核裂变与核聚变优秀课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 核裂变与核聚变,Nuclear Fission Nuclear Fusion,1,5.1,原子核的裂变反应,1,、自发裂变和诱发裂变,自发裂变,：没有外来粒子轰击，原,子核,自行裂变,的现象。,诱发裂变,：在外来粒子,轰击下,，原,子核,才发生裂变,的现象。,2,(1),自发裂变,(a),自发裂变的,一般表达式,：,其中,(b),自发裂变的,裂变能,由能量守恒：,3,发生自发裂变的条件：,从比结合能曲线看，,A90,即可满足该条件,(c),原子核的稳定性与裂变势垒,与,衰变的势垒穿透类似，,原子核自发裂变也要穿透一个势垒,，称为,裂变势垒,。自发裂变半衰期对于裂变势垒的高度非常敏感。,4,以,考德威尔公式,描述自发裂变半衰期对于裂变势垒高度的关系：,上式中为什么会出现 因子？,按,液滴模型,，,裂变时有两种力相互竞争,：,表面张力,将力图使原子核保持球形；,库仑力,将使核的形变增大，最终有可能使它拉长而裂变。为此，定义,裂变参数,：,5,裂变势垒的近似公式（,2/3,x,1,）：,表明随 的,加大,，,裂变势垒高度降低,。因而,自发裂变的概率增加,。,对,较小的核,，,尽管满足,但因,裂变势垒太高,，,很难穿透势垒,，所以，,这些核对自发裂变是稳定的,。,6,稳定核：,球形核势能,V,sp,椭球形势能,V,el,时，,球形核椭球形核裂变,原子核的稳定条件：,V,el,V,sp,0,所以实验发现，,很重的核,才发生,自发裂变,。,7,(d),裂变份额,重核大多数具有,放射性,，,自发裂变,与,衰变,是,相互竞争的过程,，它们是重核蜕变的两种形式。,发生自发裂变过程的衰变常数记为,发生,衰变,过程的衰变常数记为,裂变份额,定义为：,裂变碎片是很不稳定的原子核，,一方面,碎片处于,较高的激发态,，,另一方面,它们是,远离,稳定线的丰中子核,而发射中子，所以自发裂变核又是一种很强的,中子源,。,8,(2),诱发裂变,在,外来粒子,的轰击下，靶核与入射粒子形成,复合核,，复合核一般处于,激发态,，当,其激发能大于裂变势垒时,，会,发生裂变,。,(a),中子诱发裂变的一般表达式为：,入射粒子可以是带电粒子或中子，主要研究,中子诱发裂变,。,9,复合核,的形成过程中，由,能量守恒,：,设靶核静止，,入射中子的动能为,T,n,复合核激发能,。,10,复合核的激发能,：,复合核的,激发能,为,最后一个中子的结合能,和,中子的相对运动动能,之和,。,当 时，复合核会发生裂变。,即：,11,对确定的,复合核,，根据,其裂变势垒,E,b,和,其最后一个中子的结合能,B,n,(,Z,A,+1),的大小，不等式右边可以小于等于热中子能量，也可以大于热中子能量。这两种情况对入射中子能量,T,n,的要求不同。,据此我们也就可以分可以分,热中子核裂变,和,阈能核裂变,两种情况讨论。,12,(b),热中子核裂变,以 为例，可表示为：,由于,热中子的能量,所以，的,激发能,：,而 的,裂变势垒,：,故热中子可以诱发 裂变。,这种,热中子可诱发裂变的核素,称为,易裂变核,。,13,(c),阈能核裂变,以 为例，可表示为：,若仍为热中子，由于,而 的裂变势垒：,故热中子不能诱发,裂变,。,这种,热中子不能诱发裂变的核素,称为,不易裂变核,。,14,由：,这种,中子能量必须,大于,一定的数值,才能引起的核裂变称为,阈能核裂变,。,能诱发阈能核裂变的中子的最小能量称为,诱发裂变阈能,。,15,关于易裂变核与不易裂变核的讨论：,1),、中子被核俘获后形成复合核，复合核处于激发态，将发生集体振荡并改变形状。,以,和,为例,的,的,的,值略小，其裂变概率也略小。,2),、复合核的激发能与裂变势垒的关系。,为奇,N,核，欢迎再来一个中子与它成对。因此，中,子与 结合的很紧，结合能为 ，而复合核的,裂变势垒仅为 ，从而容易裂变。,为偶偶核，外来中子的结合能比较小，中子与,的结合能为 ，而复合核的裂变势垒为,因此中子能量必须大于某一数值才能发生核裂变。,16,(d),诱发裂变截面,单位时间内发生裂变数,单位时间内入射粒子数,单位面积靶核数,手册中常给出多种截面值：,17,各种反应截面的关系图：,18,裂变截面,f,与,入射中子能量,T,n,的关系：,对,慢中子,：,规律,是对,热中子,的截面，,为热中子速度,对 ，,19,对,共振中子,，,(,能量为,1eV,1KeV,),诱发裂变截面峰值达几十巴。,对,快中子,，在能量约为,1MeV,时，,除中子诱发裂变外，,带电粒子,和,射线,也能引起核裂变。,20,2,、裂变后现象,中子进入靶核所形成的,复合核,处于,激发态,，,复合核可能发生裂变,，,裂变会产生裂变碎片,。,如碎片的,质量,、,能量,、,释放的中子,、,射线,等。,裂变后现象,指,裂变碎片的性质,：,21,(1),裂变过程,(a),中子被靶核吸收形成,复合核,(b),复合核裂变为两个,裂变碎片,(c),初级碎片,发射中子,(d),次级碎片,发射,射线,(e),初级产物,-,衰变到稳定核素,远离,稳定线,的,丰中子核,，,具有很高的激发能,。,通常为,1,3,个中子，称为,瞬发裂变中子,。,次级裂片的激发能小，不能发射中子，而主要以发射,光子形式退激,，称为,瞬发,射线,。,在连续,衰变过程中，有些核素可能具有较高的激发能，可以发射中子，称为,缓发中子,。,22,(2),裂变碎片的质量分布,裂变碎片按,质量分布,的产额。,对称分布：,非对称分布：,Z,100,和,Z,84,考虑二分裂情况，,X,和,Y,的质量分布,称为,对称裂变,90,Z,98,称为,非对称裂变,23,低激发态重核,的裂变多以,非对称方式,发生。如,235,U,，裂变碎片质量分布呈,马鞍形,。重碎片质量的峰值是,A,140,，轻碎片质量的峰值为,A,96,。而对,A,118,的碎片仅占,0.01%,。,对各种裂变核的,重碎片的质量的峰值,都在,A,140,附近，而,轻碎片的质量,随裂变核而,改变,，裂变碎片几乎包括了大多数的中等质量核素。,裂变碎片,是得到放射性同位素的重要来源。,24,(3),裂变中子,裂变中子,可分为,瞬发中子,和,缓发中子,。,对 为,对 为,瞬发中子,的能量是,连续,的，服从,麦克斯韦分布,。可以求出其平均能量。,缓发中子,产生于裂变产物的某些,衰变链中。其数量占全部中子的,1,。,可控核裂变的实现,取决于,缓发中子,的控制。,25,每次裂变释放出的平均中子数,包括,瞬发中子,和,缓发中子,。,由于易裂变核吸收一个低能中子，除发生裂变外，还可能发生 反应。因此，易裂变核每吸收一个热中子后，放出的平均中子数应修正为：,以 为例，,26,(4),裂变能及其在裂变产物中的分配,裂变能定义为由复合核裂变成碎片所放出的能量。,由于中等质量的裂变碎片的比结合能比重核的比结合能大，所以裂变必然,放出,巨大的能量。重核每次裂变大约产生,200MeV,的裂变能，裂变能大部分分配为裂变碎片的动能。具体分配表见表,5-3,。,裂变能的定义,(,二裂变,),：,激发态复合核的原子质量,裂片衰变后稳定核的原子质量,27,3,、链式反应和反应堆,链式反应：,Chain Reaction,28,1),维持链式反应的条件,维持链式反应的基本条件,是裂变放射出来的新一代中子中平均,至少,有一个中子又能引起新的裂变,。,在,无限大的介质中,，相邻两代中子总数之比称为,中子倍增系数,k,：,维持链式反应的条件即为,：,为临界状态,为超临界状态,29,实际上反应堆的大小是有限的，也就是说中子有,表面泄漏,。,30,维持链式反应的最小核燃料体积，称为,临界体积,；,与临界体积相对应的核燃料的质量称为,临界质量,。,对有限大小的反应堆，考虑到中子的表面泄漏，引入,有效倍增系数,：,中子不泄漏的概率,31,2),反应堆的控制,反应堆要维持,可控链式反应,，须对反应堆实现控制，主要是控制,中子的密度,，从而改变 。,用,吸收热中子截面很大的材料,如 作成,柱形控制棒,，由插入反应堆活性区的,深浅,来控制,中子的密度,。,反应堆单位时间内平均增长的中子数为：,定义反应堆周期,T,：,32,一代时间,决定于,中子发射时间,1,和,中子慢化时间,2,。,通常在石墨慢化剂中，,如果仅考虑,瞬发中子,，,则：,若取：,则在,1s,之后，,33,对,缓发中子,，则中子发射时间由,衰变的半衰期决定。平均有,则：,若取：,则在,1s,之后，,为了使缓发中子发挥作用，要合理选择 值。通常选取在不考虑缓发中子时 ，只有缓发中子也参与裂变时，才有 。,34,3),裂变反应堆,根据引起裂变的中子能量，反应堆可分为,热中子反应堆,和,快中子反应堆,。,若采用对中子吸收很弱的慢化剂将裂变中子迅速降到热能，利用,235,U,热中子裂变截面很大的特点，可以用天然铀或低浓缩铀来实现链式反应。,若用高浓缩的,233,U,或,239,Pu,作为核燃料，在这种反应堆中没有专门的减速剂，引起裂变的中子主要靠能量较高的中子，称为,快中子反应堆,。快中子反应堆可实现裂变材料的增殖反应，而大大提高核燃料的利用。,35,反应堆必须有铀棒、慢化剂（水或石墨）、控制棒、反射层、压力壳及热交换器、水等组成。,36,4,、原子弹,37,Length:Diameter:Weight:Yield:,10 feet 8 inches5 feet10,000 lbs22 kilotons,38,39,When uranium undergoes fission,an average of,2.5 neutrons,are released.,These neutrons trigger other nuclei to undergo fission.,Calculations show that if a chain reaction is not controlled it could result in a,violent explosion,.,If the energy in 1 Kg of uranium were released,it would equal to the detonation of 20,000 Tons of TNT.,1 Kg of Uranium,20,000,000 Kg of TNT,40,5.2,原子核的聚变反应,从比结合能曲线可看出，轻核聚变可放出巨大能量。,能源存储量的估计：,可用石油,8,10,21,J,可用煤,3210,21,J,裂变储能,575,10,21,J,海水中氘的聚变能,5,10,31,J,年消耗能量,1,10,21,J,41,轻核的比结合能：,核 素,比结合能,/MeV,1,H,0,2,H,1.112,3,He,2.573,4,He,7.075,6,Li,5.332,9,Be,6.462,10,B,6.475,42,轻核聚变反应：,平均每核子贡献,3.6MeV,。,一、轻核聚变,43,反应截面最大、释放能量最多的轻核聚变反应：,二、氢弹,惯性约束聚变,原子弹的裂变反应提供氢弹发生聚变反应的高温条件。,d,的丰度为,0.015%,，可从海水中大量提取；,氢弹原料：氘化锂,(,6,Li,2,H,),。,通过核反应产生,T,：,44,45,46,典型的裂变弹的能量分配：,爆震与冲击波,50%,热辐射,35%,剩余辐射,10%,早期核辐射,5%,纯粹的聚变反应不产生剩余辐射。,中子弹：,增加早期辐射，特别是中子辐射；,提高聚变反应与裂变反应的比值。,47,作业：,1.,试计算一个,235,U,核吸收一个热中子发生裂变所产生的裂变能。已知,2.1Kg,235,U,全部裂变时所放出的能量相当于多少煤燃烧放出的能量。已知一个碳原子燃烧时放出,4eV,能量。,3.,什么是瞬发中子和缓发中子？为什么说缓发中子在反应堆的控制中起决定的作用？,4.,列出快中子与 的增殖反应式。,5.,地球表面海水总量约,10,18,吨，海水中氢与氘原子数之比为,1:1.510,-4,，试计算海水中蕴藏的氘聚变能的总量,(,用焦耳表示,),。,48,