第3章 核裂变.ppt

第三章核裂变 第3章核裂变 1932年查德威克发现中子后 人们了解到原子核是由质子和中子组成 查德威克 费米 费米领导的实验小组使用中子轰击铀 发现 93号元素 哈恩 1938年 哈恩和斯特拉斯曼发现中子辐照铀产生的放射性产物中有钡 Z 56 和镧 Z 57 由此发现了原子核裂变 3 1自发裂变与诱发裂变 每个核子结合能与质量数的关系 3 1自发裂变与诱发裂变 Z A r Z1 A1 Z2 A2 R1 R2 a b c Ecrit Q Eq MA1c2 MA2c2 R1 R2 MAc2 r 裂变核势能与子核间距r的关系 核裂变的各阶段 3 1自发裂变与诱发裂变 1 自发裂变 与重核 衰变类似 在不给予临界能的情况下 裂变也可以由 穿透 裂变势垒的量子力学过程产生 称为自发裂变 发生自发裂变的核大都同时发生 衰变 两者有一定分支比 例如 252Cf自发裂变占 3 衰变占97 重核发生自发裂变的概率很小 即半衰期很长 例如 238U的T1 2 1 01 1016a235U的T1 2 3 5 1017a 252Cf的T1 2 85 5a 3 1自发裂变与诱发裂变 部分核素的自发裂变半衰期 3 1自发裂变与诱发裂变 2 诱发裂变 在外来粒子的轰击下 重原子核发射裂变 称为诱发裂变 除了中子诱发核裂变 p d 和 射线也能诱发核裂变 但中子诱发裂变最重要 也研究的最多 例如中子诱发235U的裂变 对于诱发裂变 入射粒子与靶核的复合核才是裂变核 当裂变核的激发能超过裂变势垒时 裂变概率就显著的增大 3 1自发裂变与诱发裂变 一些核素的裂变势垒高度 单位 MeV 3 1自发裂变与诱发裂变 中子照射235U或238U 复合核激发态的能量E 为 Ea入射中子的动能 Eb中子入射中子和靶核的结合能 热中子Ea 0 因此E Eb 对于235U 对于238U Ecrit 236U 5 9MeV Ecrit 239U 6 2MeV 3 2裂变产物 中子 靶核 初碎片1 初碎片2 瞬发中子10 15s 射线10 11s 缓发中子 10 2s 1 裂变后现象概述 3 2裂变产物 70 110 90 130 150 10 1 0 1 0 01 0 001 0 0001 质量数 裂变产额 热中子 14MeV中子 235U核裂变碎片的质量分布 2 裂变碎片的质量分布 裂变碎片的质量分布既与裂变核素的种类有关 也与引起裂变的中子能量有关 118 139 95 根据结合能的计算 235U的裂变碎片有80多种 它们几乎都是非稳定的 要发生一系列的 衰变 我们把裂变碎片和它们的衰变产物统称为裂变产物 它们有300多种 3 2裂变产物 有些裂变产物如135Xe和149Sm 具有相当大的热中子吸收截面 例如 对于0 0253eV的热中子 a 135Xe 2 7 106b a 149Sm 40800b a 235U 680 9b a 238U 2 7b a 239Pu 1011 2b 我们将上述具有很大热中子吸收截面的裂变产物称为毒素 还有一些裂变产物如237Np 241Am 243Am 129I和99Tc等 具有很强的放射性和非常长的半衰期 T1 2 237Np 2 106a T1 2 129I 1 6 107a 3 2裂变产物 3 裂变中子 原子核每次裂变平均放出的中子数 裂变时平均放出的中子数和裂变方式有关 例如对于239Pu 热中子诱发裂变 自发裂变 中子诱发裂变发出的中子数与中子能量有关 例如 3 2裂变产物 99 的裂变中子是瞬发中子 它们的能量分布在0 05 10MeV的相当大的范围内 E 称为裂变中子能谱 E dE表示能量在E E dE能量范围内的中子份额 0 1 2 3 4 5 7 6 8 0 1 0 2 0 3 0 4 能量 MeV E MeV 1 235U热中子裂变的裂变中子能谱 3 2裂变产物 裂变中子中有小于1 的中子是缓发中子 它们是在裂变碎片衰变过程中发射出来的 87Br 54 5s 87Kr 87Kr 86Kr 87Rb 87Sr 放出中子 缓发中子先驱核87Br的衰变 例如 87Br称为缓发中子先驱核 3 2裂变产物 235U核热中子裂变时的缓发中子数据 3 3裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗 中子 靶核 初碎片1 初碎片2 瞬发中子10 15s 射线10 11s 缓发中子 10 2s 裂变后现象概述 3 3裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗 235U和239Pu核裂变释放的能量分配 1 裂变能量的释放 3 3裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗 2 核反应堆的功率与中子通量密度的关系 设235U每次裂变释放的能量为Ef 堆芯任意点r处单位体积内的功率q r 为 反应堆的功率P为 f为堆芯宏观裂变截面 米 r 为堆芯r处的中子通量密度 米2秒 3 3裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗 例题一核电站压水堆的热功率为2800MW 电站年负荷因子为0 85 试估算该电站1年 365天 所消耗的235U质量 解该电站工作1年释放的能量为 发生裂变的235U的核为 总共消耗的235U的核为 总共消耗235U的质量为 3 4链式裂变反应 1 自续链式裂变反应和临界条件 链式裂变反应示意图 裂变核发生裂变 平均放出两个以上的裂变中子 这些裂变中子可能引起周围裂变核新的裂变而放出更多的中子 如此不断继续下去 这种反应过程就称为链式裂变反应 当每次裂变反应产生的中子数目大于引起核裂变消耗的中子数目时 可发生自续链式裂变反应 3 4链式裂变反应 有效增殖因数keff 或 keff 1系统内的中子数保持不变 称之为临界系统 keff 1系统内的中子数不断增加 称之为超临界系统 keff 1系统内的中子数不断减少 称之为次临界系统 3 4链式裂变反应 当反应堆尺寸无限大时 得到无限介质增殖因数k 对于实际有限大小的反应堆 假定中子不泄漏几率为 对于实际反应堆 维持实际反应堆工作的临界条件为 3 4链式裂变反应 2 热中子反应堆的四因子公式 热中子堆结构示意图 冷却剂进口 冷却剂出口 减速剂 核燃料 热屏蔽 屏蔽 反射层 控制棒 假定反应堆的横向抛面图 3 4链式裂变反应 1 快中子增殖因数 初始裂变产生的部分快中子与238U核作用并引起238U裂变而产生更多的快中子 这一过程称为238U的快中子增殖效应 反应堆抛面图 3 4链式裂变反应 设初始裂变放出的快中子数为n 与燃料棒的半径有关 燃料棒越粗 快中子引起的238U的裂变越多 值越大 棒半径 cm 为由初始裂变得到并慢化到238U裂变域能以下的中子数 n 3 4链式裂变反应 2 逃脱共振俘获概率p 反应堆抛面图 慢化过程中逃脱共振吸收的概率为p 慢化过程中不泄漏的概率为 s n p s 238U的总截面 经过慢化得到的热中子数 3 4链式裂变反应 3 热中子利用系数f 对于均匀反应堆 Nf Nm Nc和Ns分别为均匀混合物单位体积中核燃料 慢化剂 冷却剂和结构材料的核子数 设热中子扩散过程中不泄漏的概率为 d n p sf d 被核燃料吸收的热中子数 3 4链式裂变反应 4 有效裂变中子数 当一个热中子被核燃料吸收 除了引起235U裂变 还必须考虑另外两种情况 被238U吸收或被235U吸收但未能引起核裂变 定义 一个热中子被核燃料吸收后平均发出的裂变中子数 对于纯235U 对于天然铀 最终得到新裂变的中子数目为 n pf s d 3 4链式裂变反应 初始裂变中子n个 238U吸收 倍增 慢化到238U裂变域下的快中子n 个 慢化过程中的泄漏 238U的共振吸收 热中子n p s个 其它材料的吸收 热中子泄漏 被燃料吸收的热中子数n pf s d 新裂变的中子数n fp s d 慢化过程 扩散过程 p s d f 热中子反应堆内的中子平衡 3 4链式裂变反应 根据有效增殖因数的定义 其中 四因子公式 3 4链式裂变反应 以天然铀为燃料