核反应堆工程04.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第二讲第二讲 核能的军事应用核能的军事应用 美国当地时间1945年7月16日凌晨5:2945”，位于美国新墨西哥州荒漠的阿拉莫戈多空军基地，代号为“三一试验”(Trinity Test)的世界上第一枚原子弹爆炸成功。这是一枚选用239Pu作为裂变材料、长3.3m、直径1.5m、重达5吨的“内爆式”原子弹。爆炸装置(原子弹)事先放置在一个高达30.5M、重达上百吨的钢架上。爆炸威力远远超出了人们事先预计的结果：原子弹释放出了大约相当于1.9万吨梯思梯炸药完全爆炸所释放出来的总能量：钢架被部分地“蒸发”了，爆心附近的沙子被烧成了琉璃状。放置在不同距离处的摄像、录像器材被全部损坏：人们惊呼爆炸生成的火球“比一千个太阳还亮”。弹坑深弹坑深8米，直径为米，直径为365米，半径米，半径1.6公里的范围内，所有有生命的东西都公里的范围内，所有有生命的东西都被破坏无遗。爆炸震破了被破坏无遗。爆炸震破了300公里外城市建筑物的玻公里外城市建筑物的玻璃。璃。获准在现场采访的唯一一位记者威廉劳伦斯描述到：“天外飞来的闪光，宛如好几个太阳团聚在一起，令人眼花缭乱。这是一个人们从未见过的景象。仿佛一个巨大的太阳，瑰丽无比，在一瞬间腾升到2500 m的高空，直到与天上的白云混为一体，把大地和天空都映红了，光焰夺目。这个直径达2000m的巨大火球徐徐上升，不断变换着颜色，从紫罗兰到橙黄色，渐渐变得越来越大。它升得越高，就显得越大，顷刻间，它变成了一片奇异的绿色。人们简直要说天地裂开了！也就是从这一时刻开始，人类进入了“核武器时代”。奥本海默回忆说：“当时有几个人笑了，有几个人却哭了，大多数人惊呆了，一声不响”。1945年8月6日，一枚代号为“小男孩”Little Boy)的原子弹在日本的广岛上空爆炸其爆炸威力大约为2万吨TNT当量。这是枚以235U为裂变材料的“枪式”原子弹。原子弹的爆炸直接导致了大约70000多人的死亡，致伤68000多人，在面积为13Km2的地区内，2/3的建筑物被彻底摧毁。同年8月9日，另一枚代号为“胖子”(Fat Man)的原子弹在日本九州岛的长崎上空爆炸，炸死大约35000多人，炸伤60000多人，在4.7Km2的区域内，40以上的建筑物被摧毁。这枚原子弹以239Pu为核材料，属于内爆式原子弹，爆炸威力大约为2.1万吨TNT当量。原子弹的基本原理原子弹的基本原理 按核燃料分：按核燃料分：铀弹：以铀弹：以235U为核装药，浓度在为核装药，浓度在90%以上以上钚弹：以钚弹：以239Pu为核装药，浓度在为核装药，浓度在93%以上以上原子弹的基本组成部分原子弹的基本组成部分核燃料核燃料链式裂变反应链式裂变反应中子源中子源点火（扳机）点火（扳机）引爆装置引爆装置原子弹的控制机构（使用前，核材料次原子弹的控制机构（使用前，核材料次临界，使用时，使核材料迅速变成超临界）临界，使用时，使核材料迅速变成超临界）中子反射层中子反射层中子慢化中子慢化外壳体外壳体几个概念几个概念1、增值系数、增值系数引起下一代核裂变的中子属于引起引起下一代核裂变的中子属于引起本代核裂变的中子数之比叫做增值系数本代核裂变的中子数之比叫做增值系数k2、临界：、临界：k=1，链式裂变反应可以维持进行，并，链式裂变反应可以维持进行，并且以固定不变的功率释放能量。且以固定不变的功率释放能量。3、次临界：、次临界：k1,链式裂变反应快速维持进行，核链式裂变反应快速维持进行，核能瞬间释放出来。能瞬间释放出来。原子弹爆炸时，核材料一定是处于超临界状态。原子弹爆炸时，核材料一定是处于超临界状态。核反应堆工作时，核燃料一定是处于临界状态。核反应堆工作时，核燃料一定是处于临界状态。反应堆停堆时、原子弹储存时，核燃料一定是处反应堆停堆时、原子弹储存时，核燃料一定是处于次临界状态。于次临界状态。5、“现场快速装配技术现场快速装配技术”核材料的临界质量与其几何形状和物理密度有关，核材料的临界质量与其几何形状和物理密度有关，在平时使其分为若干块，或使其密度降低，核材在平时使其分为若干块，或使其密度降低，核材料处于次临界状态。当在使用时，通过雷管引发料处于次临界状态。当在使用时，通过雷管引发普通的爆轰把核材料快速压在一体，形成高密度普通的爆轰把核材料快速压在一体，形成高密度的超过临界质量的一块，同时提供的超过临界质量的一块，同时提供“点火中子点火中子”而产生核爆炸。这种方法称之为而产生核爆炸。这种方法称之为“现场快速装配现场快速装配技术技术”三个基本要求：必须高速度完成装配三个基本要求：必须高速度完成装配(万分之一秒万分之一秒);精密同步（同步时间差小于精密同步（同步时间差小于1/s）；）；裂变材料达到高密度状态时的表面积小，装配结束裂变材料达到高密度状态时的表面积小，装配结束时，核材料部件应处于球形，并达到很高的密度。时，核材料部件应处于球形，并达到很高的密度。6、核材料的临界质量与其密度有关。密度越核材料的临界质量与其密度有关。密度越高，临界质量越小。球形核材料的临界质高，临界质量越小。球形核材料的临界质量与核材料密度的平方根成反比，密度增量与核材料密度的平方根成反比，密度增加一倍，则临界质量就减少为原来的加一倍，则临界质量就减少为原来的1/4。金属铀金属铀-235和钚和钚-239都是可以压缩的，压都是可以压缩的，压缩后密度增加，单位体积内的原子核数增缩后密度增加，单位体积内的原子核数增加，中子引起的核裂变数增加，同时表面加，中子引起的核裂变数增加，同时表面积减小，中子泄露的可能性减小。积减小，中子泄露的可能性减小。如果把核材料压成高密度的球形，则临界如果把核材料压成高密度的球形，则临界质量可以大大减小，从而既可以节省核材质量可以大大减小，从而既可以节省核材料的用量，又可以增加原子弹的威力。料的用量，又可以增加原子弹的威力。核武器的基本结构核武器的基本结构核武器：是指利用自动持续进行的原子核裂变反应或原子核裂变-聚变反应所释放的能量，产生爆炸作用，具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。核武器的种类很多，从不同的角度来划分，核武器主要有以下几种：按照核装置的原理结构划分：可分为原子弹、氢弹和特殊性能核弹。后者包括中子弹(增强辐射弹)、减少剩余放射性弹(冲击波弹)、感生放射性弹、核爆激励x射线激光器、核爆激励射线激光器、核爆激励高功率微波武器等等。按照投掷发射系统划分：核导弹、核炸弹、核炮弹、核深水炸弹、核鱼雷、核地雷等。按照作战使用划分，可分为两大类：一类是用于袭击对方战略目标和防御己方战略要地的战略核武器；另一类是用于支援陆、海、空战场作战，打击对方战术目标的战术核武器。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构临界质量：一个确定的核系统处于临界状态时(K1)易裂变材料的质量称为临界质量M临，它所占有的体积称为临界体积。注意“确定的”核系统，也就是说，M临是对应于确定的核系统而言的，核系统的状态不同，M临也就不同，因此不能笼统地说某核材料的M临是多少。一般来说，影响核系统M临的因素有以下几种：核材料的种类。核材料的种类不同，其临界质量就不同，235U材料裸球的临界质量大约是50kg；而239Pu材料裸球的临界质量大约是16kg。之所以会有这样的区别，主要是由于不同核材料的中子裂变截面不同、每次裂变放出的中子数不同等诸多因素所造成的。由于239Pu材料的临界质量小于235U材料的临界质量，所以从武器小型化、轻量化的角度考虑，239Pu材料应该是制造原子弹的首选核材料。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构核材料的几何形状。核材料的几何形状决定了它的表面积，因而也就决定了逃逸出核系统的中子数，所以就决定了其临界质量的大小：由于在所有的几何形状中，体积(质量)相同时球形的表面积最小、所以从尽量减少逃逸出核系统的中子数的角度考虑，核系统一般都做成圆球形。核材料的纯度。核材料的纯度决定了被杂质核所俘获吸收的中子的数量，为了增加核系统的K值，减小核系统的临界质量，一般要求核武器中核材料的纯度至少要达到90以上。核材料的密度。核系统的临界质量与其材料密度有如下的关系：如果能够设法将核材料的密度从原始密度提高一倍的话，则它的临界质量就将减小为原来的四分之一。这样，原来处于次临界状态的核系统就有可能达到超临界状态了。因此，如果能设法提高核材料的密度，就可以大大减小核系统中核材料的质量。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构中子反射层在核材料的外表面加上一层可以反射中子的物质以后，逃逸出系统的中子就有可能与这层物质(原子核)发生碰撞，从而反射回核系统继续参与核反应，使得系统中的中子数增加，临界度提高，因此中子反射层可以减小系统的临界质量。实验和计算表明：如果在活性材料的外表面加上5cm厚的238U材料作为反射层的话，235U材料的临界质量就将由50kg减小为大约24kg，239Pu材料的临界质量由16kg减小为大约只有8kg。在所有的中子反射层材料当中，9Be是最好的。这是因为一方面9Be是单位体积中原子核数最高的核素，另一方面是因为它除了可以反射中子以外，还能够增殖中子。所以在其他条件允许的情况下，一般武器中部选用9Be作为中子反射层材料。在实际武器中，人们已综合考虑了上述各因素，保证在尽量少用核材料的情况下，尽可能高的提高核武器反应时的k值。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构超临界链式反应的特点：超快超快第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构根据表中数据和曲线图，我们不难得到以下几点结论：核系统在超临界状态下链式反应非常迅速，是s级，并且中子增殖因数k的影响非常显著，k值越大，反应速度越快。超临界条件下反应的能量绝大部分是在反应后期放出。以k=1.2为例。裂变0.1kg的235U需要2.86s的时间。而裂变1kg的235U则只需要2.99s的时间，时间仅仅增加了0.13s，而裂变的量却增加了9倍!由于原子弹爆炸时，核材料的利用率仅仅为10左右，所以如果能设法延长链式反应的时间，就可以大大提高核材料的利用率，从而大大提高核武器的威力。核武器在结构上的主要特点：核武器在结构上的主要特点：就是要尽量提高反应时的超临界度；就是要尽量提高反应时的超临界度；尽量延长链式反应的时间。尽量延长链式反应的时间。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构原子弹基本构造原子弹基本构造1、枪式原子弹、枪式原子弹又称压拢形原子弹，是将一小块核材料用炸药推进到又称压拢形原子弹，是将一小块核材料用炸药推进到两块处于次临界状态的核材料之间，使整个核材料两块处于次临界状态的核材料之间，使整个核材料系统变为超临界，从而引起核爆炸。系统变为超临界，从而引起核爆炸。枪式原子弹的特点枪式原子弹的特点制造技术简单，易于制造，只能采用铀制造技术简单，易于制造，只能采用铀-235装料。装料。缺点：核材料装量多，利用率低缺点：核材料装量多，利用率低一般一般2万吨万吨TNT当量的原子弹需当量的原子弹需25公斤铀公斤铀-235，利用率，利用率10%。美国投在广岛的就是一颗枪式原子弹，装美国投在广岛的就是一颗枪式原子弹，装64（90）公斤铀）公斤铀-235，爆炸当量，爆炸当量1.5万吨，万吨，利用率仅为利用率仅为1.2%.2、内爆式原子弹内爆式原子弹使用内爆技术，用炸药爆炸产生强大的向心力，将使用内爆技术，用炸药爆炸产生强大的向心力，将处于次临界状态的核材料压紧变成高密度的超临处于次临界状态的核材料压紧变成高密度的超临界核材料而产生核爆炸的原子弹。又称向心聚爆界核材料而产生核爆炸的原子弹。又称向心聚爆式原子弹式原子弹。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构内爆式原子弹所需要的核材料相对较少，核材料的利用率可高达10-20，并且这种结构还可以带金属飞层，即通过将核材料分为内、外两层、并且采取在两层中间留下一定空间的形式，靠外层重金属的冲击增压来达到核材料的高密度。因此，从结构上来讲，内爆式原子弹是一种比较先进的结构形式，所以目前世界上服役的原子弹大都为内爆式原子弹。把核材料做成空心球壳形状、在装置中间留有一个空间的结构形式是内爆式原子弹中一种非常先进的结构形式，这样做的结果不仅不会使核装置体积增大，反面会使装置的体积减小，质量减轻。原因:留出的空间为外层部件的加速留出了余地，外层的金属部件经过这一段距离的加速，可以使得撞击速度大大提高，从而获得很大的核材料压缩比。它甚至比全部用炸药填充这部分空间的结构形式所能获得的核材料压缩比还要大得多。关于这方面的理论研究，也是高速冲击动力学所研究的重点课题之一。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构内爆式原子弹技术特点内爆式原子弹技术特点1、通过多点起爆，造成一个向内汇聚到一个中心球面压力波，、通过多点起爆，造成一个向内汇聚到一个中心球面压力波，提高了对核燃料的压缩效果。提高了对核燃料的压缩效果。2、内爆的同步性要求高，同步性小于、内爆的同步性要求高，同步性小于1微妙。微妙。起爆点数的疏密、雷管起爆同步性、炸药纯度、炸药装药密起爆点数的疏密、雷管起爆同步性、炸药纯度、炸药装药密度的均匀性、结构部件加工误差等都会影响同步性。度的均匀性、结构部件加工误差等都会影响同步性。3、由于核材料的压缩成高密度，可减少核装药量，降低成本。、由于核材料的压缩成高密度，可减少核装药量，降低成本。4、超临界速度加快，核爆成功率加大，提高核材料的利用率。、超临界速度加快，核爆成功率加大，提高核材料的利用率。5、技术难度、储存难度比枪式高得多。、技术难度、储存难度比枪式高得多。核材料一般不能少于核材料一般不能少于1公斤，公斤，“胖子胖子”就是一颗内爆式的钚弹，就是一颗内爆式的钚弹，爆炸当量爆炸当量2万吨万吨TNT。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构内爆式原子弹的两个理论问题。炸药厚度的最佳选择原则 当整个核装置的外径尺寸、也就是相当于炸药部件的外径给定、被驱动核材料部件的重量确定时，怎样选取内部的结构尺寸，可以使得被驱动部件获得最大的动能呢?这对于实现弹头的小型化具有十分重要的意义。答案：当炸药部件的外径给定、被驱动核材料部件的重量确定时，炸药球壳的内外半径之比取0.572时，金属部件可以通过炸药的爆炸获得最大的动能，这是在内爆式原子弹的结构设计中需要尽量遵循的一条规律。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构飞层空腔结构合理性的力学解释当发生冲击碰撞时，飞层内层材料中的压力与飞层的能量体积密度成正比。由此可知，要提高被碰撞物体中的压力，获得较大的材料压缩比，必须提高飞层撞击时的速度，或者选用较高密度的飞层材料。为了使飞片充分吸收爆轰产物的能量，必须保证飞片有足够的飞行距离，因此，飞片和靶之间必须留有一定长度的空腔。实验证明：飞片的加速过程是十分迅速的。一般的加速过程在40-60 mm长的空腔内即可完成。飞层空腔结构的作用就是利用飞层在空腔中飞行时所造成的低压状态，使爆轰产物对其不断作功，增加本身之动能，所以飞层起了“能量泵”的作用，使金属从爆轰产物中吸收更多的能量。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构助爆式原子弹的结构原理助爆式原子弹的结构原理就是在原子弹裂变材料的中心形成一个较小的聚变反应，依靠聚变反应所提供的高温、高压条件和大量中子增大裂变爆炸的威力。这种技术目前大量应用于先进的核武器当中。在裂变武器爆炸时，中心部分处于极高的温度和压力下，（几百亿个大气压，几千万度）。如果在爆炸中心放置一些聚变材料的话，可以引发聚变反应。由于聚变反应所产生的中子具有14Mev以上的能量，当它们与可裂变核碰撞时，就可以使得可裂变核产生裂变反应并放出更多的中子。这两种反应共同作用，使原来的链式裂变反应比没有聚变反应时增殖的更快，从而发生更多的裂变反应，更多的裂变反应又促使发生更多的聚变反应。因此，在核装置解体之前将有更多的原子核发生分裂。助爆式原子弹与末助爆的原子弹相比，威力可以增大2-10倍。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构助爆材料助爆材料要想让武器的体积小、质量轻，减少炸药用量就是首选的方要想让武器的体积小、质量轻，减少炸药用量就是首选的方案。然而，炸药用量的减少势必会降低裂变材料的压缩度，案。然而，炸药用量的减少势必会降低裂变材料的压缩度，从而影响到武器的效率。从而影响到武器的效率。解决问题的方法：在裂变芯的中央加入少量的解决问题的方法：在裂变芯的中央加入少量的D、T混合物，混合物，利用裂变反应放出的能量，使中心温度提高，发生显著的利用裂变反应放出的能量，使中心温度提高，发生显著的D、T聚变反应。聚变反应产生的高能中子不仅使系统中的中子数聚变反应。聚变反应产生的高能中子不仅使系统中的中子数量增加，而且使得中子的平均自由程发生了变化，从而使得量增加，而且使得中子的平均自由程发生了变化，从而使得时间常数增加。高能中子能量高的意义远远超过了它数目多时间常数增加。高能中子能量高的意义远远超过了它数目多的意义，这是因为中子的速度越高，它的增殖就越快；高能的意义，这是因为中子的速度越高，它的增殖就越快；高能中子所诱发反应的中子产额要比快中子的大得多；高能中子中子所诱发反应的中子产额要比快中子的大得多；高能中子的裂变截面大，它不仅是裂变截面的绝对值大，而且与散射的裂变截面大，它不仅是裂变截面的绝对值大，而且与散射和俘获截而的比值也明显增大。和俘获截而的比值也明显增大。按照装置中心聚变材料的状态不同，助爆式原子弹又分为“气体助爆”和“固体助爆”两种形式。气体助爆：聚变材料在武器中以D、T气体的形式存在。固体助爆：聚变材料在武器中以某种固态化合物的形式存在。助爆式原子弹当中聚变材料的选取不同于氢弹当中聚变材料的选取。在氢弹中，首选的聚变材料6LiD，而对于助爆型原子弹来说这不是最好的选择。因为Li要吸收裂变中子以后才能产生造氚反应这使得系统中的中子数减少。用液态的D和T做为聚变材料也是不合适的，因为为了使 D和T液化，要用到庞大的加压和冷却设备，从而导致武器的体积和质量大幅度增加。唯一的选择是选用气态或固态的D和T的混合物。由于D是一种放射性材料，并且它的半衰期只有12.3年，因此武器中的“助爆材料需要定期更换。第二讲：核能的军事应用第二讲：核能的军事应用-核武器基本结构核武器基本结构美国美国“小男孩小男孩”