《核能发电原理》课件(第一章)

2020/6/13，第一章核裂变基础，1-1原子和核1-2放射性和核反应1-3核裂变反应1-4连锁核裂变反应，2020/6/13，1-1原子和核，1，原子：物理实验如果把某种物质分成越来越小的粒子，就有不再分裂，保持该物质化学性质的时候。仍然具有元素化学物质的这些最小粒子称为原子。原子直径约：10-8厘米核的直径，每10-12厘米电子带1单位负载的电荷：1.610-9C，2020/6/13，第二，原子核由较小的核组成。分为两类。1.中子：未充电且电气中立(用符号n表示)。2.质子：带一个单位的正电荷(用符号p表示)。一般氢原子核除了只有一个质子外，所有其他物质的原子核都含有质子和中子。多个物质的核中的质子或中子的数量决定了它们的核特性。三质量数和原子序数核中的质子和中子的总和a称为原子核的质量数，核中的质子数称为原子序数，通常用z表示。2020/6/13，4，同位素的化学性质由原子量决定，同位素：不是由质子数相同，中子数不同的相同元素的多个原子决定，而是由原子核中的质子数决定。在现有核电站中，铀是重要元素，自然中存在三种不同的同位素。1.234U:那种自然中很少的2.235U:那种自然中大约0.71%3.238U:那种自然中大约99.28%的同位素中的化学性质是一致的，一般是通过物理方法或核物理方法分离出来的。在核反应堆中使用的核燃料中，235U的含量约为3%的铀的富集是用离心法完成的。2020/6/13，5，原子核的结合能使一定数量的质子和中子结合形成一个新的原子核时，新原子核的质量小于构成它的原子核的质量之和。这种质量的差异称为原子核的质量损失，以能量的形式释放。根据爱因斯坦相对论的质量和能量之间的关系，质量损失相当于系统能量的变化。E=mc2(1-1)表达式：c是真空中的光速，m/s；E是能量变化，j；m是质量损失，kg。1eV=1.610-19J如果打破原子核，分离每个原子核，吸收的能量就等于质量损失能量。质量损失对应的能量称为原子核的结合能。2020/6/13，元素的平均结合等于总结合能量除以核质量数。图1-2中所示的质量数在大约90个原子核中具有最大平均结合能，并且是最稳定的。核聚变反应：如果将极轻的原子核切换到较重的原子核，就相当于某种程度的质量损失，因此质量损失相当于能量的释放。例如：核聚变。裂变反应：将非常重的核分割成较轻的核。例如：核裂变。(适用于目前的核反应堆)，2020/6/13，核聚变：以氘(氘1H2和超重氢(氚1H3)的核聚变反应为例。在这个过程中，形成氦核并释放中子。氘和氚核的质量分别为2.01441和3.01700原子质量单位。因此，反应中静态质量的损失为，2020/6/13，因此核裂变过程中释放的能量为1克和氚变成氦时释放的总能量为：2020/6/13，核裂变：在慢中子的作用下，铀的同位素92U235被分为2周期表中央元素的核碎片1。可能的核反应方程之一是铀分裂后产生新的中子，因此在一定条件下保持的这种裂变反应可能是自我维持反应或连锁反应。在周期表中央部分的核中，每个核粒子的结合可能是8.5万亿电子伏特。铀的情况是结合2020/6/13，可以减少到7.5万亿电子伏特。因此，在核裂变过程中，核的静态能量减少，碎片的动能增加到约(8.5-7.5)235万亿电子伏3.810-4 rge。每核裂变释放1克铀的能量(基本上是热量的形式)，假设煤的燃烧热量等于7000Kcal/Kg，那么1克铀裂变释放的能量等于3吨煤的燃烧热量。2020/6/13，2020/6/13，1-2放射性和核反应，第一，放射性衰变自然中不稳定的同位素以恒定速度自发变化，一般发射带电粒子，发射能量，称为放射性衰变。核不受外界影响，通过核辐射自动转换成另一个核的现象称为放射性，这种核称为放射性核。第二，放射性类型辐射核衰变时释放粒子，核本身就会变成另一个新核。阿尔法粒子：由两个中子和两个质子组成的氦核。alpha辐射也称为alpha射线，功率很大，但穿透能力很弱，在空气中经过3 8厘米的路程被吸收。2020/6/13，当辐射核的内部中子和质子的比例超过稳定极限时，同位素释放电子流或正电子流，称为射线(或射线)射线的渗透力比较强，可以在空气中穿透几米到10多米。伽马射线核在衰变过程中发出一种电磁波，称为伽马射线。这条光线渗透性很强。2020/6/13，在中子的辐射分裂过程中，中子发射。k捕获k捕获使原子核“吸收”一个电子，原子核中的一个质子变成一个中子，原子序数减去1的质量数保持不变。第三，放射性衰变法的衰变率取决于原子核的种类，每个原子核都有自己的衰变率，相当于目前人类所知道的任何方法都不能改变的常数。放射性衰变的统计规律如下。(1-3)表达式：n是在特定时间点的放射性原子的数量；是这个放射性原子的衰变常数。2020/6/13，通过积分以上公式可以得到：格式：N0是t=0小时放射性原子数；n是t时间内残留的放射性原子的数量。放射性原子数量的变化如图1-3所示。2020/6/13，半衰期是指放射性原子数量减少到初始数量的一半所需的时间(T1/2)，这就是放射性原子数量的变化速度。也就是说，2020/6/13，1-3裂变反应，1，中子和原子核的反应中子是不带电的中子，因此原子核不会对它产生斥力，甚至热中子也会被吸收，引起核反应。中子和原子核的反应过程与能量密切相关，按能量分为3种。能量大于0.1MeV的小于1eV的快中子或热中子能量被称为1ev到0.1 mev之间的中间中子的核反应是中子和原子核的裂变反应，2020/6/13，中子和原子核的碰撞(包括弹性散射和非弹性散射)弹性散射：中子和原子核的弹性碰撞，中子减速：快中子和减速剂的核碰撞，将中子的能量传递到减速剂(重水、石墨、铍、水等)的核中，并减少中子的能量的过程。原因：核裂变过程中发射的中子一般是快中子，快中子能量高，几乎不能直接用于分裂235U，只有热中子能分裂235U，因此人们利用减速将快中子转变为热中子。2020/6/13，2，2，核裂变反应核裂变核捕获中子后形成复合核，复合核经过暂时的不稳定激化阶段后分裂成两块，释放中子和能量的反应过程称为核裂变反应。235U的裂变反应包括：类型：裂变材料铀235；表示中子。FF1和FF2表示两个裂变碎片。x表示裂变过程中释放的中子数。这可以是2或3，通常x=2.5。图1-4是核裂变过程的示意图。，2020/6/13，第三，裂变元素和裂变产物裂变元素是指在中子的作用下可能引起核裂变的元素。目前反应堆的燃料为233U、235U、239Pu，其中只有235U以自然形式存在，天然铀的含量为0.712%。裂变产物235U核裂变后形成了多个碎片，经过衰变后形成了约250个重元素，即裂变产物，核裂变产物的质量数集中在95和140附近。也就是说，大部分裂变产物的质量为95或140。第四，中子发射瞬间中子：核裂变发生时碎片发射的中子(约10-14s后)。慢中子：核裂变后不久，经过衰变而产生的中子。(整体0.65%)这段时间很短，但通常在核裂变发生后，根据中子发射的平均时间，将缓慢的中子分成6组。表1-1显示了235U核裂变的慢中子份额和延迟时间。慢中子的平均延迟时间为12s。2020/6/13，5，25核裂变能量235U核裂变后产生约200MeV的能量，核裂变越多，释放的能量就越多，这是核能发电的能源。2020/6/13，1-4链式裂变反应，1，自保留链式裂变反应：中子和235U发生核裂变时，铀核通常分为两个中等质量数的裂变碎片，同时平均产生两个或更多新中子并释放能量。在适当的条件下，这些裂变中子再次引起周围235U的分裂，这样的一代人将形成一系列称为连锁裂变反应的核裂变反应，如图1-5所示。2020/6/13，自裂变反应：在裂变反应过程中，如果中子对铀核进行裂变，将产生2-3个新的中子，因此少数铀核进行裂变后，不再依赖中子向外界，核燃料可以继续自分裂。第二，自行持有的链式裂变反应的条件：核燃料捕获中子引起核裂变时，新产生的中子中至少有一个中子可以用另一个核燃料引起核裂变。核反应中中子数变化的四种情况：中子被235U吸收和分裂。原子核分为两个裂变碎片，同时产生两到三个新的中子。核燃料吸收中子不会发生核裂变。2020/6/13，中子的有害吸收。中子的泄漏损失。因为每个过程消耗中子，只有第一个过程产生更多的新中子，所以只有当每个核裂变产生的中子数等于或大于核裂变、核裂变吸收和有害吸收、泄漏消耗的中子总数时，反应堆才能实现自身持有的链式裂变反应。第三，有效增殖系数k定义为：2020/6/13，有效增殖系数k可定义为：K值为K=1，临界状态，中子数恒定。K1，中子数对原子启动和功率上升状态的指数变化。对于K1，二次临界状态，即反应堆的功率下降或静止状态，中子的数量呈指数变化。因此，调整有效增殖系数k，可以在反应堆运行过程中启动、停止、改变功率或保持稳定功率。2020/6/13，影响增殖系数的原因：与系统的特性，即系统的材料组成和结构有关。中子的泄漏程度或与原子大小有关。调整K=1(临界状态)的方法：在保持反应堆芯尺寸不变的情况下，更改芯内材质的成分和放置。在反应堆芯中各种材料的成分、布局保持不变的情况下，相应地改变芯的几何形状、尺寸和中子反射层的厚度，从而改变中子的泄漏损失。2020/6/13，PWR核电站的超临界状态(k1)控制方法：控制棒控制可溶性毒物控制易燃毒物控制4，反应堆内中子循环核裂变释放的中子从生成中最终吸收，一般经历减速和扩散两个过程。减速过程：早期中子(快中子，平均能量2MeV)与减速剂的核相碰撞，降低了中子自身的能力，变成了热中子。扩散过程：热中子的持续运动。，2020/6/13，5，反应堆总功率中子通量(狗/(cm3s):表达式中，n是体