核反应堆工程08.pptx

核能开发与应用核能开发与应用深圳大学核技术研究所深圳大学核技术研究所赵海歌赵海歌2010-2011学年第二学期学年第二学期比结合能：原子核的比结合能是原子核的结合能与该原子核的核子数之比E/A。意义：它表示每个核子的平均结合能，有时称为平均结合能。比结合能可以看成把原子核拆成自由核子时，平均对每个核子所做的功。因此，比结合能的大小，可用来表示原子核结合得松紧的程度。比结合能越大的原子核结合得越紧，也就比较稳定；比结合能较小的原子核结合得较松，也就不太稳定。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础不同质量的原子核其比结合能的大小是不同的。中等质量的原子核平均结合能大，而轻核和重核的平均结合能小。由比结合能曲线的特性，可以对核能的利用获得如下启示：若能使比结合能小的或比较小的原子核的结构发生变化，使它变成比结合能大的或比较大的原子核，就能放出一定的能量。利用原子核能的思路。其办法是将比结合能较小的重核分裂成两个比结合能比较大的中等核，这样就可以放出能量来，重核分裂放出的能量称为裂变能。或者轻核聚变释放能量。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础核力在原子核中，质子与质子间存在着静电斥力，这种力不可能维持原于核的稳定性。除此之外，核子间还有万有引力，但是这种力非常小，也不能使核子形成稳定系统。因此在核子之间一定存在着一种引力。通常把这种引力称为“核力”。关于核力的详细情况，现在还不十分清楚，但从已知的事实，明确了核力具有以下的特性。1核力的近程性从散射实验中发现，当粒子和核的距离小到10-1410-15m时，服从库仑定律。当粒子能量很大而更接近核时，粒子受到远比由库仑定律算得的斥力为大的一种引力核力作用。由此可知，核子间只有在极短距离时，才有核力的作用。核力是一种近程的作用力，它的作用距离的数量级为10-15m。当核子间距离接近时，核力比库仑力增加得更为迅速；但在距当核子间距离接近时，核力比库仑力增加得更为迅速；但在距离增大时，核力就急剧威小为零。离增大时，核力就急剧威小为零。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础 2核力的饱和性原子核的比结合能大致相等，即原子核的结合能近似地与核子数A成正比。从这一事实可以推断：核中每个核子只与它最邻近的有限数目的几个核子发生相互作用，而不与核内所有的其他核子都发生相互作用，就是说核力具有饱和性。3核力与电荷无关性不管核子带电与否，它们的结合能都相等。由此可见，质子和中子在核中的稳定性是一样的，也就是说，质子与质子、中子与中子、中子与质子之间的核力是大致相等的，这表明核力与核于是否带电无关，这就是核力与电荷无关性。用中子流通过含氢物质来进行中子与质子的散射实验(n，p散射)或用高速质子流在氢气中进行质子与质子的散射实验(p-p散射)时，发现 这种核子间的引力都约略相等，这对核力与电荷无关性更提供了直接的验证。关于核力的本质，理论认为：核力是一种交换力，核力是核子间通过介子的交换而相互作用的。介子的核力理论虽能定性地说明一些事实，但这种理论还很不完善，还有待进一步的研究和发展。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础核反应：用高能粒子(如质子、中子轰击原子核而转变为新核及另一粒子的过程，叫做核反应，这些过程用下式表示：在核反应中，出射粒子可以与入射粒子同类也可以不同类。出射粒子与入射粒子同类的核反应，一般称为散射。在散射过程中，原子核的种类虽然不变，但也广义地称为核反应。大量实验表明，所有的核反应都遵守下列几条守恒定律：核子数守恒：反应前后核子数目必须相等。电荷守恒：反应前后所有粒子的电荷之和必须相等。动量守恒：由于不受外力作用，所以反应前后系统的动量必须守恒，反应前后系统的动量和都等于零。能量守恒：反应前后系统的能量(包括静止能量)必须守恒。核反应的机制复合核首先入射粒子被靶核俘获而形成复核，此时入射粒子的能量将很快分配给复核中的全部核子，使复核处于不稳定的激发状态。接着，出射粒子从复核中飞出，这是由于核子间能量分配有涨落，由于这种涨落，使某个核子或核子集团获得了足够使它们由核中飞出的能量，于是它们就脱离复核。核反应的两个阶段可以用下式表示：同一种复核可以有几种不同的形成方式，也可以有几种不同的衰变(或蜕变)方式。复核衰变(或蜕变)时，射出的粒子可以与射入的粒子属于同一类，也可以属于不同类并且也可以放出射线而使核趋于稳定。而复核究竟是放出哪一种粒子，这完全是各种可能反应相互竞争的过程，而与复核的“历史”(过程的第一阶段)无关。共振：当入射粒子具有某些特定能量，而这些能量正好使形成的复核具有某一激发能级的能量时，引起核反应的几率将剧烈增加。这种现象称为“共振”。三阶段描述：核反应过程大体上分成三个阶段，称为核反应过程的三阶段描述。第一阶段是“独立粒子阶段”。当入射粒子接近靶核时，可看成是在整个靶核的势场中运动，入射粒子保持相对独立性。在这一阶段中，入射粒子与原子核整体发生相互作用，可能发生两种情况，以一是粒子进入靶核，被靶核吸收，二是粒子被靶核弹出来，这就是弹性散射(即形状弹性散射或势散射)o 第二阶段是“复合系统阶段”。入射粒子被靶核吸收后，就和核中的核子作用而交换能量与动量，因而不再看成是处在整个靶核作用下的外来单独粒子，而应看作是靶核与入射粒子形成了所谓“复合系统”。在这一阶段中，入射粒子可能在与核子作用过程中直接就把反应推向第三阶段，此时入射粒子在不同程度上保留了原有特性，也可能入射粒子与靶核多次作用后不断损失能量，最后与靶核融为一体形成复核，此时入射粒子的原有特性已经消失，同其他核子共处于动平衡状态中。可见，复合系统这个概念比复核的概念广泛一些，它只是入射粒子和核子交换能量的一个过程，而并不考虑入射粒子和其他核于是否有所区别。第三阶段是核反应的“最后阶段”，在这一阶段中，复合系统分解成出射粒子和新核。产生中子的核反应1、（，n）反应用粒子轰击某些轻原子核（7Li、9Be、11B、19F等）可产生1Mev13Mev能量的中子。73Li（，n）105B 94Be（，n）126B 115B（，n）147N 199F（，n）2211Na 94Be的中子产额最高，能量最大，是最常用的靶物质。常见母体：210Po、226Ra、239Pu第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础 2、（，n）反应某些原子核受到射线照射时也会发射出中子-光激中子。射线源产生的射线能量4Mev，故靶核仅限于中子结合能较低的铍和氘。94Be（，n）84B 21H（，n）11B常见的母体：12451Sb、14057La、2411Na、7231Ga第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础 3、（p，n）和（d，n）反应用质子或氘核轰击轻原子核，也可以产生中子。73Li（p，n）74Be 73Li（d，n）84Be 高能（p，n）反应氘剥裂反应-中子放出，质子被靶核吸收4、（n，f）反应 n+235UX1+X2+(2-3)n+第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础中子引起的核反应1、中子按能量的分类 冷中子 E0.002ev（1）慢中子:0E1kev 热中子0.002evE1ev 超热中子1ev10Mev）弹性散射，非弹性散射反应堆中，高能中子极少，可忽略不计。只考虑中能中子和慢中子引起的散射反应和吸收反应第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础中子的散射(1)弹性散射 势散射:未进入靶核内,仅被核势场散射 n+AzXAzX+n 复合弹性散射 n+AzX(A+1zX)AzX+n对于弹性散射,靶核内能没有变化，用经典力学方法处理。在热中子反应堆中,中子慢化起主要作用的是弹性散射.第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础(2)非弹性散射:动量守恒,动能不守恒,中子损失的能量转变为靶核的内能-激发态-射线-基态。特点：射线 复合非弹性散射 n+AzX(A+1zX)*AzX*+n AzX*AzX+直接非弹性散射 n+AzXAzX*+n AzX*AzX+中子能量高，反应堆中极少出现第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础 3、中子的吸收中子的吸收反应主要发生在低能区。（n，）、（n，f）、（n，）、（n，p），并都经历复合核过程。（1）辐射俘获靶核俘获中子后形成处于激发 态的复合核 生成核基态 n+AzX(A+1zX)A+1zX+生成核并不一定是稳定的，经过衰变稳定第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础（n，）反应从轻核到重核都能发生，在热中子作用下，几乎所有的元素都能发生这种反应。（2）裂变反应U-235、Pu-239、U-233，各种能量的中子都能引起核裂变，但热中子轰击下，核反应的几率更大。U-238、Th-232，只有在快中子轰击下才能引起核裂变。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理原子核物理基础原子核物理基础核截面和核反应率1、中子密度与中子通量密度单位体积内的自由中子数称为中子密度，用n表示，单位是1/m3中子束强度：中子通量密度：微观截面与核反应率宏观截面：是中子在单位路程中与靶核发生相互作用的几率。同理，宏观散射截面是中子在单位路程中与靶核发生散射的几率。所有其他的宏观截面也都具有类似的意义。五、核裂变反应裂变产物：瞬发中子：缓发中子：裂变能反应堆剩余功率