核电基础知识授课讲稿

核电基础知识授课讲稿 Ting Bao was revised on January 6, 20021

核电基础知识

第一节 反应堆物理基础

一． 原子和原子核

1．

原子的基本概念

世界上任何物质都是由原子组成的。原子是进行化学反应的最小单位。 原子是由质量相对较大、体积较小位于原子中心的原子核和绕其高速运转的轨道电子组成。

在所有稳定原子中，轨道电子数等于核内质子数，原子作为一个整体是不带电的。

当原子得到或失去电子，便会得到或失去负电荷。呈负电性或

正电性的原子称为离子。

2． 原子核的基本概念

原子核由A 个核子组成（A 是核内的核子数，又称质量数），其中有Z 个带有正电荷的质子（Z 是原子序数，即原子核中质子的数量）和N 个（N 表示核内中子数，N=A-Z ）电中性的中子。任何一个原子核X 都可用符号

N

A Z

X 来表

示，例如，He z

42，O 1688，U 238

92146等等。实际上，只要简写为X A ，它已足以

代表一个特定的核素。

原子、原子核、质子、中子、电子等微观粒子的质量非常小，不方便用克或千克作其质量的单位。一般用原子质量单位（u ）来表示微观粒子的质量。对原子来说就是原子量。1u 是一个碳-12原子质量的十二分之一即×10-27Kg 。质子的静止质量为，中子的静止质量为，电子的静止质量为。一个质量数为A 的原子其原子量近似为A 。

原子核带正电，电荷量为＋Ze 。

电子 质子 中子

图1-1 原子结构示意图

原子核周围的电子是按一定规律分层排列的，层之间具有能量的差别。 质子和中子在结合成原子核的过程中要损失一部分质量（质量亏损），这部分质量以能量的形式（E=△mc2）释放出来。反之，要使原子核内质子中子分开，必须施加与之相等的能量，此能量叫结合能。

由于能量和质量有内在的联系，在原子物理学中，经常用能量来表示其质量，如1u 对应的能量为。

二． 原子核的放射性

原子核内具有特定数目的质子和中子并处于同一能态的一类原子称为核素。某种元素有多少种同位素就有多少种核素。核素有的稳定，有的不稳定。不稳定的原子核，总是自发地以释放出粒子（α、β、n ）或γ光子的形式释放能量以逐步达到稳定状态，这个过程称为衰变。

在衰变过程中放出粒子和光子的现象叫放射性。

具有放射性的核素叫放射性核素。原子序数大于84的核素都有放射性。 所有的由一个或多个放射性核素构成的物质叫放射源。

三． 核裂变

裂变现象的发现，引起了人们极大的注意。这不仅是因为在裂变过程中释放出巨大的能量，而且在裂变过程中都伴随着中子的发射。这些中子将使裂变自动地继续下去，形成链式反映，从而使原子能大规模利用成为可能。 在没有外来粒子轰击下，原子核自行发生裂变的现象叫自发裂变，而在外来粒子轰击下，原子核才发生裂变的现象成为诱发裂变。 1．

自发裂变

自发裂变的一般表达式

→X A

Z 212

211Y Y A Z A Z +

在自发裂变刚发生的瞬间满足如下的关系：A=A1＋A2；Z=Z1+Z2，即粒子数守恒。其中，A1、A2和Z1、Z2分别为裂变产物的质量数和电荷数。 自发裂变能Q f,s =T Y1(Z1,A1)+T Y2(Z2,A2)

由能量守恒可以导出：

Q f,s =m(Z,A)C2-[m(Z

1

,A

1

)+m(Z

2

,A

2

)]C2

和

Q

f,s

=B(Z1,A1)+B(Z2,A2)-B(Z,A)

自发裂变发生的条件：Q

f,s

> 0，即两裂片的结合能大于裂变核的结合能。2．诱发裂变

能够发生自发裂变的核素不多，大量的裂变过程是诱发裂变，即当具有一定能量的某粒子α轰击靶核A时，形成复合核。复合核一般处于激发态，其激发能超过它的裂变位高垒高度时，那么核裂变就会立即发生。

诱发裂变中，中子诱发裂变是最重要的。这是由于中子与靶核没有库仑势垒，能量很低的中子就可以进入核内使其激发而发生裂变。裂变过程又有中子发射，可以形成链式反应。

第二节核动力厂反应堆

一．核反应堆的基本工作原理

自续链式裂变反应是核反应堆的物理基础。当一个燃料核俘获一个中子产生裂变后，平均可放出个中子，即第二代中子数目要比第一

代多。粗粗看起来链式反应自续下去是不成问题的，但实际情况并非

如此。下面以热中子反应堆为例加以讨论。热堆的堆芯由燃料、慢化

剂、冷却剂及各种结构材料组成的，因此堆芯中的中子不可避免的有

一部分被非裂变材料吸收。此外，还有一部分中子要从堆芯泄漏出

去。即使是被裂变材料吸收的中子也只有一部分能引发裂变、产生下

一代中子，其余的引发俘获反应，不产生中子，因此，下一代中子数

不一定比上一代多。

核反应堆内链式反应自续进行的条件可以方便的用有效增殖系数K来表示。它的定义是：

K=（系统内中子的产生率）/（系统内中子的消失率）

系统内中子的消失率＝系统内中子的吸收率＋系统内中子的泄漏率

只要知道了系统的宏观截面和中子通量，中子的产生率和吸收率就可以计算出来。

若堆芯的有效增殖系数K=1，则堆芯内中子的产生率等于中子的消失率，堆芯内的链式反应将以恒定的速率不断进行下去，也就是说链

式反应过程处于稳定状态，此时反应堆的状态称为临界状态。

二．核反应堆的主要类型

目前，在以发电为目的的核能动力领域，世界上应用比较普遍或具有良好发展前景的，主要有压水堆（PWR），沸水堆（BWR），重水堆（PHWR），高温气冷堆（HTGR）和快中子堆。下表是5种核反应堆的基本特征：