新能源发电技术 电子课件 2.1 核反应堆的物理基础

2.1核反应堆的物理基础任课老师：于立军2019年03月目录Contents2.1.1核物理基础2.1.2核反应基础2.1.3核裂变反应相关2.1.4自持链式核裂变反应目录Contents2.1.1核物理基础2.1.2核反应基础2.1.3核裂变反应相关2.1.4自持链式核裂变反应铀-235裂变:8.32×1013J/kg铀=2000t汽油氘聚变：3.5×1014J/kg=4kg铀重要反应核燃料增殖过程核裂变反应2.1.1.1原子核的组成03原子质量单位02组成01质子中子

原子核2.1.1.2核力

饱和性短程力强相互作用力2.1.1.3核的结合能其核子的质量总和聚合释放能量新原子核的质量<

m为质量亏损2.1.1.3核的结合能比结合能=总的结合能原子核质量数核能计算在原子能领域内，一般用电子伏特（eV）、（MeV）作为能量单位。1u质量相当于为931MeV；1MeV=1.6021

10-13J。2.核聚变反应质量亏损为0.0276u，则核聚变反应式＋MeV3.如果核裂变反应式+200MeV（0.215u），1g铀含有2.6

1021个铀原子，问完全裂变放出多少热量（kJ）？思考题：1.m质量的质量亏损相当于能量E=，E的单位为MeV，m的单位为u2.6

1021

200=5.2

1023MeV=8.33

107kJ1克铀-235裂变释放的热量:相当于3吨标准煤燃烧释放的热量2.1.1.4核的放射性当原子核内中子数与质子数的比例超出与质量数相应的稳定界限时，这种核将通过放射性衰变的方式向着更稳定的方向自发地变化。穿透能力比较2.1.1.4核的放射性半衰期：放射性原子数量衰减到初始数量的一半时所需要的时间周期。

目录Contents2.1.1核物理基础2.1.2核反应基础2.1.3核裂变反应相关2.1.4自持链式核裂变反应2.1.2.1核反应的定义核反应是指外来粒子引起某原子核发生变化的反应铀核裂变氘氚核聚变2.1.2.2中子与原子核的相互作用中子触发核反应的原理：中子与原子核结合之后，核的平均结合能造成了超出核素可以保持稳定的扰动，导致核素趋向生成了更加稳定的核素。2.1.2.2中子与原子核的相互作用Step.1吸收中子动能转为内能处于激发态回到基态释放能量Step.2Step.3Step.4Step.5复合核的形成反应堆主要的中子和原子核的相互作用形式2.1.2.2中子与原子核的相互作用中子触发核反应的原理：中子与原子核结合之后，核的平均结合能造成了超出核素可以保持稳定的扰动，导致核素趋向生成了更加稳定的核素。最简单的也是很主要的核反应，它是中子波和核表面势相互作用的结果，中子并未进入耙核入射中子直接与耙核内的某个核子碰撞。这种情况要求中子的能量极大，基本可以不予考虑2.1.2.3反应截面和核反应率

2.1.2.3反应截面和核反应率宏观截面：一个中子与单位体积内原子核发生核反应平均几率的度量一个中子穿行单位距离与核发生相互作用的几率大小的一种度量。

2.1.2.3反应截面和核反应率核反应率：单位时间单位体积内发生核反应的次数

宏观截面和中子通量的乘积目录Contents2.1.1核物理基础2.1.2核反应基础2.1.3核裂变反应相关2.1.4自持链式核裂变反应2.1.3.1核燃料裂变临界能量：复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量每消耗一个易裂变核所生成的新易裂变核核数称为转换比

生成新易裂变核的数目消耗新易裂变核的数目r=核燃料增殖注：天然铀中有铀-235的含量仅为0.7%，其余99.3%为铀-238（非裂变元素）。核燃料增殖过程核裂变反应r﹤1时反应堆称为转换堆

设初始的核燃料量M0，M0被消耗掉以后，会产生rM0的新燃料，进一步又能得到r2M0，依此类推，总共可供使用的核燃料量为（中间可能需要停炉）：r﹥=1时反应堆称为增殖堆

反应堆消耗1kg的核燃料的同时，还能生产出超过1kg的新核燃料，这种增殖型反应堆。不仅可以大量发电，而且可以逐渐积累核燃料，经过一定时间的运行，将反应堆内产生的新核燃料提取，又可建造新的核反应堆。这种反应堆充分利用了自然界大量蕴藏的非裂变核燃料，使核电站反应堆成为一座可裂变核燃料的加工厂，为核电站提供了丰富的核燃料资源。

M0新堆的循环量，G为增殖堆每天消耗的裂变燃料。

倍增时间D=，单位为天数。思考：r有无理论上限？2.1.3.2核裂变产物的分布和能量常规的核反应堆中，热中子与靶核碰撞，形成复合核，发生（n,f）反应，由于激发的能量是分配在许多核子上的，所以可能的产物有很多能量分布2.1.3.3中子的慢化平均对数能降增量：每次碰撞中子能量的自然对数的平均变化值

慢化剂2.1.3.4核裂变反应堆功率

核燃料消耗速率

目录Contents2.1.1核物理基础2.1.2核反应基础2.1.3核裂变反应相关2.1.4自持链式核裂变反应2.1.4.1自持链式核裂变反应机理自持链式裂变反应：不依靠外来中子的补充，就能持续裂变下去的核反应。中子被核燃料吸收，发生裂变中子被核燃料吸收，却不发生裂变中子被慢化剂、冷却剂、结构材料等有害吸收中子被泄露2.1.4.2有效增殖系数

反应堆超临界反应堆临界反应堆次临界2.1.4.3反应堆内中子循环剩余96个热中子

漏失、被慢化剂和结构材料俘获剩余76个热中子中子循环剩余76个热中子第二代100个快中子被235U俘获发生裂变思考题与习题：原子核由哪些粒子组成，分别用什