10核武器基本原理2核材料有关问题
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反应堆级的钚（含钚240、241高的钚） 给核武器制造带来的问题？ • 问题
– 自发裂变产生的中子使核武器早点火 – 自发裂变产生的热使得核武器不好维护
14
分析2、怎样分析日本的钚的用途？
• 用作核武器： • 反应堆级钚用作核武 器的技术问题：
– 早点火问题； – 发热问题
• 用作能源： • 经济性
n
n
俘获
俘获 U238
U238
γ
γ
冷却剂
γ
俘获
俘获
结构材料
γ
9
反应堆工作原理
• 中子慢化提高U235产生裂变的机会：慢化剂； • 改变反应区构型，以维持临界状态（中子数量 不变化）：控制棒、气泡； • 将热量导出：以维持热平衡（重水、沸水）； • 天然反应堆：想象天然反应堆出现的情形
10
钚的生产
11
钚240、241带来的问题
• 钚240、241具有高的自发裂变率。 • 反应堆中辐照时间越长，钚240、241含 量越高。 • 辐照时间少，钚240、241含量低的钚材 料适合做核武器。 • 武器级钚：钚239含量大于80%-97% • 生产武器级钚（主要特征是什么）
– （1）及时更换燃料棒； – （2）后处Hale Waihona Puke Baidu提取钚。
U235较多 U235+U238 UF6输入
离心机 centrifuge machine
U238较多
6
离心机的并联与串联 低浓缩铀与高浓缩铀的生产
产品一
产品二
7
离心机级联 cascade
8
反应堆中的临界
n U235 n n γ U238 俘获 n U235 n U235 n U235 n n
4
铀的浓缩
• 如何提高铀235的含量： 离心法、扩散法、激光同位素分离。 • 铀235含量高的称为浓缩铀，一些商用反应堆 要求铀235浓度大于2%；剩余的铀238含量高 的物质称为贫铀。 • 贫铀弹算核武器吗？ • 武器级铀指铀235浓度大于20%（90%）。 • 伊朗核问题是什么？（见下一页）
5
3
核燃料循环-前段
• 铀矿勘探和开采 → 铀矿石或矿石溶液 • 铀（产物）提取 → 黄饼 (yellow cake, U 3O 8) • 转化 (conversion)
– 路径1：→ UO2（天然铀燃料） – 路径2：→ UF6（六氟化铀气体）→ 浓缩 → 转化成铀氧化物（或金属铀）
• 燃料制备 (fuel fabrication)
– 比较铀电的价格和钚 电的价格； – 考虑铀储量减少带来 的价格上涨； – 何时铀电价格超过钚 电价格
15
阅读思考 下次课堂讨论
• 目前伊朗核问题的主要议题是什么？各方主要 观点是什么？
16
12
核装置类型与核材料
• 浓缩铀既可用作内爆法核武器，又可用作枪法 核武器； • 钚只能用作内爆法核武器； • 枪法核武器设计较为简单直观一些，可以不需 要核爆炸试验； • 内爆法核武器设计较为复杂一些，往往需要核 爆炸试验来验证设计 • 问题：朝鲜核武器是什么类型的？是否需要核 试验？
13
分析1：反应堆级的钚 与核武器制造
• 反应堆中产生钚： 反应堆中铀238经过中子辐照产生钚239。继续 辐照生成钚240、241。 238U + n(裂变中子)→…→239Pu 239Pu + n(裂变中子) →240Pu… 241Pu • 钚的后处理(reprocessing)： 将反应堆废料作后处理（化学分离）生产钚 （以及没烧完的铀）。
下次课堂讨论
• 目前伊朗核问题的主要议题是什么？各方主要 观点是什么？
1
《科学技术与国际安全》 课程号： 40700333
第七讲：核武器基本原理-2 --核材料有关问题
铀的同位素
• 铀235：0.7%，半衰期7亿年，吸收任何能量 中子都裂变，低能中子裂变概率大，是裂变核 武器中的有效成分； • 铀238：99.3%，半衰期45亿年，吸收低能中 子变成钚239，吸收高能中子发生裂变。 • 问题：如果时间倒流，铀235的含量会如何变 化？ • 12.7亿年前铀235的丰度是2%。
– 自发裂变产生的中子使核武器早点火 – 自发裂变产生的热使得核武器不好维护
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分析2、怎样分析日本的钚的用途？
• 用作核武器： • 反应堆级钚用作核武 器的技术问题：
– 早点火问题； – 发热问题
• 用作能源： • 经济性
n
n
俘获
俘获 U238
U238
γ
γ
冷却剂
γ
俘获
俘获
结构材料
γ
9
反应堆工作原理
• 中子慢化提高U235产生裂变的机会：慢化剂； • 改变反应区构型，以维持临界状态（中子数量 不变化）：控制棒、气泡； • 将热量导出：以维持热平衡（重水、沸水）； • 天然反应堆：想象天然反应堆出现的情形
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钚的生产
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钚240、241带来的问题
• 钚240、241具有高的自发裂变率。 • 反应堆中辐照时间越长，钚240、241含 量越高。 • 辐照时间少，钚240、241含量低的钚材 料适合做核武器。 • 武器级钚：钚239含量大于80%-97% • 生产武器级钚（主要特征是什么）
– （1）及时更换燃料棒； – （2）后处Hale Waihona Puke Baidu提取钚。
U235较多 U235+U238 UF6输入
离心机 centrifuge machine
U238较多
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离心机的并联与串联 低浓缩铀与高浓缩铀的生产
产品一
产品二
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离心机级联 cascade
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反应堆中的临界
n U235 n n γ U238 俘获 n U235 n U235 n U235 n n
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铀的浓缩
• 如何提高铀235的含量： 离心法、扩散法、激光同位素分离。 • 铀235含量高的称为浓缩铀，一些商用反应堆 要求铀235浓度大于2%；剩余的铀238含量高 的物质称为贫铀。 • 贫铀弹算核武器吗？ • 武器级铀指铀235浓度大于20%（90%）。 • 伊朗核问题是什么？（见下一页）
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核燃料循环-前段
• 铀矿勘探和开采 → 铀矿石或矿石溶液 • 铀（产物）提取 → 黄饼 (yellow cake, U 3O 8) • 转化 (conversion)
– 路径1：→ UO2（天然铀燃料） – 路径2：→ UF6（六氟化铀气体）→ 浓缩 → 转化成铀氧化物（或金属铀）
• 燃料制备 (fuel fabrication)
– 比较铀电的价格和钚 电的价格； – 考虑铀储量减少带来 的价格上涨； – 何时铀电价格超过钚 电价格
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阅读思考 下次课堂讨论
• 目前伊朗核问题的主要议题是什么？各方主要 观点是什么？
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核装置类型与核材料
• 浓缩铀既可用作内爆法核武器，又可用作枪法 核武器； • 钚只能用作内爆法核武器； • 枪法核武器设计较为简单直观一些，可以不需 要核爆炸试验； • 内爆法核武器设计较为复杂一些，往往需要核 爆炸试验来验证设计 • 问题：朝鲜核武器是什么类型的？是否需要核 试验？
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分析1：反应堆级的钚 与核武器制造
• 反应堆中产生钚： 反应堆中铀238经过中子辐照产生钚239。继续 辐照生成钚240、241。 238U + n(裂变中子)→…→239Pu 239Pu + n(裂变中子) →240Pu… 241Pu • 钚的后处理(reprocessing)： 将反应堆废料作后处理（化学分离）生产钚 （以及没烧完的铀）。
下次课堂讨论
• 目前伊朗核问题的主要议题是什么？各方主要 观点是什么？
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《科学技术与国际安全》 课程号： 40700333
第七讲：核武器基本原理-2 --核材料有关问题
铀的同位素
• 铀235：0.7%，半衰期7亿年，吸收任何能量 中子都裂变，低能中子裂变概率大，是裂变核 武器中的有效成分； • 铀238：99.3%，半衰期45亿年，吸收低能中 子变成钚239，吸收高能中子发生裂变。 • 问题：如果时间倒流，铀235的含量会如何变 化？ • 12.7亿年前铀235的丰度是2%。