核电厂系统与设备01章补充-课件

补充

裂变反应12/19/20221补充

裂变反应12/17/20221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12/19/20222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中子裂变产生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬发中子0.65%缓发中子裂变后百万分之一秒左右放出能量约在1~2兆电子伏范围内，速度为14000~20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂变后几分钟的时间内逐渐释放出来平均能量约在0.5兆电子伏左右12/19/20223中子裂变产生的中子快中子（>0.1Mev）99.3%0.6定义两个原子核或一个原子核和一个粒子（如中子、γ光子等）接近到10－15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100~1000兆电子伏，因而它是研究原子核高激发能级的重要手段核反应12/19/20224定义核反应12/17/20224中子核反应（n，γ）反应（n，p）反应（n，α）反应（n，n）反应（n，2n）反应（n，f）反应质子中子α粒子，氦原子核裂变12/19/20225中子核反应（n，γ）反应质子中子α粒子，氦原子核裂变12/1（n，γ）反应中子辐射俘获反应例如113Cd（n，γ）114Cd当中子能量为0.176电子伏时，镉吸收中子的能力远远大于能量小于这个数值时的能力，即出现共振吸收因此经常采用镉作为吸收热中子的物质。在反应堆中常用镉作控制棒的材料，吸收中子以调节反应堆功率由于中子辐射俘获反应使原子核的中质比增大，反应产物常具有β－放射性，所以（n、γ）反应是人工制造β－放射性同位素的有效方法瞬间产物为靶核的同位素，因此对被辐射物质没有影响例如，利用铀-238中子辐射俘获反应，可以制造出核燃料钚

12/19/20226（n，γ）反应中子辐射俘获反应12/17/20226出射粒子是质子例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。产生杂质原子（n，p）反应使剩余核的中质比增加，中子过多，所以也是具有β－放射性的，例如上例中产生的剩余核碳-14就具有β－放射性由于出射粒子是质子，它除了需要足够大的分离能以外，还需要有相当大能量用来克服库仑位垒，所以一般慢中子引起这种反应的几率较小，重靶核发生这种反应的几率很小，而轻核的几率就比较大（n，p）反应12/19/20227出射粒子是质子（n，p）反应12/17/20227出射粒子为氦核与（n，p）反应类似，慢中子引起重核的（n，α）反应的可能也很小，只有轻核才能发生（n，α）反应。例如：10B（n，α）7Li反应等，其热中子吸收截面很大，所以常利用硼-10和锂-6作为中子探测器，利用含硼石蜡作为快中子的屏蔽材料。产生杂质原子（n，α）反应12/19/20228（n，α）反应12/17/20228（n，n）反应就是中子与原子核的弹性散射，中子在散射后，运动方向和动能都发生了改变，靶核则受到反冲。中子与物质相撞，物质的质量数愈大，中子损失的能量愈小，这说明在防护中子辐照时，不能像防护γ射线那样选择重物质作屏蔽材料，而是要选择质量数较小的轻物质才行。（n，n）反应12/19/20229（n，n）反应12/17/20229当入射中子的能量足够大时，复合核处于很高的激发态，以致足以释放出二个中子，即（n，2n）反应。这种反应是吸能反应，因此具有一定的反应阈。（n，2n）反应使核的中质比变小，所以剩余核往往具有β+放射性。除（n，2n）反应外，当入射中子能量更高时还可以发生（n，3n）反应、（n，2np）反应等。例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它们的剩余核锰-54、铍-8、铝-26均具有β+衰变及轨道电子俘获放射性。

（n，2n）反应12/19/202210（n，2n）反应12/17/202210（n，f）反应中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平均放出2~3个中子，并放出大量热量。12/19/202211（n，f）反应中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平均放出2核反应与化学反应的区别核反应吸收或释放出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α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12/19/202212核反应与化学反应的区别核反应吸收或释放出来的能量要比化学反应核子的相互吸引力--核力核力具有短程强相互作用的能力它比电磁相互作用强130倍左右，作用距离只在邻近核子之间为什么这么多的带正电荷的质子能紧密结合？电磁力重力核力原子核的尺寸：10-15m原子的尺寸：10-10m核力的相互作用距离：（1.4~1.5）×10－15m是一种特别强大的，是目前知道的最强大的作用力。它是核能的起源核力与电荷无关，质子和质子、中子和中子、质子和中子之间，都存在相互吸引的核力12/19/202213核子的相互吸引力--核力核力具有短程强相互作用的能力为什么这质能方程爱因斯坦指出：质量只是物质存在的形式之一另一种形式就是能量能量和质量的简单关系：E=mc2质量能量12/19/202214质能方程爱因斯坦指出：质量能量12/17/202214原子核结合能：1+1≠2原子核的质量，小于组成它中子和质子质量之和核子在结合形成原子核前后的质量差值，称为质量亏损按质能方程，这部分质量就对应于核子在结合时放出的能量，称为原子核的结合能12/19/202215原子核结合能：1+1≠2原子核的质量，小于组成它中子和质子质结合能的利用—核能每个核子的平均结合能称为为比结合能元素的比结合能反映该原子核的核子结合紧密程度中等核比结合能最大(质量亏损大)轻核和重核的比结合能小(质量亏损小)轻核比结合能最大结合时质量亏损大中等核重核重核中等核重核裂变质量亏损轻核轻核聚变轻核中等核质量亏损可被利用的能量12/19/202216结合能的利用—核能每个核子的平均结合能称为为比结合能轻核比结重核裂变自发裂变: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12/19/202217重核裂变自发裂变:无需外界作用，就有自发分裂的趋势。自然界中图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能核裂变是中子轰击原子核，原子核接受中子后变得不稳定，从而分裂

复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量称为裂变临界能量

重核为何会裂变？易裂变的材料外部入射的自由中子材料的裂变临界能量小于入射中子的能量裂变的条件复合核12/19/202218图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能核裂图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能裂变临界能量

复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量称为裂变临界能量靶原子核复合核的临界裂变能(Mev)中子的结合能（Mev）钍-2326.55.1铀-2385.54.9铀-2355.36.4铀-2334.66.6钚-2394.06.4几种核素的临界裂变能<<<>>易裂变材料天然的核燃料可转换核素可转换核素12/19/202219图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能裂变裂变核燃料在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为易裂变核素，铀-235铀-233钚-239钚-241在天然铀中，铀-235只占0.72%铀-238约99.28%鈣铀云母铜铀云母天然铀12/19/202220裂变核燃料在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为裂变核燃料的生成12/19/202221裂变核燃料的生成12/17/202221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β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12/19/202222裂变产物定义：在铀-235裂变反应时，会形成60余种不同的反应堆能实现控制的决定性条件！！裂变产生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬发中子0.65%缓发中子裂变后百万分之一秒左右放出能量约在1～2兆电子伏范围内，速度为14000～20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂变后几分钟的时间内逐渐释放出来平均能量约在0.5兆电子伏左右12/19/202223反应堆能实现控制的决定性条件！！裂变产生的中子快中子（>0裂变能量(1)

反应前后的质量裂变前质量(u)裂变后质量(u)235U235.12495Kr94.945n1.00867139Ba138.955

2n2.01734总计236.13267

235.917质量亏损：236.13267-235.917＝0.215（u）

12/19/202224裂变能量(1)反应前后的质量裂变前质量(u)裂变后质量(裂变能量(2)

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。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γ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β和γ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：6.023×1023／235.14=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12/19/202225裂变能量(2)一个铀-235核裂变方式产生的能量12/17裂变能量(3)比较:

裂变能n+235U

X+Y+E200MeV

化学能

C+O2

CO2+

E

4ev

汽油与氧的爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量，每个分子30eV12/19/202226裂变能量(3)比较:裂变能n+235U链式裂变反应

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？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12/19/202227链式裂变反应自持式链式裂变反应如何才能使链式反应不变成原子维持链式裂变的条件--临界质量产生的中子数>=被吸收的中子数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临界体积12/19/202228维持链式裂变的条件--临界质量产生的中子数>=被吸收的中子数裂变维持的条件－临界

临界：堆芯产生的中子数=堆芯被吸收的中子数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，裂变量也逐渐降低次临界状态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核电站主控室堆芯12/19/202229裂变维持的条件－临界临界：堆芯产生的中子数=堆芯被吸收的中12/19/20223012/17/202230补充

裂变反应12/19/202231补充

裂变反应12/17/20221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12/19/202232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中子裂变产生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬发中子0.65%缓发中子裂变后百万分之一秒左右放出能量约在1~2兆电子伏范围内，速度为14000~20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂变后几分钟的时间内逐渐释放出来平均能量约在0.5兆电子伏左右12/19/202233中子裂变产生的中子快中子（>0.1Mev）99.3%0.6定义两个原子核或一个原子核和一个粒子（如中子、γ光子等）接近到10－15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100~1000兆电子伏，因而它是研究原子核高激发能级的重要手段核反应12/19/202234定义核反应12/17/20224中子核反应（n，γ）反应（n，p）反应（n，α）反应（n，n）反应（n，2n）反应（n，f）反应质子中子α粒子，氦原子核裂变12/19/202235中子核反应（n，γ）反应质子中子α粒子，氦原子核裂变12/1（n，γ）反应中子辐射俘获反应例如113Cd（n，γ）114Cd当中子能量为0.176电子伏时，镉吸收中子的能力远远大于能量小于这个数值时的能力，即出现共振吸收因此经常采用镉作为吸收热中子的物质。在反应堆中常用镉作控制棒的材料，吸收中子以调节反应堆功率由于中子辐射俘获反应使原子核的中质比增大，反应产物常具有β－放射性，所以（n、γ）反应是人工制造β－放射性同位素的有效方法瞬间产物为靶核的同位素，因此对被辐射物质没有影响例如，利用铀-238中子辐射俘获反应，可以制造出核燃料钚

12/19/202236（n，γ）反应中子辐射俘获反应12/17/20226出射粒子是质子例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。产生杂质原子（n，p）反应使剩余核的中质比增加，中子过多，所以也是具有β－放射性的，例如上例中产生的剩余核碳-14就具有β－放射性由于出射粒子是质子，它除了需要足够大的分离能以外，还需要有相当大能量用来克服库仑位垒，所以一般慢中子引起这种反应的几率较小，重靶核发生这种反应的几率很小，而轻核的几率就比较大（n，p）反应12/19/202237出射粒子是质子（n，p）反应12/17/20227出射粒子为氦核与（n，p）反应类似，慢中子引起重核的（n，α）反应的可能也很小，只有轻核才能发生（n，α）反应。例如：10B（n，α）7Li反应等，其热中子吸收截面很大，所以常利用硼-10和锂-6作为中子探测器，利用含硼石蜡作为快中子的屏蔽材料。产生杂质原子（n，α）反应12/19/202238（n，α）反应12/17/20228（n，n）反应就是中子与原子核的弹性散射，中子在散射后，运动方向和动能都发生了改变，靶核则受到反冲。中子与物质相撞，物质的质量数愈大，中子损失的能量愈小，这说明在防护中子辐照时，不能像防护γ射线那样选择重物质作屏蔽材料，而是要选择质量数较小的轻物质才行。（n，n）反应12/19/202239（n，n）反应12/17/20229当入射中子的能量足够大时，复合核处于很高的激发态，以致足以释放出二个中子，即（n，2n）反应。这种反应是吸能反应，因此具有一定的反应阈。（n，2n）反应使核的中质比变小，所以剩余核往往具有β+放射性。除（n，2n）反应外，当入射中子能量更高时还可以发生（n，3n）反应、（n，2np）反应等。例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它们的剩余核锰-54、铍-8、铝-26均具有β+衰变及轨道电子俘获放射性。

（n，2n）反应12/19/202240（n，2n）反应12/17/202210（n，f）反应中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平均放出2~3个中子，并放出大量热量。12/19/202241（n，f）反应中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平均放出2核反应与化学反应的区别核反应吸收或释放出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α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12/19/202242核反应与化学反应的区别核反应吸收或释放出来的能量要比化学反应核子的相互吸引力--核力核力具有短程强相互作用的能力它比电磁相互作用强130倍左右，作用距离只在邻近核子之间为什么这么多的带正电荷的质子能紧密结合？电磁力重力核力原子核的尺寸：10-15m原子的尺寸：10-10m核力的相互作用距离：（1.4~1.5）×10－15m是一种特别强大的，是目前知道的最强大的作用力。它是核能的起源核力与电荷无关，质子和质子、中子和中子、质子和中子之间，都存在相互吸引的核力12/19/202243核子的相互吸引力--核力核力具有短程强相互作用的能力为什么这质能方程爱因斯坦指出：质量只是物质存在的形式之一另一种形式就是能量能量和质量的简单关系：E=mc2质量能量12/19/202244质能方程爱因斯坦指出：质量能量12/17/202214原子核结合能：1+1≠2原子核的质量，小于组成它中子和质子质量之和核子在结合形成原子核前后的质量差值，称为质量亏损按质能方程，这部分质量就对应于核子在结合时放出的能量，称为原子核的结合能12/19/202245原子核结合能：1+1≠2原子核的质量，小于组成它中子和质子质结合能的利用—核能每个核子的平均结合能称为为比结合能元素的比结合能反映该原子核的核子结合紧密程度中等核比结合能最大(质量亏损大)轻核和重核的比结合能小(质量亏损小)轻核比结合能最大结合时质量亏损大中等核重核重核中等核重核裂变质量亏损轻核轻核聚变轻核中等核质量亏损可被利用的能量12/19/202246结合能的利用—核能每个核子的平均结合能称为为比结合能轻核比结重核裂变自发裂变: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12/19/202247重核裂变自发裂变:无需外界作用，就有自发分裂的趋势。自然界中图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能核裂变是中子轰击原子核，原子核接受中子后变得不稳定，从而分裂

复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量称为裂变临界能量

重核为何会裂变？易裂变的材料外部入射的自由中子材料的裂变临界能量小于入射中子的能量裂变的条件复合核12/19/202248图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能核裂图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能裂变临界能量

复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量称为裂变临界能量靶原子核复合核的临界裂变能(Mev)中子的结合能（Mev）钍-2326.55.1铀-2385.54.9铀-2355.36.4铀-2334.66.6钚-2394.06.4几种核素的临界裂变能<<<>>易裂变材料天然的核燃料可转换核素可转换核素12/19/202249图2-7液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型裂变临界能裂变裂变核燃料在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为易裂变核素，铀-235铀-233钚-239钚-241在天然铀中，铀-235只占0.72%铀-238约99.28%鈣铀云母铜铀云母天然铀12/19/202250裂变核燃料在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为裂变核燃料的生成12/19/202251裂变核燃料的生成12/17/202221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β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12/19/202252裂变产物定义：在铀-235裂变反应时，会形成60余种不同的反应堆能实现控制的决定性条件！！裂变产生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬发中子0.65%缓发中子裂变后百万分之一秒左右放出能量约在1～2兆电子伏范围内，速度为14000～20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂变后几分钟的时间内逐渐释放出来平均能量约在0.5兆电子伏左右12/19/202253反应堆能实现控制的决定性条件！！裂变产生的中子快中子（>0裂变能量(1)

反应前后的质量裂变前质量(u)裂变后质量(u)235U235.12495Kr94.945n1.00867139Ba138.955

2n2.01734总计236.13267

235.917质量亏损：236.13267-235.917＝0.215（u）

12/19/202254裂变能量(1)反应前后的质量裂变前质量(u)裂变后质量(裂变能量(2)

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％