万发荣_核能材料基础

核能材料基础万发荣北京科技大学Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina能源与武器•可作能源、但不能作武器：煤炭，石油•可作武器、但不能作能源：炸药•可作能源、也可作武器：铀等核燃料•此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina核裂变反应•在核裂变反应中，1个较大的原子核裂变成2个较小的原子核。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina核裂变•只有原子序数大于90的原子核才可能裂变•裂变产物中常包含2个以上的中子•产物总质量小于原始的原子核质量此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina链式反应•在链式反应中，1个原子核裂变生成的中子去轰击下1个原子核，引起新的核裂变。•链式反应时间极短，1秒钟内可以进行数十亿次。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina链式反应的应用•在核反应堆中，产生受控链式反应，从而产生电力。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina链式反应的应用•在原子弹爆炸中，利用非受控的链式反应此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina原子弹发生链式反应爆炸35种元素的200多种核素nKrBanUnZrTenU10913614256102359210974013752102359232铀-235的临界质量约为1kg.任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单,从而为防止核武器扩散带来了困难。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina瞬发中子与缓发中子•反应堆中的链式反应大约1秒钟可产生1000代中子，控制办法是依靠“缓发中子”。在设计反应堆时,要使缓发中子放出后才达到临界,才能使链式反应进行。因此有足够的时间来控制反应速度。•瞬发中子在核分裂瞬间（10-12s内）产生。如果只有瞬发中子，而没有缓发中子，假定中子的平均寿命为10-5秒，反应堆功率在1秒钟内将可能增加5*1021倍，因而无法控制。•缓发中子如果只有缓发中子，而没有瞬发中子，由于中子的寿命太长，即一次裂变后产生缓发中子的时间太长，从而无法得到核爆炸。如果存在瞬发中子和缓发中子，中子的平均寿命为0.1秒，反应堆功率每秒钟增加0.5%，完全来得及控制。瞬发中子数:缓发中子数=99.3%:0.7%此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina目前国际核工业界普遍接受了这种分组方法并广泛应用。缓发中子平均寿期/s衰变常数占总中子数的比率0.07114.00.000250.621.610.000842.190.4560.00246.500.1510.002131.70.03150.001780.20.01240.00026缓发中子与反应堆控制反应度小于1.000，则不能维持链式反应。反应度等于1.000，意味着瞬发中子与缓发中子一起，维持临界状态。反应度处于1.000-1.007之间，则可以利用缓发中子，控制反应堆。反应度等于1.007，意味着仅靠瞬发中子，就可以维持临界状态。反应度大于1.007，反应堆有可能无法控制（切尔诺贝利核事故）。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina天然存在的可裂变物质核燃料铀=U铀（自然界中存在的最重元素）原子序数92、有2个同位素铀235铀238原子量235238中子数143146U-235U-238含有比例0.7%99.3%能作核燃料不能作核燃料（能够核裂变）（不能核裂变）同位素U-238U-235此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChinaU-235U-23899.3%0.7%铀的浓缩增加可裂变铀235的含量确保核裂变的链式反应天然铀分离浓缩（同位素分离）普通方法不能分离×增加了U-235含量的铀（浓缩铀）减少了U-235含量的铀（贫铀）废物？轻水堆11/8上述数值为大概值U-2353～6%U-2350.2%7/8此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina气体扩散法浓缩铀•让气体UF6在压力下通过多孔膜。•由于235U气体分子比238U气体分子轻，因此它在多孔膜中扩散的快一些。•在通过了多孔膜的UF6气体中，235U的含量多一些，即浓缩度大一些。•多次重复进行上述过程，可以提高浓缩度。•从一端获得浓缩后的UF6，从另一端获得贫化的UF6。•要获得3%-4%的235U，需要进行1400级的气体扩散浓缩。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina气体扩散浓缩铀工厂法国的气体扩散浓缩铀工厂（左边是冷却塔），前面的核反应堆向工厂供应电力此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina级联机组：许多台离心机连接在一起级联机组成品：浓缩铀UF6气体废物：贫铀UF6气体供应：天然铀UF6气体浓缩铀（离心机）再转换用：UO2:粉末1/87/8此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina浓缩铀离心机此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina铀的物理特性•极高的密度–约是铅的1.7倍Density(g/cm3)Platinum21.45Gold19.32DepletedUranium19.3Tungsten19.3Lead11.35Silver10.49此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina贫铀在军事中的应用•用于穿甲武器的尖端或芯部–穿透深度比标准装甲还大–碰撞后，贫铀挥发或破碎，对环境局域破坏性此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina反坦克贫铀穿甲弹正在装备贫铀弹伊拉克被击毁的坦克具有贫铀尖端的穿甲弹此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina核裂变元素U235占天然铀的0.72%，自然界仅有的能由热中子引起裂变的核素,U238占天然铀的99.27%，可用来生产核原料：U238)35.2(,min)24(,239239239239239238dTePuNpTeNpUUUnee1939年发现裂变时,世界上没有浓缩铀，当时还未发现钚Pu2391945年美试爆的第一颗原子弹原料：Pu239可以通过化学方法，将Pu从U中分离出来。另一个裂变元素：钚此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina核聚变•在核聚变反应中，2个较小的原子核在一起形成1个较大的原子核。•核聚变反应又称为热核反应。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina有关核聚变反应•下列核聚变反应(1932)的发现比核裂变(1938)更早•7Li+1H-24He+17.6MeV•氘-氘核聚变•（所谓1升海水=300升汽油，2个反应同等速率，）•2D+2D-3He(0.82MeV)+1n(2.45MeV)•2D+2D-3T(1.01MeV)+1H(3.02MeV)•氘-氚核聚变•（点火温度比D-D反应低1个数量级，容易实现，氢弹原理）•2D+3T-4He(3.5MeV)+1n(14.1MeV)•氦3-氘核聚变（比D-T困难5倍，无放射性，月球上存在氦3）•D+3He-1H(14.68MeV)+4He(3.67MeV)此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina核聚变反应•核聚变反应存在于恒星中。•太阳是核聚变反应。.此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作•核聚变反应不会象核裂变那样，产生大量的核放射性产物。•核聚变反应的燃料易得。Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina宇宙中主要能源由核聚变提供,太阳发生的是两种轻核聚变反应.太阳能：引力约束聚变CNPeNOONpNCpeCNNCp121515151514141313131312C循环(贝蒂循环）（1938年)p-p循环(克里齐菲尔德循环)pHeHeHedpedpp2333两种循环总的效果相同,均为：MeVep7.262244个质子的聚变过程中每个质子贡献6.7MeV,比裂变时每个质子的贡献大八倍,比化学能大一亿倍.太阳释放的能量相当于每秒种爆炸900亿枚百万吨级的氢弹.天文研究表明,按太阳总质量的75%为氢计算,其热核反应可维持750亿年.Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina氢弹的巨大威力，丧失军事意义，此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina核聚变由轻核聚合成中等核的过程.实现聚变反应的三个条件1)等离子体的温度足够高;2)等离子体的密度足够大;3)所需的高温和密度须维持足够长的时间.1957年,劳逊将以上三个条件定量化(对dt反应)形成劳逊判据,这是实现聚变反应并获得能量增益的必要条件.劳逊判据keVTcmsn10/10314太阳的热核聚变由万有引力约束，这需要有恒星那样大的质量，这不仅在地球上做不到，即使在太阳系最重的木星上也不能实现。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina在地球上实现受控核聚变的约束方式磁约束惯性约束磁约束带电粒子在磁场中绕B线作拉莫旋进，横越B线的运动受到限制，此为磁场能够约束等离子体的基本原理。但在磁场中等离子体不稳定，难于长时间将粒子约束在等离子体内，这就是磁约等离子体的基本困难。1958年以来形成大规模国际交流合作，1992年在最大一代托卡马克（译为“环流器”）装置上成功地进行了DT放电，聚变功率从7.5MW提高到10MW。2006年国际热核聚变实验堆（ITER）项目正式启动…惯性约束聚变巴索夫（前苏诺贝尔奖得主）于20世纪60年代提出。不加外力而依靠聚变燃料自身惯性，在高温高压下短时间内完成聚变反应。氢弹实现的就是惯性约束。而可控的惯性约束必须在mm量级的靶内实现才不会产生灾难性后果，在技术上的难点很多。此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作Aug.2014WAN_FR，USTB,BeijingChina2006.11.21,中国,欧盟,俄罗斯,印度,日本,韩国,美国经长达十年的谈判最终签字，决定将其建在法国南部.这项计划花费128亿美元，目的是研究清洁而且无限的能源.建设过程预计超过十年,工程从2008年开始.国际热核聚变实验堆（ITER）装置示意图.此讲演稿件为北京科技大学万发荣教授制作