核物理与核反应堆

1、核物理与核反应堆核物理与核反应堆目目 录录1、原子核的结构2、原子的转变3、核弹4、核反应堆的构成5、常见核反应堆质子质子-质子质子中子中子-中子中子质子质子-中子中子存在一种强相互作用力存在一种强相互作用力作用范围在作用范围在1010-15-15m m范围内。强相互作用克服了电范围内。强相互作用克服了电磁力产生的强大排斥力，把质子和中子粘合为原磁力产生的强大排斥力，把质子和中子粘合为原子核。子核。强相互作用力对距离非常敏感，距离大于强相互作用力对距离非常敏感，距离大于1010-15-15m m后，迅速降低为零，而静电作用力依然在后，迅速降低为零，而静电作用力依然在100N100N左左右。右。

2、1、原子核的结构、原子核的结构库仑定律：库仑定律：原子核的半原子核的半 1.410-15质子带电量质子带电量=1.6021810-19两个质子之间的排斥力两个质子之间的排斥力150N但是，对多数元素来说，原子核可以稳定存在！但是，对多数元素来说，原子核可以稳定存在！不管我们有没有理论可以解释这个现象不管我们有没有理论可以解释这个现象它都是一种任性的存在。它都是一种任性的存在。1、原子核的结构、原子核的结构质子之间强相互作用力，对距离非常敏感，距离大于质子之间强相互作用力，对距离非常敏感，距离大于10-15m后，迅速降低为零，而静电作用力依然在后，迅速降低为零，而静电作用力依然在100N左右。左

3、右。A、对于原子核较大的重元素，质子间距的细微改变，、对于原子核较大的重元素，质子间距的细微改变，导致强相互作用力消失，导致原子核导致强相互作用力消失，导致原子核“破裂破裂”。B、外界能量扰动，比如中子轰击，也会导致原子核、外界能量扰动，比如中子轰击，也会导致原子核发生变化。发生变化。1、原子核的结构、原子核的结构1、原子核的结构、原子核的结构稳定性较差的同位素，可以自发或者在稳定性较差的同位素，可以自发或者在被激发的情况下，向稳定同位素转变。被激发的情况下，向稳定同位素转变。甚至可以转变为不同类型的原子。甚至可以转变为不同类型的原子。1、原子核的结构、原子核的结构不同数量的中子、质子结合，会

4、放出不同的不同数量的中子、质子结合，会放出不同的能量。所以，形成各同位素所放出的能量不能量。所以，形成各同位素所放出的能量不同。也是说，各同位素具有不同的稳定性。同。也是说，各同位素具有不同的稳定性。1、原子核的结构、原子核的结构质量亏损自由质子和自由中子结合成原子核时，要发自由质子和自由中子结合成原子核时，要发生质量亏损。也就是说，原子核的质量总生质量亏损。也就是说，原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量。是小于组成它的所有核子的质量。例例: : AlAl2727的原子核含有的原子核含有1313个质子和个质子和1414个中子，个中子，其质量为其质量为26.9744 amu26.9744

5、amu而而 1313个质子和个质子和1414个中子的质量为个中子的质量为 27.2159 amu27.2159 amu 亏损的质量亏损的质量: :0.2415 amu0.2415 amu结合能 亏损的质量转化为能量释放出来，这一亏损的质量转化为能量释放出来，这一部分能量称为结合能。部分能量称为结合能。 据爱因斯坦质能关系公式，据爱因斯坦质能关系公式， 1 相当于相当于931.5Mev,上例中的结合能是上例中的结合能是0.2415*931.5=224.9MeV2Emc化学能化学能 核能与化学能的区别核能与化学能的区别 靠化学反应中原子间的电子交换而获得能靠化学反应中原子间的电子交换而获得能量。例

6、如煤或石油燃烧时，每个碳或氢原量。例如煤或石油燃烧时，每个碳或氢原子氧化过程中，只能释放出几个电子伏能子氧化过程中，只能释放出几个电子伏能量。量。1kg天然铀可代替天然铀可代替2040t煤煤靠原子核里的核子（中子或质子）重新分靠原子核里的核子（中子或质子）重新分配获得能量，这种能量大得出奇。可产生配获得能量，这种能量大得出奇。可产生几亿电子伏能量。几亿电子伏能量。核能核能 2、原子的转变、原子的转变2、原子的转变、原子的转变衰变一颗一颗粒子带有粒子带有5 5兆电子伏兆电子伏特的动能，由于特的动能，由于粒子质量粒子质量较大、带较大、带+2+2的电荷，以及相的电荷，以及相对慢的移动速度。它们很容对

7、慢的移动速度。它们很容易和其他原子核和粒子反应易和其他原子核和粒子反应及失去其能量，及失去其能量，粒子在几粒子在几厘米厚度的空气内就会被吸厘米厚度的空气内就会被吸收。收。地球上大多数的氦气都是来地球上大多数的氦气都是来自地下蕴藏的矿物，如铀和自地下蕴藏的矿物，如铀和钍的钍的衰变产生的。衰变产生的。2、原子的转变、原子的转变衰变 实验表明，不是所实验表明，不是所有的原子核都能发生有的原子核都能发生 衰变。衰变。A 140的原子核的原子核才能发生才能发生 衰变。衰变。 由于 粒子的比结合能很高(7.07MeV)，结合很紧，故可以设想 粒子作为一个整体存在于核中，在其它核子构成的势场中不停运动。2、

8、原子的转变、原子的转变衰变发生原因：原子核中质子过多或者中子过多。质子过多，则质子会转变为中子。并释放一个单位的正电荷（正电子）。该正电子与核外的负电子中和，导致核外电子数减少一个原子序数减小2、原子的转变、原子的转变衰变2、原子的转变、原子的转变衰变发生原因：原子核中质子过多或者中子过多。中子过多，则质子会转变为中子。并释放一个单位的负电荷（电子）。导致核外电子数增加一个原子序数增加2、原子的转变、原子的转变跃迁通常在发生通常在发生衰变或衰变或衰变衰变时，原子核内部由于中子、时，原子核内部由于中子、质子数目的改变，需要进质子数目的改变，需要进行重组以达到更低的能量行重组以达到更低的能量状态，

9、多余的能量以状态，多余的能量以射线射线发射出来发射出来(电磁波电磁波)。 光子能量一般为：光子能量一般为：10 keV - 5 MeV2、原子的转变、原子的转变放射性2、原子的转变、原子的转变2、原子的转变、原子的转变放射系2、原子的转变、原子的转变放射系2、原子的转变、原子的转变核裂变核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核，主要是指铀核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核，主要是指铀核或钚核，分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核核或钚核，分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。反应形式。2、原子的转变、原子的转变核聚变核聚变（核聚变（nuclear fusion），），,是指由质量小的

10、是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），两个原子核能够互相吸引而碰高温和高压），两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，生成新的质量更重的原子核撞到一起，生成新的质量更重的原子核.3、核弹、核弹 一个中子轰击一个轴核，使轴核发生裂变，一个中子轰击一个轴核，使轴核发生裂变，在反应中还放出在反应中还放出2 2个中子，中子对未反应的个中子，中子对未反应的轴核再进行轰击，从而使核反应出现连锁反轴核再进行轰击，从而使核反应出现连锁反应，使在短时间内出现积累效应。应，使在短时间内出现积累效应。3、核弹、核弹3、核弹、核弹3、核弹、核弹 3、核

11、弹、核弹德国为什么没有原子弹1938年，德科学家（哈恩）和奥地利科学家（莉泽迈特纳）发现了核裂变。几乎所有人都认为，德国将率先造出核武器。为什么纳粹德国最终没能造出原子弹？ 3、核弹、核弹A、固步自封纳粹对现代科学、尤其是抽象科学的反对，使得核物理研究失去了基础 。他们攻击相对论为“犹太人的诡计” 。1905年诺贝尔物理学奖获得者勒纳和1919年诺贝尔物理学奖获得者斯塔克，从20年代起就致力于研究“日耳曼物理学” 。3、核弹、核弹B、人才流失纳粹对犹太科学家的迫害 。一共有包括爱因斯坦在内的20位诺贝尔奖得主离开德国。C、希特勒过于自负，以为会在短时间结束战争。因此发布了一道命令：如果所提出的

12、新式武器计划不能保证在6周内制造出来并用于战场，那么任何计划都不能进行 3、核弹、核弹D、德国人对原子弹的研究发生了偏差。制造原子弹离不开反应堆，有了反应堆才能摸清形成大量核裂变的规律，而制造反应堆必须有能够使中子裂变速度变慢的物质，即减速剂。德国科学家最初找到了两种控制中子裂变的物质，一是重水，二是石墨。 速度过快的中子，难以被核燃料吸收。日本步枪3、核弹、核弹由于石墨片的规格特殊，加上紧迫的交货期限，引起了总工艺师埃尔温施密特的猜测，他断定这是用于军事目的。于是，他设法使生产出来的石墨片中含有二氧化铁、钙和硫等杂质。德方不知其中缘由，他用这些含杂质的石墨片进行试验，结果屡试屡败，最后不得不

13、怀疑是自己的理论或计算出了问题 。同时：位于挪威的重水工厂被英军破坏。4、核反应堆、核反应堆A、核弹与核反应的不同之处、核弹与核反应的不同之处脱离控制的核反应堆 假如把一定数量的铀放在一起，其中一些铀-235被宇宙射线中的中子击中，会产生裂变，会放出能量，也会放出中子。那么这种反应能不能维持下去？A、核弹与核反应堆的不同之处、核弹与核反应堆的不同之处 铀-235浓度极低，（例如天然铀只含0.7%），堆放得也比较松散，则每次裂变放出的23个中子都散失到空间去了，只有偶尔的12个中子又能击中其它铀核。对于大块的天然铀能否产生链式反应？对于大块的天然铀能否产生链式反应？裂变中子的能量有一个裂变中子的

14、能量有一个分布，峰值在分布，峰值在1MeV附近，所以裂变中子大都是快中子。快中附近，所以裂变中子大都是快中子。快中子很难击中下一个子很难击中下一个U原子。原子。A、核弹与核反应堆的不同之处、核弹与核反应堆的不同之处A、核弹与核反应堆的不同之处、核弹与核反应堆的不同之处 铀-235的浓度达到90%以上，而且堆放得又很紧凑，裂变会成倍增长。如果这堆铀有一定数量，例如几千克，就会发生核爆炸。A、核弹与核反应堆的不同之处、核弹与核反应堆的不同之处 原子弹以纯铀-235或纯钚-239作核燃料，将它们做成半球形的两块，每一块的体积小于临界体积。引爆装置把两块核燃料迅速压在一起，成为一个整块，然后就没有然后

15、了 如果如果铀堆放得很巧妙，使得每个原子核裂变铀堆放得很巧妙，使得每个原子核裂变放出的中子中恰好有一个击中别的原子核发放出的中子中恰好有一个击中别的原子核发生裂变，而其余的中子散失到空间或者被其生裂变，而其余的中子散失到空间或者被其它物质吸收而不引起裂变。那么，连锁反应它物质吸收而不引起裂变。那么，连锁反应就会以稳定的水平维持不断的进行下去，能就会以稳定的水平维持不断的进行下去，能量平稳释放。常见的压水反应堆的铀量平稳释放。常见的压水反应堆的铀-235-235浓浓度为度为3 34%4%，比起原子弹，比起原子弹90%90%的浓度低的多得的浓度低的多得多。多。A、核弹与核反应的不同之处、核弹与核反

16、应的不同之处反应堆的功能：反应堆的功能： 热能利用：发电，供热，或者动力热能利用：发电，供热，或者动力 生产新的核燃料生产新的核燃料 生产放射性同位素生产放射性同位素 科研科研A、核弹与核反应的不同之处、核弹与核反应的不同之处反应堆的组成反应堆的组成堆堆 芯芯冷却系统冷却系统慢化系统慢化系统反射层反射层控制与保护系统控制与保护系统屏蔽系统屏蔽系统辐射监测系统辐射监测系统反应堆反应堆B、核反应堆的构成、核反应堆的构成对核反应堆的要求1、燃料，不要相原子弹那样彪悍，有一定浓度即可2、遇到紧急情况，必须能阻断核反应3、中子要慢，否则很难击中为数不是很多的铀-2354、需要循环介质将热量带出来驱动发电

17、机B、核反应堆的构成、核反应堆的构成1）燃料组件 核燃料： 裂变燃料：铀235 铀233 钚239 转换燃料：钍232 铀2381）燃料组件为了防止裂变产物逸出，一般燃料都需用包壳包为了防止裂变产物逸出，一般燃料都需用包壳包起来，包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。起来，包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。对核反应堆的要求1、燃料，不要相原子弹那样彪悍，有一定浓度即可2、遇到紧急情况，必须能阻断核反应3、中子要慢，否则很难击中为数不是很多的铀-2354、需要循环介质将热量带出来驱动发电机B、核反应堆的构成、核反应堆的构成2）控制棒为了控制链式反应的速率在为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用吸

18、一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和安全棒。控称之为控制棒和安全棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率；安全棒用来快节反应速率；安全棒用来快速停止链式反应。吸收体材速停止链式反应。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。银铟镉等。各元素的中子吸收面积对核反应堆的要求1、燃料，不要相原子弹那样彪悍，有一定浓度即可2、遇到紧急情况，必须能阻断核反应3、中子要慢，否则很难击中为数不是很多的铀-2354、需要循环介质将热量带出来驱动发电机B、核反应堆的构成、核反应堆的构成慢化剂对核反应堆的要求1、燃料

19、，不要相原子弹那样彪悍，有一定浓度即可2、遇到紧急情况，必须能阻断核反应3、中子要慢，否则很难击中为数不是很多的铀-2354、需要循环介质将热量带出来驱动发电机B、核反应堆的构成、核反应堆的构成冷却剂B、核反应堆的构成、核反应堆的构成反应器外壳B、核反应堆的构成、核反应堆的构成反应器1）、燃料组件2）、冷却剂3）、慢化剂4）、反应器外壳瑞士洛桑联邦理工学院（瑞士洛桑联邦理工学院（EPFLEPFL）内的小型研究型核反应堆内的小型研究型核反应堆CROCUSCROCUS的堆芯的堆芯B、核反应堆的构成、核反应堆的构成B、核反应堆的构成、核反应堆的构成蒸汽发生器B、核反应堆的构成、核反应堆的构成安全壳

20、结构结构内径约内径约4040米，米，壁厚约壁厚约1 1米米，高约高约65-7065-70米的圆柱状或球米的圆柱状或球形预应力形预应力混凝土混凝土大型建筑大型建筑物物内设置有直径为内设置有直径为1010米的设米的设备闸门和一个联接辅助厂备闸门和一个联接辅助厂房的人员闸门房的人员闸门顶部设置有起吊能力为顶部设置有起吊能力为250250300t300t的环形吊车的环形吊车B、核反应堆的构成、核反应堆的构成5、常见核反应堆、常见核反应堆C、常见核反应堆、常见核反应堆核裂变反应堆核裂变反应堆分类：分类： 按用途分按用途分：生产堆、实验堆、动力堆：生产堆、实验堆、动力堆 按冷却剂或慢化剂分按冷却剂或慢化剂

21、分：轻水堆、重水堆、气冷堆、：轻水堆、重水堆、气冷堆、液态金属冷却快中子堆液态金属冷却快中子堆 按引起裂变反应的中子能量分按引起裂变反应的中子能量分：热中子堆、快中：热中子堆、快中子堆子堆C、常见核反应堆、常见核反应堆 中子分类（按能量）：中子分类（按能量）： 快中子(fast neutron)：E 0.1 MeV 超热中子(epithermal neutron)：1 eV E 0.1 MeV 热中子(thermal neutron)：E 1eVC、常见核反应堆、常见核反应堆l 目前的商用核电站反应堆都是目前的商用核电站反应堆都是热中子反应堆热中子反应堆PWRBWRCANDU （加拿大）石墨气

22、冷堆 （英国）石墨水冷堆 （俄罗斯）所用核燃料为低富集度铀或天然铀，堆芯含有所用核燃料为低富集度铀或天然铀，堆芯含有大量的大量的铀铀238238。压水堆压水堆一回路被限制在安全壳内一回路被限制在安全壳内二回路蒸汽没有放射性，汽轮机不需要屏蔽二回路蒸汽没有放射性，汽轮机不需要屏蔽是最具竞争力的堆型，约占是最具竞争力的堆型，约占61%。 用普通水作慢化剂和冷却剂，价格低廉；用普通水作慢化剂和冷却剂，价格低廉； 为了使反应堆内温度很高的冷却水保持液态，反应堆为了使反应堆内温度很高的冷却水保持液态，反应堆在高压力在高压力（150个大气压个大气压 ）下运行；下运行； 由于用普通水作慢化剂和冷却剂，热中子

23、吸收由于用普通水作慢化剂和冷却剂，热中子吸收截面较大，因此不可能用天然铀作核燃料，必须使截面较大，因此不可能用天然铀作核燃料，必须使用浓缩铀（铀用浓缩铀（铀-235-235的含量为的含量为2 24%4%）作核燃料。）作核燃料。 沸水堆沸水堆沸水堆沸水堆和压水堆的区别：1、只有一个循环回路2、压力较低，70大气压，工作介质为沸腾的水（水+水蒸汽的混合物）3、对压力容器要求较低，所以成本较低. 但由于蒸汽压较低，效率不及压水堆。沸水堆沸水堆沸水堆蒸汽直接由堆内产生，故不可避地要挟带由O16生产的N16，N16有很强的辐射，因此汽轮机系统在正常运行时都带有强放射性，运行人员不能接近，还需有适当的屏蔽，但N16的半衰期仅7.13s，故停机后不久就可基本完全衰变，不影响设备检修。O16发生伽玛衰败，中子核丢失一个正电子，转发生伽玛衰败，中子核丢失一个正电子，转变为变为N16.重水堆重水堆结构和压水堆相似。最大的区别在于：工作介质是有氘、氚组成的重水。蒸汽发生器蒸汽发生器重水的特点：重水的特点：对中子的吸收较少，有对中子的吸收较少，有很高的中子利用率。可很高的中子利用率。可以直接用天然铀矿。以直接用天然铀矿。但是，对重水的纯度要但是，对重水的纯度要求极高，求极高，99.7