核裂变与核聚变.ppt

第五章 核裂变与核聚变,Nuclear Fission –Nuclear Fusion,5.1 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。,(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：,,,,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α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。,以考德威尔公式描述自发裂变半衰期对于裂变势垒高度的关系：,,,上式中为什么会出现 因子？,按液滴模型，裂变时有两种力相互竞争：表面张力将力图使原子核保持球形；库仑力将使核的形变增大，最终有可能使它拉长而裂变。为此，定义裂变参数：,,裂变势垒的近似公式（2/3椭球形势能Vel时， 球形核椭球形核裂变,原子核的稳定条件： Vel  Vsp>0,所以实验发现，很重的核才发生自发裂变。,(d) 裂变份额,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。,,发生自发裂变过程的衰变常数记为,发生衰变过程的衰变常数记为,裂变份额定义为：,,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。,(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,,,,复合核激发能。,,,,,,复合核的激发能：,,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。,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。,,(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。,,(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。,,,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。,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。,2)、复合核的激发能与裂变势垒的关系。,(d) 诱发裂变截面,,,单位时间内发生裂变数,,单位时间内入射粒子数,,单位面积靶核数,手册中常给出多种截面值：,,各种反应截面的关系图：,,,,,,,,裂变截面f与入射中子能量Tn的关系：,,,对慢中子 ：,,规律,,,,,为热中子速度,对 ，,对共振中子，(能量为1eV～1KeV),诱发裂变截面峰值达几十巴。,对快中子，在能量约为1MeV时，,除中子诱发裂变外，带电粒子和射线也能引起核裂变。,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：,(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。,(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,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。,(3) 裂变中子,裂变中子可分为瞬发中子和缓发中子。,对 为,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β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。,,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，,(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。具体分配表见表5-3。,裂变能的定义(二裂变)：,,3、链式反应和反应堆,链式反应：,Chain Reaction,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：,为临界状态,为超临界状态,实际上反应堆的大小是有限的，也就是说中子有表面泄漏。,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,2) 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：,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：,,,,,对缓发中子，则中子发射时间由β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 。,3) 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233U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。,反应堆必须有铀棒、慢化剂（水或石墨）、控制棒、反射层、压力壳及热交换器、水等组成。,4、原子弹,When uranium undergoes fission, an average of 2.5 neutrons are released. These neutrons trigger other nuclei to undergo fission. Calculations show that if a chain reaction is not controlled it could result in a violent explosion. If the energy in 1 Kg of uranium were released, it would equal to the detonation of 20,000 Tons of TNT. 1 Kg of Uranium  20,000,000 Kg of TNT,5.2 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：,轻核的比结合能：,轻核聚变反应：,平均每核子贡献3.6MeV。,,,一、轻核聚变,反应截面最大、释放能量最多的轻核聚变反应：,二、氢弹——惯性约束聚变,原子弹的裂变反应提供氢弹发生聚变反应的高温条件。,d的丰度为0.015%，可从海水中大量提取；,氢弹原料：氘化锂(6Li2H)。,通过核反应产生T ：,典型的裂变弹的能量分配： 爆震与冲击波 50% 热辐射 35% 剩余辐射 10% 早期核辐射 5%,纯粹的聚变反应不产生剩余辐射。,中子弹： 增加早期辐射，特别是中子辐射； 提高聚变反应与裂变反应的比值。,作业：,1.试计算一个235U核吸收一个热中子发生裂变所产生的裂变能。已知 2. 1Kg 235U全部裂变时所放出的能量相当于多少煤燃烧放出的能量。已知一个碳原子燃烧时放出 4eV能量。 3.什么是瞬发中子和缓发中子？为什么说缓发中子在反应堆的控制中起决定的作用？ 4.列出快中子与 的增殖反应式。 5.地球表面海水总量约1018吨，海水中氢与氘原子数之比为1:1.5×10-4，试计算海水中蕴藏的氘聚变能的总量(用焦耳表示)。,,,,,,