原子物理学 原子核物理概论 (7.10.3)--裂变与聚变：原子能的利用-1
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物质的第四态——等离子体
Lawson判 据 ：
n 1014 s / cm3 1020 s / m 3
T 10keV
(6) 太阳能——引力约束聚变
P
P
4 2
He
15 7
N
12 6
C
13 7
N
e
e
15 8
O
13 6
C
P
14 7
N
碳—氮循环
P
1 1
H
12 6
C173
He
4 2
He
11H
18.3
MeV
621 H 242 He 211 H 201 n 43.15 MeV
核聚变的特点：
- 与核裂变相比，释放的能量更 大
- 聚变材料十分丰富 - 聚变产物基本上是稳定氦核
，无放射性，不污染环境。
热核反应：
氘核的热运动能量：3 2 kT T 108 ~ 1010 K
neutron is captured
U-236 breaks into two pieces
electrical repulsion
U-235 nucleus
U-236 nucleus in excited state
electrical repulsion
two or three neutrons set free
能量大于 1.1MeV ，打中 238U ，引起 裂变，中子数增加
能量小于 1.1MeV ，打中 238U ，不引 起裂变，但可能被吸收，中子数减少
没有打中铀核，飞出铀块，中子数减少 被铀块中的杂质吸收，中子数减少
维持链式反应的条件：
增 殖 系 数 ：K
每 一 代 中 子 数N 前 一 代 中 子 数N 0
1
临界体积：能保证K的ﾾ 裂1 变物
的最小体积。
临界质量：临界体积的裂变物所
具有的质量。
反应堆 (reactor)
减速剂 控制棒
屏蔽体
燃料元件
反应堆主要组成部分：
- 活性区（堆芯）：放置裂变物质 和中 子减速剂，发生核裂变的场所 。
- 中子反射层：将飞出活性区的中 子挡 回活性区。
- 冷却系统：传输活性区产生的热 量。
Z2 A
n 235U 236 U , Z 2 / A 35.9
n 239Pu 240 Pu, Z 2 / A 36.8
Nuclear fission of uranium-235
neutron comes towards U-235 nucleus neutron
U-236 nucleus oscillates like liquid drop
140
Cs
ﾾ
ﾾ ﾾ
140
Ba ﾾ
ﾾ ﾾ
140
La ﾾ
ﾾ ﾾ
140
Ce
94 38
Sr
ﾾ
ﾾ ﾾ
94 Y
ﾾ
ﾾ ﾾ
94 Zr
从核素图看裂变过程
（ 2 ）裂变机制
库仑力 核力
液滴模型
时间
ES
2
aS A3
，EC
aC
Z
2
A
1 3
可裂变率
EC ES
~
Z 2 A1 3 A2 3
144 Ba 144 La 144 Ce 144 Pr 144 Nd 89Kr 89 Rb 89 Sr 89 Y
2、 n 235 U 236 U* 140 Xe 94 Sr 2n
140
54
Xe
ﾾ
ﾾ ﾾ
U 235
中子
U 235
U 235
uranium nucleus neutron
The nuclear chain reaction
fission fragments
neutrons
(resourcefulphysics.org)
中子在铀块中的五种遭遇
不论能量多少，打中 235U ，引起裂变， 中子数增加
fission products
energy per U-235 fission event = 202 MeV
about 0.9 MeV per nucleon
energy per nucleon = 202 MeV/235 nucleons = 0.86 MeV per nucleon
链式反应 (chain reaction)
§42 裂变和聚变： 原子能的利用
（ 1 ）裂变 (fission) 的发现
重核的裂变：一个重原子核分裂 为两个或两个以上中等质量碎片的 现象。
原子核裂变的特点：
裂变产物中含中子数很多 裂变产物的质量分布很广 裂变释放的能量很大 发生裂变的原子核种类很多
1、 n 235 U 236 U* 144 Ba 89 Kr 3n
(3) 自发裂变 (SF) (4) 裂变能量及其利用
Nuclear fission of uranium-235
Fission takes nucleons down the binding energy valley 0
curve of binding energy as number of nucleons changes
U-235 breaks into two unequal fragments of variable size
–7.6 –8.8
about 0.9 MeV
100
133
235
Coulomb slope
nucleon number A
Nuclear fission of uranium-235
Energy from fission fissile nucleus
稳定器 引爆装置
铀块或钚块 中子反射层
（ 5 ）轻核聚变 (fusion)
轻核的聚变（核聚变）：轻原子 核聚合成较重原子核的核反应。
2 1
H
21H
3 2
He
01n
3.25
MeV
2 1
H
21H
3 1
H
1 1
H
4.0
MeV
2 1
H
31H
4 2
He
01n
17.6
MeV
2 1
H
3 2
反应堆用途：
原子能动力 制造放射性同位素 产生大量中子 产生核来自百度文库料
n
U 238
92
T1/ 2 23.5 min
U 239
92
e
T1/ 2 2.35d
239 93
Np
e
T1/ 2 2.44 104 a
239 94
Pu
生
产239 94
Pu的
反
应
原子弹 (A-bomb)
弹壳
N
13 7
N136
C
1 1
H
13 6
C174
N
1 1
H
14 7
N158
O
15 8
O175
N
β
1 1
H
15 7
N126
Lawson判 据 ：
n 1014 s / cm3 1020 s / m 3
T 10keV
(6) 太阳能——引力约束聚变
P
P
4 2
He
15 7
N
12 6
C
13 7
N
e
e
15 8
O
13 6
C
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14 7
N
碳—氮循环
P
1 1
H
12 6
C173
He
4 2
He
11H
18.3
MeV
621 H 242 He 211 H 201 n 43.15 MeV
核聚变的特点：
- 与核裂变相比，释放的能量更 大
- 聚变材料十分丰富 - 聚变产物基本上是稳定氦核
，无放射性，不污染环境。
热核反应：
氘核的热运动能量：3 2 kT T 108 ~ 1010 K
neutron is captured
U-236 breaks into two pieces
electrical repulsion
U-235 nucleus
U-236 nucleus in excited state
electrical repulsion
two or three neutrons set free
能量大于 1.1MeV ，打中 238U ，引起 裂变，中子数增加
能量小于 1.1MeV ，打中 238U ，不引 起裂变，但可能被吸收，中子数减少
没有打中铀核，飞出铀块，中子数减少 被铀块中的杂质吸收，中子数减少
维持链式反应的条件：
增 殖 系 数 ：K
每 一 代 中 子 数N 前 一 代 中 子 数N 0
1
临界体积：能保证K的ﾾ 裂1 变物
的最小体积。
临界质量：临界体积的裂变物所
具有的质量。
反应堆 (reactor)
减速剂 控制棒
屏蔽体
燃料元件
反应堆主要组成部分：
- 活性区（堆芯）：放置裂变物质 和中 子减速剂，发生核裂变的场所 。
- 中子反射层：将飞出活性区的中 子挡 回活性区。
- 冷却系统：传输活性区产生的热 量。
Z2 A
n 235U 236 U , Z 2 / A 35.9
n 239Pu 240 Pu, Z 2 / A 36.8
Nuclear fission of uranium-235
neutron comes towards U-235 nucleus neutron
U-236 nucleus oscillates like liquid drop
140
Cs
ﾾ
ﾾ ﾾ
140
Ba ﾾ
ﾾ ﾾ
140
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ﾾ ﾾ
140
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94 38
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ﾾ
ﾾ ﾾ
94 Y
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ﾾ ﾾ
94 Zr
从核素图看裂变过程
（ 2 ）裂变机制
库仑力 核力
液滴模型
时间
ES
2
aS A3
，EC
aC
Z
2
A
1 3
可裂变率
EC ES
~
Z 2 A1 3 A2 3
144 Ba 144 La 144 Ce 144 Pr 144 Nd 89Kr 89 Rb 89 Sr 89 Y
2、 n 235 U 236 U* 140 Xe 94 Sr 2n
140
54
Xe
ﾾ
ﾾ ﾾ
U 235
中子
U 235
U 235
uranium nucleus neutron
The nuclear chain reaction
fission fragments
neutrons
(resourcefulphysics.org)
中子在铀块中的五种遭遇
不论能量多少，打中 235U ，引起裂变， 中子数增加
fission products
energy per U-235 fission event = 202 MeV
about 0.9 MeV per nucleon
energy per nucleon = 202 MeV/235 nucleons = 0.86 MeV per nucleon
链式反应 (chain reaction)
§42 裂变和聚变： 原子能的利用
（ 1 ）裂变 (fission) 的发现
重核的裂变：一个重原子核分裂 为两个或两个以上中等质量碎片的 现象。
原子核裂变的特点：
裂变产物中含中子数很多 裂变产物的质量分布很广 裂变释放的能量很大 发生裂变的原子核种类很多
1、 n 235 U 236 U* 144 Ba 89 Kr 3n
(3) 自发裂变 (SF) (4) 裂变能量及其利用
Nuclear fission of uranium-235
Fission takes nucleons down the binding energy valley 0
curve of binding energy as number of nucleons changes
U-235 breaks into two unequal fragments of variable size
–7.6 –8.8
about 0.9 MeV
100
133
235
Coulomb slope
nucleon number A
Nuclear fission of uranium-235
Energy from fission fissile nucleus
稳定器 引爆装置
铀块或钚块 中子反射层
（ 5 ）轻核聚变 (fusion)
轻核的聚变（核聚变）：轻原子 核聚合成较重原子核的核反应。
2 1
H
21H
3 2
He
01n
3.25
MeV
2 1
H
21H
3 1
H
1 1
H
4.0
MeV
2 1
H
31H
4 2
He
01n
17.6
MeV
2 1
H
3 2
反应堆用途：
原子能动力 制造放射性同位素 产生大量中子 产生核来自百度文库料
n
U 238
92
T1/ 2 23.5 min
U 239
92
e
T1/ 2 2.35d
239 93
Np
e
T1/ 2 2.44 104 a
239 94
Pu
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应
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弹壳
N
13 7
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1 1
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1 1
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