核物理基础与辐射防护-4.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,2009-05-30,*,*,第四章 核裂变与核聚变,Nuclear,Fission,Nuclear Fusion,2009-05-30,1,4.1,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。,1939,年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击,U,时，产物中存在钡。随后，梅特纳和弗里什指出：,U,在中子的轰击下，分裂为两个中等质量核素，称这种现象为裂变（二分裂变,）,。,1947,年，钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象。,2009-05-30,2,(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：,2009-05-30,3,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。,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。,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,。,2009-05-30,4,(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,。,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,2009-05-30,5,复合核激发能,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,。,2009-05-30,6,当 时，复合核会发生裂变。,即：,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。,2009-05-30,7,(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,。,2009-05-30,8,(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,。,2009-05-30,9,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,。,2009-05-30,10,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。,2009-05-30,11,2,、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,：,2009-05-30,12,(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,。,2009-05-30,13,(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,2009-05-30,14,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。,2009-05-30,15,(3),裂变中子,裂变中子,可分为,瞬发中子,和,缓发中子,。,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。,2009-05-30,16,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，,2009-05-30,17,(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。,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,2009-05-30,18,3,、链式反应和反应堆,链式反应：,Chain Reaction,2009-05-30,19,1),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,2009-05-30,20,实际上反应堆的大小是有限的，也就是说中子有,表面泄漏,。,2009-05-30,21,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,2009-05-30,22,2),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,235,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。,2009-05-30,23,3),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,：,2009-05-30,24,一代时间,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，,2009-05-30,25,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 。,2009-05-30,26,4,）反应堆的应用,(a),生产堆,，主要用于生产,239,Pu,。,238,U,吸收中子经两次,衰变后变成,239,Pu,。,(b),作为,强中子源和强,源,，用于科学研究,(c),核动力,：核潜艇等,(d),核能源,（核电站）：以轻水压水堆核电厂为例。,核电站一般由,反应堆,、,一回路系统,、,二回路系统,及,其他辅助系统,组成。,压水反应堆,以,低浓二氧化铀,作燃料，,高压水,作冷却剂和慢化剂。裂变能大部分转化为裂变碎片的动能，阻止在燃料棒中，转化为燃料棒的热能，使堆芯温度升高。,2009-05-30,27,一回路系统,是将核能转化为水蒸气的热能装置。,高温高压冷却水,在泵的驱动下流进反应堆,堆芯,，吸收堆芯热量，将热量带出反应堆，带进,蒸汽发生器,（此时水的状态大致为：,16MPa,，,320,，因此为液态水）。在蒸汽发生器中，通过传热管壁将热量传递给二回路循环系统的给水，使给水加热变成,高温高压蒸汽,（水蒸气状态约为,6MPa,、,280,），放热后的冷却水又重新流回堆芯，这样构成一个密闭的循环回路。压力由,稳压器,调节。,二回路,中蒸汽发生器中的,给水,吸收了一回路传来的热量，变成,高温高压蒸汽,，然后推动,汽轮机,，带动,发电机,发电。作功后的乏汽在,冷凝器,中冷却凝结成水，预加热后再由水泵送往蒸汽发生器，构成第二个密闭回路。,二回路系统大致和火电厂部分一样，因此常称为,常规岛,，而把一回路和反应堆称为,核岛,。,2009-05-30,28,4,、原子弹,主要利用,高浓缩,235,U,或,239,Pu,等重原子核的链式裂变反应瞬时释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的核武器，一般称原子弹。,原子弹利用化学炸药使处于次临界状态的裂变材料瞬间达到超临界状态，并适时用中子源提供若干中子，触发链式反应。,达到,超临界状态,的方法有两种：,（,1,）“,枪法,”，把两块处于次临界状态的裂变材料，分开放在原子弹的不同部位，如两端，当普通化学炸药爆炸时，两块装料压拢在一起达到超临界状态，发生链式裂变反应。,1945,年,8,月,8,日，美国第一颗用于广岛的原子弹（代号“小男孩”）就是一颗枪法铀弹。,2009-05-30,29,（,2,）“,内爆法,”，把一块处于次临界状态的裂变材料放于原子弹的中间，用化学炸药爆炸产生的内聚冲击波和高压力压缩处于次临界状态裂变装料，使其密度急剧升高，由于临界质量与密度平方成反比，当密度提高一倍，临界质量减小到原来的,1/4,，因此密度升高到一定程度时即达到临界状态，引起链式裂变反应。,与枪法相比，内爆法可,少用裂变材料,，是较好的引爆方法。,1945,年,8,月,10,日投到长崎的原子弹（代号“胖子”）就是内爆法钚弹。,我国,1964,年,10,月,16,日试爆成功的第一颗原子弹也是一颗内爆法弹，但裂变装料是,235,U,，起初西方人士认为是钚弹，钚可以从,238,U,制造，可以容易获得，但后来发现是铀弹，才大吃一惊：说明中国人已经掌握了分离铀的技术,这是制造原子弹的关键技术。,2009-05-30,30,4.2,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,2009-05-30,31,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,6.475,2009-05-30,32,轻核聚变反应：,平均每核子贡献,3.6MeV,。,大约是,235,U,由中子诱发裂变时每个核子贡献的,4,倍。,一、轻核聚变,2009-05-30,33,235,U,可由室温下的热中子引起裂变，而氘核带电，由于库仑斥力，室温下的氘核决不会聚合在一起。,氘核为了聚合在一起（靠短程的核力），首先要克服长程的库仑斥力。核子间距离小于,10fm,时才会有核力的作用，那时库仑势垒高度为：,两个氘核要聚合，每个氘核至少要有,72eV,的动能，如果看成是平均热动能（,2/3kT,），对应的温度为,T=5.6,10,8,K,，如果考虑粒子有一定的势垒贯穿几率，粒子动能有个分布可以有粒子的动能比平均动能大，那么理论估计聚变的温度可降为,10,8,K,。,在此温度下所有原子均电离而形成,等离子态,。,2009-05-30,34,要实现自持的聚变反应并从中获得能量，必须满足三个条件：,1,）等离子体的温度足够高,;,2,）等离子体的密度足够大,;,3,）所需的高温和密度须维持足够长的时间,对,d+t,反应，有,劳逊判据,把三个条件定量化：,要使一定密度的等离子体在高温条件下维持一段时间，这不是件容易的事情，我们需要有个“容器”，它不仅能忍耐,10,8,K,高温，而且不能导热，不能因等离子体与容器碰撞而降温。目前世界上还找不到这样的容器。,2009-05-30,35,太阳能：引力约束聚变,C,循环,(,贝蒂循环）,（,1938,年,),p-p,循环,(,克里齐菲尔德循环,),两种循环总的效果相同,均为：,4,个质子的聚变过程中每个质子贡献,6.7MeV,比,235,U,裂变时每个质子的贡献大八倍,比化学能大一亿倍,.,太阳释放的能量相当于每秒种爆炸,900,亿枚百万吨级的氢弹,.,当温度低于,1.8,10,7,K,，以质子,-,质子循环为主；太阳中心温度只有,1.5,10,7,K,，质子,-,质子循环占,96%,。,2009-05-30,36,在地球上实现受控核聚变的约束方式,磁约束,惯性约束,磁约束,带电粒子在磁场中绕,B,线作拉莫旋进，横越,B,线的运动受到限制，此为磁场能够约束等离子体的基本原理。但在磁场中等离子体不稳定，难于长时间将粒子约束在等离子体内，这就是磁约等离子体的基本困难。,1958,年以来形成大规模国际交流合作，,1992,年在最大一代托卡马克（译为“环流器”）装置上成功地进行了,DT,放电，聚变功率从,7.5MW,提高到,10MW,。,2006,年国际热核聚变实验堆（,ITER,）项目正式启动,惯性约束聚变,巴索夫（前苏诺贝尔奖得主）于,20,世纪,60,年代提出。不加外力而依靠聚变燃料自身惯性，在高温高压下短时间内完成聚变反应。氢弹实现的就是惯性约束。而可控的惯性约束必须在,mm,量级的靶内实现才不会产生灾难性后果，在技术上的难点很多。,2009-05-30,37,氢弹：,惯性约束聚变,轻核聚变反应中,氘,(d),与氚,(T),的反应截面最大而释放能量最多：,氘化锂,(,),可作为氢弹的原料,氢弹的原理：引爆普通炸药引发裂变反应,产生高温高压同时放出大量中子,中子与反应产生氚，发生,d+T,聚变反应,.,氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子体。,人工约束较为成功的是,激光惯性约束，,此外还有电子束、重离子束的惯性约束方案，但这些人工惯性约束目前还仅限于理论,实践上还未获成功。可控核聚变最有希望的是磁约束。,T,天然不存在：,2009-05-30,38,2009-05-30,39,2009-05-30,40,2006.9.28,中国耗时,8,年、耗资,2,亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置,EAST,首次成功完成放电实验,获得电流,200,千安、时间接近,3,秒的高温等离子体放电,.EAST,成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置,.,41,