核电厂系统和设备补充

补充

裂变反应10/2/1第1页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过程，它是一个特殊类型核衰变。这个现象是由前苏联物理学家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年发觉。质量为中等以上核，尤其是一些重元素，如铀-236，从能量角度讲都含有自发裂变可能性比如，在1克铀中每小时约有20个铀核会发生自发裂变，这对于反应堆开启有显著帮助10/2/2第2页中子裂变产生中子

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14000~0千米/秒慢中子(<0.1ev)裂变后几分钟时间内逐步释放出来平均能量约在0.5兆电子伏左右10/2/3第3页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）靠近到10－15米量级时，二者之间相互作用所引发各种改变过程称为核反应性质核反应所包括能量改变比普通核衰变大得多，通常大于一个核子结合能，能够高达100~1000兆电子伏，因而它是研究原子核高激发能级主要伎俩核反应10/2/4第4页中子核反应（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10/2/5第5页（n，γ）反应中子辐射俘获反应比如113Cd（n，γ）114Cd当中子能量为0.176电子伏时，镉吸收中子能力远远大于能量小于这个数值时能力，即出现共振吸收所以经常采取镉作为吸收热中子物质。在反应堆中惯用镉作控制棒材料，吸收中子以调整反应堆功率因为中子辐射俘获反应使原子核中质比增大，反应产物常含有β－放射性，所以（n、γ）反应是人工制造β－放射性同位素有效方法瞬间产物为靶核同位素，所以对被辐射物质没有影响比如，利用铀-238中子辐射俘获反应，能够制造出核燃料钚

10/2/6第6页出射粒子是质子比如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。产生杂质原子（n，p）反应使剩下核中质比增加，中子过多，所以也是含有β－放射性，比如上例中产生剩下核碳-14就含有β－放射性因为出射粒子是质子，它除了需要足够大分离能以外，还需要有相当大能量用来克服库仑位垒，所以普通慢中子引发这种反应几率较小，重靶核发生这种反应几率很小，而轻核几率就比较大（n，p）反应10/2/7第7页出射粒子为氦核与（n，p）反应类似，慢中子引发重核（n，α）反应可能也很小，只有轻核才能发生（n，α）反应。比如：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屏蔽材料。产生杂质原子（n，α）反应10/2/8第8页（n，n）反应就是中子与原子核弹性散射，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，物质质量数愈大，中子损失能量愈小，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轻物质才行。（n，n）反应10/2/9第9页当入射中子能量足够大时，复合核处于很高激发态，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，所以含有一定反应阈。（n，2n）反应使核中质比变小，所以剩下核往往含有β+放射性。除（n，2n）反应外，当入射中子能量更高时还能够发生（n，3n）反应、（n，2np）反应等。比如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它们剩下核锰-54、铍-8、铝-26均含有β+衰变及轨道电子俘获放射性。

（n，2n）反应10/2/10第10页（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。10/2/11第11页核反应与化学反应区分核反应吸收或释放出来能量要比化学反应吸收或释放出来能量大得多，比如，一个铀原子放射出α射线能量比一个碳原于燃烧释放出来能量几乎大100万倍核反应只包括原子核，而与电子无关10/2/12第12页核子相互吸引力--核力核力含有短程强相互作用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何这么多带正电荷质子能紧密结合？电磁力重力核力原子核尺寸：10-15m原子尺寸：10-10m核力相互作用距离：（1.4~1.5）×10－15m是一个尤其强大，是当前知道最强大作用力。它是核能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，都存在相互吸引核力10/2/13第13页质能方程爱因斯坦指出：质量只是物质存在形式之一另一个形式就是能量能量和质量简单关系：E=mc2质量能量10/2/14第14页原子核结合能：1+1≠2原子核质量，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能量，称为原子核结合能10/2/15第15页结合能利用—核能每个核子平均结合能称为为比结合能元素比结合能反应该原子核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能量10/2/16第16页重核裂变自发裂变:无需外界作用，就有自发分裂趋势。自然界中一些质量数很大原子核，如铀-236，有自发裂变现象。诱发裂变：在中子轰击下发生裂变链式裂变反应：裂变过程中，有中子释放出来，这么就可能形成链式裂变反应，从而源源不停地产生核能铀-235,平均每次裂变放出2.4个中子，同时放出大约200兆电子伏能量10/2/17第17页图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，原子核接收中子后变得不稳定，从而分裂

复合核从变形到分裂需要能量，所需最小能量称为裂变临界能量

重核为何会裂变？易裂变材料外部入射自由中子材料裂变临界能量小于入射中子能量裂变条件复合核10/2/18第18页图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，所需最小能量称为裂变临界能量靶原子核复合核临界裂变能(Mev)中子结合能（Mev）钍-2326.55.1铀-2385.54.9铀-2355.36.4铀-2334.66.6钚-2394.06.4几个核素临界裂变能<<<>>易裂变材料天然核燃料可转换核素可转换核素10/2/19第19页裂变核燃料在任意能量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10/2/20第20页裂变核燃料生成10/2/21第21页裂变产物定义：在铀-235裂变反应时，会形成60余种不一样碎片，经过β衰变产生约250种不一样核素，称为裂变产物

铀-235裂变产物质量数分布概率曲线展现出两个显著峰，分别位于质量数为95和140附近铀-233和钚-239裂变产物质量数分布概率曲线与铀-235十分靠近10/2/22第22页反应堆能实现控制决定性条件！！裂变产生中子

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14000～0千米/秒慢中子(<0.1ev)裂变后几分钟时间内逐步释放出来平均能量约在0.5兆电子伏左右10/2/23第23页裂变能量(1)

反应前后质量裂变前质量(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）

10/2/24第24页裂变能量(2)

一个铀-235核裂变方式产生能量己知1u总能量为931兆电子伏0.215×931=200（兆电子伏）裂变能存在形式裂变能大部分（约80％）是以碎片动能形式出现。它们很快被周围介质减速，将能量逐步交给介质约有20％能量由瞬时γ射线和中子带走。其余能量伴随裂变产物放射性衰变，经过β和γ辐射形式逐步放出1克铀-235核裂变释放能量1克铀-235原子数为：6.023×1023／235.14=2.562×10211克铀-235核全部裂变时，释放出总能量为：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29千焦热量铀－235裂变释放出能量比燃烧煤大270万倍10/2/25第25页裂变能量(3)比较:

裂变能n+235U

X+Y+E200MeV

化学能

C+O2

CO2+

E

4ev

汽油与氧爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸本身释放能量，每个分子30eV10/2/26第26页链式裂变反应

自持式链式裂变反应核爆炸原理每次反应产生2.5个中子引发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中子数，控制反应速度怎样才能使链式反应不变成原子弹似在瞬间倍增，而是维持不变核反应速率？必须确保每次裂变放出中子只有一个用于其它核素裂变方法是：设法用非裂变方法将裂变放出多出中子抢走10/2/27第27页维持链式裂变条件--临界质