核能利用与核武器.ppt

1、Course on Nuclear Technology and its Application（核技术及应用课程）P.J. Cheng（程品晶）School of Nuclear Science and Technology Nanhua University（南华大学核科学技术学院）,第三章 核能利用与核武器,该项技术主要是利用核裂变和核聚变反应释放出能量的原理，开发出能源或动力装置和核武器。主要应用有： 核电站、核潜艇、原子弹、氢弹和中子弹。,第一节 基本原理,一、能量和质量的一般关系二、质量亏损三、原子核的结合能四、原子核的比结合能五、物理学家对核能利用的预言,质能关系式或称质能联系定

2、律。 能量和质量都是物质的属性。具有一定质量的m物体，它的相应的能量E由相对论公式给出： E = mc2 m = m0 /(1-(v/c)2)1/2 式中， c为真空中的光速； v为物体运动的速度； m0为物体静止时的质量。 举例: 1g质量的能量是， E = 10-3 2.9978 10828.9875 1018(J) 1u(原子质量单位)的能量是, E = 1.6605 10-27 2.9978 10828.9875 1018(J) = 931.5(MeV),一、能量和质量的一般关系,定义实验发现，任何原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和。组成某一原子核的核子质量和与该原子核的质

3、量之差称为原子核的质量亏损。即 M( Z, A )=ZM(1H)+(AZ)mnM(Z,A)式中Z为核电荷数， A为核质量数， M(1H) ，和mn分别为质子和中子的质量。意义广义的说，对于一个孤立体系的质量亏损有， MMi Mf式中， Mi 为体系变化前的静止质量， Mf为体系变化后的静止质量。根据质能联系定律和能量守恒定律有，M体系发生释能变化；M体系发生吸能变化。,二、质量亏损,举例 M(4He ) = 2 M(1H ) +2 mn M(4He ) = 2(1.007825+1.008665) 4.002603 = 0.030377 u,三、原子核的结合能,定义实验发现，任何原子核的质量亏

4、损总是大于零，表明由自由核子结合成原子核时，有能量释放出来。这种表示自由核子组成原子核所释放的能量称为原子核的结合能，用B( Z, A )表示，根据质能联系定律和能量守恒定律有，它与质量亏损M( Z, A )的关系是 B( Z, A ) = M( Z, A )C2举例B( 4He ) = M(4He )C2 = 0.030377 (u)931.5(MeV/u) = 28.30 MeV,四、原子核的比结合能,定义原子核的比结合能是该原子核中每个核子的平均结合能，也就是该原子核的总结合能B( Z, A )被质量数A除，即 B( Z, A ) A核子平均结合能同质量数A的关系如图1 核子的平均结合能

5、所示，表1也列出了一些核的B( Z, A )和的值。,比结合能曲线图,五、物理学家对核能利用的预言,原子核比结合能曲线的特点曲线的形状是中间高，两端低。说明A为50150的中等质量的核结合得比较紧；很轻的核和很重的核(A200)结合得比较松。物理学家对核能利用的预言正是根据比结合能曲线的上述特点，物理学家预言了核能的利用。一种是重核的裂变，一个很重的原子核分裂成两个中等质量原子核，比结合能由小变大，有核能释放出来；另一种是轻核的聚变，两个很轻的原子核聚合成一个重一些的核，比结合能同样由小变大，也有核能释放出来。,第二节 裂变能利用与核电站,一、 裂变反应堆原理二、 什么是核电站三、 压水堆核电

6、站四、 快堆核电站五、 核电站在设计上所采取的安全措施六、 核电厂在管理方面采取的安全措施七、 核电厂发生自然灾害时能安全停闭八、 核电站废物严格遵照国家标准，对人民生活不会产生有害影响九、 世界上目前建造核电站情况十、 核电与火电比较,235U + n 90Kr + 144Ba + 2n + E.,235U + n (236U)*,一、裂变反应堆原理,原子核裂变,一公斤铀235全部裂变释放的能量，相当于2万吨梯恩梯(TNT)炸药爆炸时放出的能量。,铀-235裂变释放的能量,一个中子把一个铀原子核轰击成两半，释放出能量，同时又跑出两个以上中子，这些中子又去轰击更多的原子核。分裂，分裂，越来越猛

7、烈的分裂。能量，能量，越来越多的能量。费米把这种现象称为连锁反应（或链式反应）。,裂变链式反应,裂变链式反应条件Keff的讨论 有效增值系数或再生系数K 是此代裂变产生的中子总数与前一代裂变产生的中子总数的比值。 如果裂变产生100个中子（第一代中子），经过慢化再引起下一次裂变，若产生102个中子（第二代中子），则K1.02。 K1 时为临界状态，需要的最小的裂变燃料数量叫做临界质量。此时，中子数保持不变，链式反应可继续进行下去每秒钟内发生恒定的裂变数，每次裂变放出的能量也一定，这表明反应的功率保持一定水平不变。 当K1时，中子数越来越多，功率在增加，这个状态称为超临界状态。 当K1时，中子数

8、越来越少，功率也在下降，这种状态称为次临界状态。,裂变堆的发展历史1938年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现U原子的裂变现象，而且一个U原子裂变放出的能量（200Mev）比一个C原子氧化放出的能量（4.1ev）大5 107倍，如此巨大的能量如何利用呢？1942年12月，意大利物理学家费米等在美国芝加哥大学建造了世界第一座人工裂变反应堆。美国又利用U-238转化成Pu-239原子弹装料，制造了钚原子弹，又利用反应堆作动力建造了核潜艇。20世纪40-50年代，裂变反应堆主要用于军事目的。50年代中期，世界上大量建造研究堆，同时用以发电。60年代中期起，许多国家大力发展核电站或核动力。,裂变反应堆,

9、费米研制的第一座裂变堆,裂变反应堆的组成 反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。 反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。 堆芯中的燃料：反应堆的燃料，不是煤、石油，而是可裂变材料。自然界天然存在的易于裂变的材料只有-235，它在天然铀中的含量仅有0.711，另外两种同位素-238和-234各占99.238和0.0058，后两种均不易裂变。另外，还有两种利用反应堆或加速器生产出来的裂变材料-233和Pu-239。用这些裂变材料制成金属、金属合金、氧化物、碳化物等形式作

10、为反应堆的燃料。,燃料包壳：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。 控制与保护系统中的控制棒和安全棒：为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和安全棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率；安全棒用来快速停止链式反应。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。 冷却系统中的冷却剂：为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。,慢化系统中的慢化剂：由于慢速中子更易引起铀-235裂变，而中子裂变出来则是快速中子，所以有些反应堆中要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂，一

11、般慢化剂有水、重水、石墨等。 反射层：反射层设在活性区四周，它可以是重水、轻水、铍、石墨或其它材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去，减少中子的泄漏量。 屏蔽系统：反应堆周围设屏蔽层，减弱中子及剂量。 辐射监测系统：该系统能监测并及早发现放射性泄漏情况。,反应堆的结构形式和分类 反应堆的结构形式是千姿百态的，它根据燃料形式、冷却剂种类、中子能量分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各类型结构形式的反应堆。 目前世界上有大小反应堆上千座，其分类也是多种多样。 按能谱分有：由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆； 按冷却剂分有：轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）、重水堆、气冷堆和钠冷堆。 按用途分有：（1）研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究；（2）生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚-239；（3）动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。,