1、2024/4/7 周日1自发裂变自发裂变自自发发裂裂变变是是原原子子核核在在没没有有受受到到外外界界激激发发下下而而自自行行分分裂裂的的过过程程，它它是是一一种种特特殊殊类类型型的的核核衰衰变变。这这个个现现象象是是由由前前苏苏联联物物理理学学家家弗弗廖洛夫和佩特扎克于廖洛夫和佩特扎克于1940年发现的。年发现的。质量为质量为中等以上的核中等以上的核，尤其是一些重元素，尤其是一些重元素，如如铀铀-236，从能量的角度讲都具有自发裂，从能量的角度讲都具有自发裂变的可能性变的可能性例如，在例如，在1克铀中每小时约有克铀中每小时约有20个铀核会发生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
2、自发裂变，这对于反应堆的启动有明显的帮助2024/4/7 周日2中子裂变产生的裂变产生的中子中子 快中子（快中子（0.1Mev）99.3%99.3%瞬发中子瞬发中子0.65%0.65%缓发中子缓发中子裂变后裂变后百万分之一秒百万分之一秒左右放出左右放出能量约在能量约在12兆电子伏兆电子伏范围内，速度为范围内，速度为1400020000千米千米/秒秒慢中子慢中子(0.1ev)裂变后裂变后几分钟几分钟的时间的时间内逐渐释放出来内逐渐释放出来平均能量约在平均能量约在0.5兆电兆电子伏左右子伏左右2024/4/7 周日3定义定义两个原子核两个原子核或一个或一个原子核原子核和一个和一个粒子粒子（如中子、
3、（如中子、光子等）接近到光子等）接近到10101515米量级时，两者之间米量级时，两者之间的的相互作用相互作用所引起的各种变化过程称为所引起的各种变化过程称为核反应核反应性质性质核反应所涉及的能量变化比一般的核衰变大得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多，通常大于一个核子的结合能结合能，可以高达，可以高达10010001001000兆电子伏，因而它是研究原子核高激兆电子伏，因而它是研究原子核高激发能级的重要手段发能级的重要手段核核 反反 应应2024/4/7 周日4中子核反应中子核反应（n，）反应）反应（n，p）反应）反应（n，）反应）反应（n，n）反应）反应（n，
4、2n）反应）反应（n，f）反应）反应质子质子中子中子粒子，氦原子核粒子，氦原子核裂变裂变2024/4/7 周日5（n，）反应）反应中子辐射俘获反应中子辐射俘获反应例如113Cd（n，）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，反应产物常具有放射性，所以（n、）反应是人工制造人工制造放射性同位放射性同位素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
5、获反应，可以制造出核燃料钚核燃料钚 2024/4/7 周日6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，所以也是具有放射性的，例如上例中产生的剩余核碳-14就具有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 n，p p）反应）反应2024/4/7 周日7出射粒子为氦核与（n，p）反应类似，慢中子引起重核的（n，）反应的可能也很小，只有轻核才能发生（n，）反应。例如：10B（n，
6、）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 n，）反应）反应2024/4/7 周日8（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，n n）反应）反应2024/4/7 周日9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
7、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+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均具有均具有+衰变及轨道电子俘获放射性衰变及轨道电子俘获放射性。（n n，2n2n）反应）反应2024/4/7 周日10（n，f）反应中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平均放出23个中子，并放出大量热量。2024/4/7 周日11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
8、放出来的能量大得多，例如，一个铀原子放射出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2024/4/7 周日12核子的相互吸引力-核力核力具有短程强相互作用的能力核力具有短程强相互作用的能力它比电磁相互作用强它比电磁相互作用强130倍左右，作倍左右，作用距离只在邻近核子之间用距离只在邻近核子之间 为为什什么么这这么么多多的的带带正正电电荷荷的的质质子子能紧密结合？能紧密结合？电磁力电磁力重力重力核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：核力的相互作用距离：（1.41.51.41.5）101015 15m m是一种
9、特别强大的，是是一种特别强大的，是目前知道的最强大的作目前知道的最强大的作用力。它是核能的起源用力。它是核能的起源核力与电荷无关，质子和质子、核力与电荷无关，质子和质子、中子和中子、质子和中子之间，中子和中子、质子和中子之间，都存在相互吸引的核力都存在相互吸引的核力2024/4/7 周日13质能方程质能方程爱因斯坦指出：质量质量只是物质存在的形只是物质存在的形式之一式之一另一种形式就是另一种形式就是能量能量能量和质量的简单关系：E=mc2质量质量能量能量2024/4/7 周日14原子核原子核结合能结合能：1+121+12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
10、值，称为质量亏损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结合能2024/4/7 周日15结合能的利用结合能的利用核能核能每个核子的平均结合能称为为每个核子的平均结合能称为为比比结合能结合能元素的比结合能反映该原子核的元素的比结合能反映该原子核的核子结合紧密程度核子结合紧密程度中等核中等核比结合能比结合能最大最大(质量亏损质量亏损大大)轻核轻核和和重核重核的比结合能的比结合能小小(质量质量亏损小亏损小)轻轻核核比结合能最大结合时质量亏损大中等核中等核重重重重核核核核重核重核中等核中等核质量亏损质量亏损轻核轻核轻核轻核轻核轻核中等核中等核质量亏损质量亏损20
11、24/4/7 周日16重核裂变重核裂变自自发发裂裂变变:无无需需外外界界作作用用，就就有有自自发发分分裂裂的的趋趋势势。自自然然界界中中某某些些质质量量数数很很大大的的原原子子核核，如如铀铀-236，有自发裂变的现象。，有自发裂变的现象。诱诱发发裂裂变变：在在中中子子轰轰击击下下发发生生的裂变的裂变 链链式式裂裂变变反反应应：裂裂变变过过程程中中，有有中中子子释释放放出出来来，这这样样就就可可能能形形成成链链式式的的裂裂变变反反应应，从从而而源源源不断地产生核能源不断地产生核能铀-235,平均每次裂变放出2.42.4个中子，同时放出大约200200兆兆电子伏电子伏的能量 2024/4/7 周日
12、17图2-7 液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型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不稳定定，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裂变临界能量变临界能量 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复合核复合核2024/4/7 周日18图图2-7 2-7 液滴裂变机制示意图液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型原子核液滴分裂模型裂变临界能裂变临界能裂变裂变临界能量临界能量 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靶原子核复合核的临界裂变能复合核的临界裂变能(Mev)(M
13、ev)中子的结合能（中子的结合能（MevMev）钍钍-232-2326.56.55.15.1铀铀-238-2385.55.54.94.9铀铀-235-2355.35.36.46.4铀铀-233-2334.64.66.66.6钚钚-239-2394.04.06.46.4几种核素的临界裂变能几种核素的临界裂变能易易裂裂变变材材料料天然的核燃料天然的核燃料可转换核素可转换核素可转换核素可转换核素2024/4/7 周日19裂变核燃料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%
14、鈣铀云母鈣铀云母鈣铀云母鈣铀云母铜铀云母铜铀云母铜铀云母铜铀云母天然铀天然铀2024/4/7 周日20裂变核燃料的生成2024/4/7 周日21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2024/4/7 周日22反应堆能实现控制的决定性条件！裂变产生的裂变产生的中子中子 快中子（快中子（0.1Mev）99.3%99.3%瞬发中子瞬发中子0.65%0.65%缓发中子
15、缓发中子裂变后裂变后百万分之一秒百万分之一秒左右放出左右放出能量约在能量约在1 12 2兆电子兆电子伏范围内，速度为伏范围内，速度为14000140002000020000千米千米/秒秒慢中子慢中子(0.1ev)裂变后裂变后几分钟几分钟的时间的时间内逐渐释放出来内逐渐释放出来平均能量约在平均能量约在0.50.5兆兆电子伏左右电子伏左右2024/4/7 周日23裂变能量裂变能量(1)(1)反应前后的质量 裂变前裂变前质量质量(u)裂变后裂变后质量质量(u)235U235.12495Kr94.945n1.00867139Ba138.9552n2.01734总计总计236.13267235.917质
16、量亏损质量亏损：236.132 67-235.9170.215（u）2024/4/7 周日24裂变能量裂变能量(2)(2)一个铀一个铀-235核裂变方式产生的能量核裂变方式产生的能量己知1u的总能量为931兆电子伏 0.215931=200（兆电子伏）裂变能的存在形式裂变能的存在形式裂变能的大部分（约80）是以碎片动能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的能量由瞬时射线和中子射线和中子带走。其余的能量随着裂变产物的放射性衰变，通过和辐射的形式逐渐放出1克铀克铀-235核裂变释放的能量核裂变释放的能量1克铀-235的原子数为：6.0231023235.14=
17、2.56210211克铀-235核全部裂变时，释放出的总能量为：5.131023兆电子伏，它相当于8107千焦热量，而燃烧1克标准煤平均只能得到29千焦的热量铀铀235裂变释放出的能量比燃烧煤大裂变释放出的能量比燃烧煤大270万倍万倍2024/4/7 周日25裂变能量裂变能量(3)(3)比较比较:裂变能裂变能 n+235U X+Y+E 200 MeV 化学能化学能 C+O2 CO2+E 4 ev 汽油与氧的爆炸，一个分子释放汽油与氧的爆炸，一个分子释放 40-50 eV TNT 爆炸自身释放能量，每个分子爆炸自身释放能量，每个分子 30 eV2024/4/7 周日26链式裂变反应链式裂变反应
18、自持式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必须保证每次裂变放出的中子只有出的中子只有一个用一个用于其它核素的裂变于其它核素的裂变办法是：设法用非裂办法是：设法用非裂变方法将变方法将裂变放出的裂变放出的多余中子抢走多余中子抢走2024/4/7 周日27维持链式裂变的条件-临界质量一定要维持一定要维持一定量的中一定量的中子数，子数，才能才能保证链式反保证链式反应延续应延续中子的产生中子的产生其它材料中子的吸收中子的吸收结构材料裂变材料临界体积临界体积2024/4/7 周日28裂变维持的条件裂变维持的条件临界临界 系统内中子产系统内中子产生率正好等于生率正好等于中子的消失率中子的消失率临界状态临界状态临界状态临界状态系统内的中子系统内的中子数会逐渐减少，数会逐渐减少，裂变量也逐渐裂变量也逐渐降低降低次临界状态次临界状态次临界状态次临界状态系统内产生的中系统内产生的中子多于损失的中子多于损失的中子，会使裂变率子，会使裂变率不断增加不断增加超临界状态超临界状态超临界状态超临界状态核电站主控室核电站主控室堆芯堆芯2024/4/7 周日29
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