第七章续 原子核物理概论

4
一些重核对热中子(0.025eV)的截面（b）
原子核 233U 235U 236U
天然铀 239Pu 241Pu
σa 578 683 2.71 7.68 1028
1400
σf 525 582 0 4.18 742
1025
σc 53 101 2.71 3.50 286
375
σs 0 0 8.3 8.3 9.6
秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆 核电站，地处浙江省海盐县。 1985年3月20日开工，1991年12月15 日并网发电。秦山核电站的建成发 电，结束了中国大陆无核电的历史，实现了零的突破。
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大亚湾核电站是我国大陆第一座百万千瓦级大型商用核电站，拥有两台 98.4万千瓦的压水堆核电机组，1982年12月国务院批准建设，1987年8 月主体工程开工，1994年5月建成投入商业运行 。
0
热中子：在室温下与周围物质处于热平衡的中子，平均 动能0.025eV (T=300K)，速度2200m/s
吸收截面： a f c
5
裂变条件：入射中子在质心系中的动能加上中子与靶核 的结合能大于复合核的裂变激活能。
热中子能使235U裂变，但不能使238U裂变，因为中子和它 们的结合能不同。 对235U，结合能为6.4MeV，超过了复合核236U的激活能 （5.3MeV），因此，中子不需要附加的动能就能引起核 裂变。 对238U，结合能为4.9MeV，而复合核239U的激活能为 5.8MeV，因此，只有当中子的动能约大于1.0MeV才能 发生裂变。
第十节
裂变理论
裂变与裂变能的利用
裂变能和释放能量条件
对于反应
A Z
A X Z11Y ZA22X 的裂变能为：
E f M A ( Z , A) M A ( Z1, A1 ) M A ( Z 2 , A2 ) 931.5
根据质量亏损的计算，Ef=0的临界状态对应于A≈100，Z ≈44，A大于100的核裂变为放能反应，A小于100的核裂 变为吸能反应。




94
Sr Y → Zr
94 94
8


IA
IIA
IIIB
IVB
VB
VIB
VIIB
VIII
IB
IIB
IIIA
IVA
VA
VIA
VIIA
0
2 氦Baidu NhomakorabeaHe
1
1 氢H 3 锂 Li 11 钠 Na 19 钾K 37 铷 Rb 55 铯 Cs 87 钫 Fr 4 铍 Be 12 镁 Mg 20 钙 Ca 38 锶 Sr 56 钡 Ba 88 镭 Ra 21 钪 Sc 39 铱Y * 镧系 ** 锕系 22 钛 Ti 40 锆 Zr 72 铪 Hf 104* Rf 23 钒V 41 铌 Nb 73 钽 Ta 105* D b 24 铬 Cr 42 钼 Mo 74 钨W 106* S g 25 锰 Mn 43 锝 Tc 75 铼 Re 107* Bh 26 铁 Fe 44 钌 Ru 76 锇 Os 108* Hs 27 钴 Co 45 铑 Rh 77 铱 Ir 109* Mt 28 镍 Ni 46 钯 Pd 78 铂 Pt 110 Uun 29 铜 Cu 47 银 Ag 79 金 Au 111 Uuu 30 锌 Zn 48 镉 Cd 80 汞 Hg 112 Uub 5 硼B 13 铝 Al 31 镓 Ga 49 铟 In 81 铊 Tl 113 Uut 6 碳C 14 硅 Si 32 锗 Ge 50 锡 Sn 82 铅 Pb 114 Uuq 7 氮N 15 磷P 33 砷 As 51 锑 Sb 83 铋 Bi 115 Uup 8 氧O 16 硫S 34 硒 Se 52 碲 Te 84 钋 Po 116 Uuh 9 氟F 17 氯 Cl 35 溴 Br 53 碘I 85 砹 At 117 Uus
2
注 * 的是人造元素
10 氖 Ne 18 氩 Ar 36 氪 Kr 54 氙 Xe 86 氡 Rn 118 Uuo
3
4
5
6
7
* 镧系元素
57 镧 La 89 锕 Ac
58 铈 Ce
59 镨 Pr
60 钕 Nd
61* 钷 Pm
62 钐 Sm
63 铕 Eu
64 钆 Gd 96* 锔 Cm
65 铽 Tb 97* 锫 Bk
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安全壳
热 堆 的 工 作 原 理 示 意 图
热蒸汽 汽轮机
冷蒸汽
发电机
热水
冷水
给水泵
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快中子增殖堆（快堆）
吃贫铀的“神牛”
22
增殖裂变反应
n U U
238 239
239
Np e ve
239

T 23.5 min

Pu e ve
T 2.35d
23
10
一个235U核裂变放出的能量201MeV，分配如下：
裂变碎片动能 瞬发γ射线能量
裂变中子的动能 β粒子能量 γ衰变能量 反中微子能量
168.8MeV 7.2MeV
5MeV 5MeV 5MeV 10MeV
裂变能中，反中微子和一部分穿透力很强的γ 射线会带走一部 分能量，不能实际利用，其余约90%裂变能都能有效利用。
1
裂变过程和激活能 激活能：使原子核裂变需要提供的最低能量
裂变过程：原子核由于外界作用发生振动变形，如果 从外界获得的能量大于表面张力的束缚，它的变形将 进一步增大，直至分裂为两个核。外界提供能量的方 法通常是用具有一定能量的中子轰击原子核。
2
一些原子核的裂变激活能
原子核
242 238
Pu
激活能 /MeV 4.0
要使 (1 ) K 1， K 1
对 235 U的热中子裂变， 0.0064，

1 K 1.0064
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热中子反应堆（热堆）
热堆：用慢化剂使裂变中子减速到热中子以增加和235U的裂 变截面的反应堆。
分类：
压水堆 轻水堆 沸水堆 热堆重水堆 石墨气冷堆
2）与235U作用：能引起裂变反应，中子能量越低裂变截面 越大。 3）与杂质作用：很多杂质核对中子吸收截面很大，因此杂 质可对中子大量吸收。 4）中子逃逸
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提高增殖系数的方式
1）浓缩铀：提高235U在燃料里面的含量（原子弹，快 堆使用） 2）慢化中子：预先冷却裂变中子。常用的慢化剂有重 水、石墨以及普通水。 3）燃料提纯 4）适当的结构设计----临界体积，临界质量
γ射线： 裂变碎片或碎片ß衰变的子核通常处于激发态，会通过辐 射退激，因此核裂变通常伴随γ辐射。 裂变中子 1）瞬发中子：碎片核通常中质比过高，且具有很高的 激发能，因而碎片产生后会立即释放出一些过多的中子来， 称为瞬发中子，占裂变中子的98%以上。 2）缓发中子：裂变碎片ß衰变子核的激发能大于和中子 的结合能时发射出来的中子。发生在裂变后几秒至几分钟的 时间内，占裂变中子的1%~2%。

239Pu：裂变物质，与235U类似，中子能量越低裂变反
应截面越大，可作为反应堆核燃料，也可以造原子弹。 快堆不使用慢化剂，中子能量为几十万电子伏，属于 快中子，和铀-235的裂变反应截面较小，因此需要使 用浓度较大的浓缩铀（12%~30%）。 快堆增殖比：新产生的核燃料与消耗的核燃料的比值， 通常为1.1-1.4 冷却剂：使用液态钠作冷却剂
临界状态（k=1)，次临界状态（k<1），超临界状态 （k>1)
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反应堆
控制反应的方法：使用能强烈吸收中子的镉棒或硼棒 插入燃料中，以控制增殖系数。工作时使K>1，链式反 应将发生且扩大，达到所需要的功率后再使K=1，就能 稳定地输出能量。 来得及吗？ — 靠缓发中子。
控制原理：充分利用占比例很小的缓发中子。设缓发 中子比例为β ，瞬发中子为1-β，使瞬发中子的增殖系 数K(1-β)≤1，从而利用缓发中子从容控制反应进度。
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一个热中子被铀核吸收后产生K个中子，这些中子被慢化后又 会产生新的裂变，设这个周期是T，开始有n个中子，则这个 循环中增加了n(k−1)，中子随时间的变化率为：
dn n( K 1) dt T
n n0 e
( k 1 ) t / T
周期T=发射时间T1+慢化时间T2，T2≈0.001s，而T1对瞬发中 子和缓发中子是不同的。
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秦山二期核电站，是我国首座自主设计、自主建造、自主管理、 自主运营的2×65万千瓦商用压水堆核电站。 两台机组分别于2002年4月15日、2004年5月3日投入商业运行
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秦山三期核电站坐落在浙江省海盐县，是我国首座商用重水堆核电站。 1998年6月8日开工，2003年7月24日全面建成投产。
因此需要的燃料为：
8.64 / 7.4 = 1.17g
12
链式反应
铀核裂变时会释放出2-3个中子，每个中子又会引起新的裂 变反应，从而形成连锁反应，称为链式反应。
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链式反应发生的条件：中子增殖系数大于1 中子与核燃料的相互作用： 1）与 238U作用： 238U在天然铀中的含量达到99.3%，当中 子能量大于1.1MeV时主要发生非弹性散射损失能量，少部分发 生裂变；中子能量小于1.1MeV时，不能引起裂变，主要是散射 和辐射俘获，中子被慢化和吸收。
97 40
7

裂变碎片通常是不稳定的，有些要经过多次β衰变才能 变为稳定的核。
144
Ba→ La→ Ce→ Pr → Nd
144 144 144 144




89
Kr → Rb→ Sr → Y
89 89 89



140
Xe Cs→ Ba→ La→ Ce
140 140 140 140
6
裂变产物
裂变碎片： 每种核通常有多种裂变方式，因此可能产生 多种碎片核。如铀-235的裂变可能产生钡和 氪，或者氙和锶，或者碲和锆等等
144 89 56 Ba + 36 Kr
+ 3n
n+
235
U→
236
U
*
140 94 54 Xe + 38 Sr + 2n
137 52
Te Zr 2n
66 镝 Dy 98* 锎 Cf
67 钬 Ho 99* 锿 Es
68 铒 Er 100* 镄 Fm
69 铥 Tm 101* 钔 Md
70 镱 Yb 102* 锘 No
71 镥 Lu 103 * 铹 Lr
** 锕系元素
90 钍 Th
91 镤 Pa
92 铀U
93 镎 Np
94 钚 Pu
95* 镅 Am
9
11
一个发电量为1000kW的反应堆工作一天，需要的核燃料可按 如下方法计算。 需要的总能量为
Q = 10 ×24×3600= 8.64× 10 J
1克235U包含的原子核数为：
6
10
N = 6.022× 10 / 235 = 2.56× 10
1克235U能提供的裂变能为：
23
21
′ N ×201×90% × .6 × -13 = 7.4 × 10 J Q = 1 10 10
4.2 4.6 5.3
原子核
239 233 226
U
激活能 /MeV 5.8
6.5 7.6
Np U U
Th
234 236
Ra
3
裂变截面
中子和重核作用的主要效应： 裂变 (n, f ) 散射 (n, n)
f
辐射俘获 ( n， ) c
——中子损失； ——中子慢化。
s
这些过程相互竞争，究竟哪个过程占优由它们的截面决定
30
田湾核电站是中俄合作建成的2台106万千瓦的AES-91型压水堆核电站 1999年10月20日动工，2005年10月18日开始首次装料，12月20日反应 堆首次达到临界，2007年5月17日正式投入商业运行。
n n0e (1.0051) / 0.1 n0e 0.05 1.05n0
一秒钟增加5%，可以进行控制。
18
要合理选择 K : 无缓发中子时K 1 , 有缓发中子后 K 1。
若裂变中子中，缓发中子的份额为 , 则瞬发中子份额为1 。
K (1 ) K K
对瞬发种子，T1 ≈10-14s，对缓发中子T1 ≈0.1s 。
17
♫若仅靠瞬发中子, 这时 设 K 1.005 ，1秒钟后:
T T2 0.001s
5
n n0e
(1.0051 ) / 0.001
n0e 150n0,
K 1.005
来不及控制。
♫若有缓发中子参加时
T T1 0.1s ，1秒钟后:
24
其他增殖反应
n Th Th
232 233
233
Pa e ve
233
T 22.3 min
T 27d
U e ve
25
石墨气冷堆
1 天然铀石墨气冷堆 2 改进型气冷堆 3 高温气冷堆
请 华 大 学 研 制 的 高 温 气 冷 堆 吊 装
26
英 国 的 美 诺 克 斯 堆