位素铀-235的含量百分比、铀和减速剂的布置方式以及其他物质存在的情况都有关，因而它不是一个常数。又如要使原子弹发生爆炸，也必须使铀块具有一个最低限度的体积，这体积也称临界体积。在设计原子核反应堆时，临界体积的计算是重要的一环。幻灯片34裂变维持的条件临界 堆芯系统内产生的中子多于损失的中子，会使裂变率不断增加超临界状态系统内中子产生率正好等于中子的消失率临界状态系统内的中子数会逐渐减少，裂变量也逐渐

19、降低次临界状态核电站主控室幻灯片35轻核聚变-热核反应轻核比结合能最大结合时质量亏损大中等核重核两个较轻的核聚合成一个较重的核，由于比结合能的巨大变化，会有大量的能量释放出来。一个氢的同位素氘核能够与另一个氢的同位素氚核聚变成一个氦核：同时放出17.2兆电子伏的能量。 发生聚变反应的条件十分苛刻,因必须在极高的压力、温度条件下，轻核才有足够的动能克服静电斥力而发生持续的聚变。氘氚氦中子聚变反应也称“热核聚变反应”或“热核反应”幻灯片36聚变反应 定义：由两个轻核聚合成一个原子核同时释放出巨大能量的过程称为原子核的核聚变，又称为热核反应。 结合能：计算表明，将两个氘核聚合成一个氦-4核时，可以释放出约20兆电子伏的聚合能，这比相同质量的铀核分裂所放出的能量大4.7倍 一些较轻的原子核，如氢、氘、氚等最容易释放出聚变能。例如氘氚反应是最有希望的一种聚变反应： 幻灯片37 氢的同位素氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。每一次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。氘氚聚变时只有5个核子参加反应，而铀235裂变时有236个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放的能量是铀235裂变释放的能量的4.14倍。幻灯片38 不仅轻原子核聚变时，每个核子释放的能量，也就