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2009 05 30 1 第四章核裂变与核聚变 NuclearFission NuclearFusion 2009 05 30 2 4 1原子核的裂变反应 1 自发裂变和诱发裂变 自发裂变 没有外来粒子轰击 原子核自行裂变的现象 诱发裂变 在外来粒子轰击下 原子核才发生裂变的现象 1939年 哈恩和史特拉斯曼发现 利用中子轰击U时 产物中存在钡 随后 梅特纳和弗里什指出 U在中子的轰击下 分裂为两个中等质量核素 称这种现象为裂变 二分裂变 1947年 钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象 2009 05 30 3 1 自发裂变 a 自发裂变的一般表达式 其中 b 自发裂变的裂变能 由能量守恒 2009 05 30 4 发生自发裂变的条件 从比结合能曲线看 A 90即可满足该条件 c 原子核的稳定性与裂变势垒 与 衰变的势垒穿透类似 原子核自发裂变也要穿透一个势垒 称为裂变势垒 自发裂变半衰期对于裂变势垒的高度非常敏感 重核大多数具有 放射性 自发裂变与 衰变是相互竞争的过程 它们是重核蜕变的两种形式 裂变碎片是很不稳定的原子核 一方面碎片处于较高的激发态 另一方面它们是远离 稳定线的丰中子核而发射中子 所以自发裂变核又是一种很强的中子源 2009 05 30 5 2 诱发裂变 在外来粒子的轰击下 靶核与入射粒子形成复合核 复合核一般处于激发态 当其激发能大于裂变势垒时 会发生裂变 a 中子诱发裂变的一般表达式为 入射粒子可以是带电粒子或中子 主要研究中子诱发裂变 复合核的形成过程中 由能量守恒 设靶核静止 入射中子的动能为Tn 2009 05 30 6 复合核激发能 复合核的激发能为最后一个中子的结合能和中子的相对运动动能之和 2009 05 30 7 当时 复合核会发生裂变 即 对确定的复合核 根据其裂变势垒Eb和其最后一个中子的结合能Bn Z A 1 的大小 不等式右边可以小于等于热中子能量 也可以大于热中子能量 这两种情况对入射中子能量Tn的要求不同 据此我们也就可以分可以分热中子核裂变和阈能核裂变两种情况讨论 2009 05 30 8 b 热中子核裂变 以为例 可表示为 由于热中子的能量 所以 的激发能 而的裂变势垒 故热中子可以诱发裂变 这种热中子可诱发裂变的核素称为易裂变核 2009 05 30 9 c 阈能核裂变 以为例 可表示为 若仍为热中子 由于 而的裂变势垒 故热中子不能诱发裂变 这种热中子不能诱发裂变的核素称为不易裂变核 2009 05 30 10 由 这种中子能量必须大于一定的数值才能引起的核裂变称为阈能核裂变 能诱发阈能核裂变的中子的最小能量称为诱发裂变阈能 2009 05 30 11 关于易裂变核与不易裂变核的讨论 1 中子被核俘获后形成复合核 复合核处于激发态 将发生集体振荡并改变形状 以和为例 的 的 的值略小 其裂变概率也略小 2 复合核的激发能与裂变势垒的关系 2009 05 30 12 2 裂变后现象 中子进入靶核所形成的复合核处于激发态 复合核可能发生裂变 裂变会产生裂变碎片 如碎片的质量 能量 释放的中子 射线等 裂变后现象指裂变碎片的性质 2009 05 30 13 1 裂变过程 a 中子被靶核吸收形成复合核 b 复合核裂变为两个裂变碎片 c 初级碎片发射中子 d 次级碎片发射 射线 e 初级产物 衰变到稳定核素 远离 稳定线的丰中子核 具有很高的激发能 通常为1 3个中子 称为瞬发裂变中子 次级裂片的激发能小 不能发射中子 而主要以发射 光子形式退激 称为瞬发 射线 在连续 衰变过程中 有些核素可能具有较高的激发能 可以发射中子 称为缓发中子 2009 05 30 14 2 裂变碎片的质量分布 裂变碎片按质量分布的产额 对称分布 非对称分布 Z 100和Z 84 考虑二分裂情况 X和Y的质量分布 称为对称裂变 90 Z 98 称为非对称裂变 2009 05 30 15 低激发态重核的裂变多以非对称方式发生 如235U 裂变碎片质量分布呈马鞍形 重碎片质量的峰值是A 140 轻碎片质量的峰值为A 96 而对A 118的碎片仅占0 01 对各种裂变核的重碎片的质量的峰值都在A 140附近 而轻碎片的质量随裂变核而改变 裂变碎片几乎包括了大多数的中等质量核素 裂变碎片是得到放射性同位素的重要来源 2009 05 30 16 3 裂变中子 裂变中子可分为瞬发中子和缓发中子 对为 瞬发中子的能量是连续的 服从麦克斯韦分布 可以求出其平均能量 缓发中子产生于裂变产物的某些 衰变链中 其数量占全部中子的1 可控核裂变的实现取决于缓发中子的控制 2009 05 30 17 每次裂变释放出的平均中子数包括 瞬发中子和缓发中子 由于易裂变核吸收一个低能中子 除发生裂变外 还可能发生反应 因此 易裂变核每吸收一个热中子后 放出的平均中子数应修正为 以为例 2009 05 30 18 4 裂变能及其在裂变产物中的分配 裂变能定义为由复合核裂变成碎片所放出的能量 由于中等质量的裂变碎片的比结合能比重核的比结合能大 所以裂变必然放出巨大的能量 重核每次裂变大约产生200MeV的裂变能 裂变能大部分分配为裂变碎片的动能 裂变能的定义 二裂变 2009 05 30 19 3 链式反应和反应堆 链式反应 ChainReaction 2009 05 30 20 1 维持链式反应的条件 维持链式反应的基本条件是裂变放射出来的新一代中子中平均至少有一个中子又能引起新的裂变 在无限大的介质中 相邻两代中子总数之比称为中子倍增系数k 维持链式反应的条件即为 2009 05 30 21 实际上反应堆的大小是有限的 也就是说中子有表面泄漏 2009 05 30 22 维持链式反应的最小核燃料体积 称为临界体积 与临界体积相对应的核燃料的质量称为临界质量 对有限大小的反应堆 考虑到中子的表面泄漏 引入有效倍增系数 中子不泄漏的概率 2009 05 30 23 2 裂变反应堆 根据引起裂变的中子能量 反应堆可分为热中子反应堆和快中子反应堆 若采用对中子吸收很弱的慢化剂将裂变中子迅速降到热能 利用235U热中子裂变截面很大的特点 可以用天然铀或低浓缩铀来实现链式反应 若用高浓缩的235U或239Pu作为核燃料 在这种反应堆中没有专门的减速剂 引起裂变的中子主要靠能量较高的中子 称为快中子反应堆 快中子反应堆可实现裂变材料的增殖反应 而大大提高核燃料的利用 2009 05 30 24 3 反应堆的控制 反应堆要维持可控链式反应 须对反应堆实现控制 主要是控制中子的密度 从而改变 用吸收热中子截面很大的材料如作成柱形控制棒 由插入反应堆活性区的深浅来控制中子的密度 反应堆单位时间内平均增长的中子数为 定义反应堆周期T 2009 05 30 25 一代时间 决定于中子发射时间 1和中子慢化时间 2 通常在石墨慢化剂中 如果仅考虑瞬发中子 则 2009 05 30 26 对缓发中子 则中子发射时间由 衰变的半衰期决定 平均有 则 为了使缓发中子发挥作用 要合理选择值 通常选取在不考虑缓发中子时 只有缓发中子也参与裂变时 才有 2009 05 30 27 4 反应堆的应用 a 生产堆 主要用于生产239Pu 238U吸收中子经两次 衰变后变成239Pu b 作为强中子源和强 源 用于科学研究 c 核动力 核潜艇等 d 核能源 核电站 以轻水压水堆核电厂为例 核电站一般由反应堆 一回路系统 二回路系统及其他辅助系统组成 压水反应堆以低浓二氧化铀作燃料 高压水作冷却剂和慢化剂 裂变能大部分转化为裂变碎片的动能 阻止在燃料棒中 转化为燃料棒的热能 使堆芯温度升高 2009 05 30 28 一回路系统是将核能转化为水蒸气的热能装置 高温高压冷却水在泵的驱动下流进反应堆堆芯 吸收堆芯热量 将热量带出反应堆 带进蒸汽发生器 此时水的状态大致为 16MPa 320 因此为液态水 在蒸汽发生器中 通过传热管壁将热量传递给二回路循环系统的给水 使给水加热变成高温高压蒸汽 水蒸气状态约为6MPa 280 放热后的冷却水又重新流回堆芯 这样构成一个密闭的循环回路 压力由稳压器调节 二回路中蒸汽发生器中的给水吸收了一回路传来的热量 变成高温高压蒸汽 然后推动汽轮机 带动发电机发电 作功后的乏汽在冷凝器中冷却凝结成水 预加热后再由水泵送往蒸汽发生器 构成第二个密闭回路 二回路系统大致和火电厂部分一样 因此常称为常规岛 而把一回路和反应堆称为核岛 2009 05 30 29 4 原子弹 主要利用高浓缩235U或239Pu等重原子核的链式裂变反应瞬时释放的能量 产生爆炸作用 并具有大规模杀伤破坏效应的核武器 一般称原子弹 原子弹利用化学炸药使处于次临界状态的裂变材料瞬间达到超临界状态 并适时用中子源提供若干中子 触发链式反应 达到超临界状态的方法有两种 1 枪法 把两块处于次临界状态的裂变材料 分开放在原子弹的不同部位 如两端 当普通化学炸药爆炸时 两块装料压拢在一起达到超临界状态 发生链式裂变反应 1945年8月8日 美国第一颗用于广岛的原子弹 代号 小男孩 就是一颗枪法铀弹 2009 05 30 30 2 内爆法 把一块处于次临界状态的裂变材料放于原子弹的中间 用化学炸药爆炸产生的内聚冲击波和高压力压缩处于次临界状态裂变装料 使其密度急剧升高 由于临界质量与密度平方成反比 当密度提高一倍 临界质量减小到原来的1 4 因此密度升高到一定程度时即达到临界状态 引起链式裂变反应 与枪法相比 内爆法可少用裂变材料 是较好的引爆方法 1945年8月10日投到长崎的原子弹 代号 胖子 就是内爆法钚弹 我国1964年10月16日试爆成功的第一颗原子弹也是一颗内爆法弹 但裂变装料是235U 起初西方人士认为是钚弹 钚可以从238U制造 可以容易获得 但后来发现是铀弹 才大吃一惊 说明中国人已经掌握了分离铀的技术 这是制造原子弹的关键技术 2009 05 30 31 4 2原子核的聚变反应 从比结合能曲线可看出 轻核聚变可放出巨大能量 能源存储量的估计 2009 05 30 32 轻核的比结合能 2009 05 30 33 轻核聚变反应 平均每核子贡献3 6MeV 大约是235U由中子诱发裂变时每个核子贡献的4倍 一 轻核聚变 2009 05 30 34 235U可由室温下的热中子引起裂变 而氘核带电 由于库仑斥力 室温下的氘核决不会聚合在一起 氘核为了聚合在一起 靠短程的核力 首先要克服长程的库仑斥力 核子间距离小于10fm时才会有核力的作用 那时库仑势垒高度为 两个氘核要聚合 每个氘核至少要有72eV的动能 如果看成是平均热动能 2 3kT 对应的温度为T 5 6 108K 如果考虑粒子有一定的势垒贯穿几率 粒子动能有个分布可以有粒子的动能比平均动能大 那么理论估计聚变的温度可降为108K 在此温度下所有原子均电离而形成等离子态 2009 05 30 35 要实现自持的聚变反应并从中获得能量 必须满足三个条件 1 等离子体的温度足够高 2 等离子体的密度足够大 3 所需的高温和密度须维持足够长的时间 对d t反应 有劳逊判据把三个条件定量化 要使一定密度的等离子体在高温条件下维持一段时间 这不是件容易的事情 我们需要有个 容器 它不仅能忍耐108K高温 而且不能导热 不能因等离子体与容器碰撞而降温 目前世界上还找不到这样的容器 2009 05 30 36 太阳能 引力约束聚变 C循环 贝蒂循环 1938年 p p循环 克里齐菲尔德循环 两种循环总的效果相同 均为 4个质子的聚变过程中每个质子贡献6 7MeV 比235U裂变时每个质子的贡献大八倍 比化学能大一亿倍 太阳释放的能量相当于每秒种爆炸900亿枚百万吨级的氢弹 当温度低于1 8 107K 以质子 质子循环为主 太阳中心温度只有1 5 107K 质子 质子循环占96 2009 05 30 37 在地球上实现受控核聚变的约束方式 磁约束 惯性约束 磁约束 带电粒子在磁场中绕B线作拉莫旋进 横越B线的运动受到限制 此为磁场能够约束等离子体的基本原理 但在磁场中等离子体不稳定 难于长时间将粒子约束在等离子体内 这就是磁约等离子体的基本困难 1958年以来形成大规模国际交流合作 1992年在最大一代托卡马克 译为 环流器 装置上成功地进行了DT放电 聚变功率从7 5MW提高到10MW 2006年国际热核聚变实验堆 ITER 项目正式启动 惯性约束聚变 巴索夫 前苏诺贝尔奖得主 于20世纪60年代提出 不加外力而依靠聚变燃料自身惯性 在高温高压下短时间内完成聚变反应 氢弹实现的就是惯性约束 而可控的惯性约束必须在mm量级的靶内实现才不会产生灾难性后果 在技术上的难点很多 2009 05 30 38 氢弹 惯性约束聚变 轻核聚变反应中 氘 d 与氚 T 的反应截面最大而释放能量最多 氘化锂 可作为氢弹的原料 氢弹的本质是利用惯性力约束高温等离子