《核能发电原理》课件(第一章)

2020/5/4第一章核裂变基础知识§1-1原子与原子核§1-2放射性与核反应§1-3裂变反应§1-4链式裂变反应2020/5/4§1-1原子与原子核一、原子：物理实验证明，物质是不连续的。将某一种物质分成越来越小的颗粒时，会有保持这种物质化学性质而不能再分的时候。这些仍然具有单质化学物质的最小颗粒称之为原子。原子的直径约：10-8cm原子核的直径为：10-12cm每个电子带一个单位负荷电荷：1.6×10-9C2020/5/4二、原子核原子核是由更小的核子构成的紧密整体。分两类：1.中子：不带电，呈电中性（用符号n表示）。2.质子：带一个单位正电荷（用符号p表示）。除普通氢原子核只有一个质子外，其他所有物质的原子核既包含质子又包含中子。各种物质原子核中的质子或中子数目的不同决定了他们原子核特性的不同。三质量数和原子序数原子核中质子与中子的总数A称为原子核的质量数，原子核中的质子数称为原子序数，常用Z表示。2020/5/4四、同位素元素的化学性质由原子核中的质子数决定，而不是由原子量决定同位素:具有相同的质子数而不同中子数的同一种元素的几种原子。现有的核电站中，铀是重要的元素，其自然界中存在三种不同的同位素：1.234U：其自然界中含量非常少2.235U：其自然界中含量约为0.71%3.238U：其自然界中含量约为99.28%同位素的化学性质一致，一般用物理方法或核物理方法将它们分开。反应堆中所使用的核燃料中，235U的含量约为3%，铀的浓缩是通过离心法完成的。2020/5/4五、核的结合能当一定数量的质子和中子聚合起来组成一个新原子核后，新原子核的质量小于组成它的核子的质量总和，这种质量差异，称为原子核的质量亏损，并以能量的形式释放出来。根据爱因斯坦的相对论中质量和能量之间的关系，质量亏损相当于系统能量的变化：△E=△mc2（1-1）式中：c是光在真空中的速度，m/s；△E为能量的变化，J；△m为质量亏损，kg。1eV=1.6×10-19J打破一个原子核，将每个核子分开，所吸收的能量等于质量亏损的能量。与质量亏损相当的能量称为原子核的结合能。2020/5/4元素的平均结合能等于总的结合能除以原子核质量数。如图1-2所示质量数在90左右的原子核具有最大平均结合能，最为稳定。核聚变反应：将很轻的原子核转变为较重的原子核，则对应一定的质量亏损，产生的质量亏损对应着能量的释放。如例：核聚变。核裂变反应：将很重的原子核分裂成较轻的原子核。如例：核裂变。（目前应用在核反应堆中)核聚变：我们以重氢(氘1H2和超重氢（氚1H3)的聚变反应为例。在这个过程中，形成氦核并放出中子：氘和氚核的质量分别为2.01471和3.01700原子质量单位。由此可得反应中静质量的亏损为：2020/5/410423121nHeHH克原子质量单位原子质量单位2610.031889.00)00893.100389.401700.301471.2(m因此，在一次裂变过程中所释放的能量为：当一克和氚聚变成氦时释放的总能量为：2020/5/4尔格）(107.2109100.3cm520262)10.8710.33(51002.6107.2718235（千卡（尔格）尔格）核裂变：在慢中子的作用下，铀的一种同位素92U235分裂为两块周期表中央部分元素的原子核碎片，同时放出1~3个中子。其可能的一种核反应方程为由于铀在分裂后产生新的中子，因此这种裂变反应（保持在一定的条件下）可以是自持反应或链式反应。在周期表中央部分的原子核内，每个核粒子的结合能大约为8.5兆电子伏特；而对于铀元素，则2020/5/41095381395410235922nSrXenU结合能减为7.5兆电子伏特。因此在每一次裂变过程中，核的静能减少，而碎片的动能却大约增加了（8.5-7.5）×235兆电子伏特≈3.8×10-4尔格。对于每裂变1克铀，释放出来的能量（基本上为热的形式）等于：假定煤的燃烧热等于7000Kcal/Kg，则1克铀裂变所释放出来的能量，相当于燃烧3吨煤的热量。2020/5/4)(MeV100.6)(106.9)(103.2102.4235100.6108.3237710234KJKcalQ2020/5/42020/5/4§1-2放射性与核反应一、放射性衰变自然界中不稳定的同位素以一定速率自发地变化，一般放出带电粒子并以辐射形式放出能量，称为放射性衰变。原子核不受外界影响自发地通过核辐射转化为另一种核的现象，称为放射性，这种原子核叫做放射性核。二、放射性类型α辐射原子核衰变时放出α粒子，核本身转变为另一种新的原子核。α粒子：由2个中子和2个质子组成的氦原子核。α辐射也称为α射线，其电力作用很大，但是它的贯穿能力较弱，在空气中经过3~8cm的路程就会被吸收。2020/5/4β辐射当原子核内部中子和质子比例超过稳定极限时，同位素会放出电子流或者正电子流，称为β辐射（或β射线）β射线的穿透能力较强，在空气中能穿过几米到十几米的路程才能被吸收。γ辐射原子核载衰变过程中放出一种电磁波，称为γ辐射（γ射线）。这种射线具有很强的穿透能力。2020/5/4中子辐射裂变过程中放出中子。K俘获K俘获是原子核“吸收”一个电子，核中的一个质子变成一个中子，原子序数减1，质量数不变。三、放射性衰变规律衰变率取决于核的种类，每一种核都有自己对应的衰变率，而且等于常数，目前人类已知的任何方法都不能改变它。放射性衰变的统计规律为：（1-3）式中：N为某一时刻放射性原子的数量；λ为这种放射性原子的衰变常数。NdtdN2020/5/4对以上公式进行积分，可以得到：式中：N0为t=0时刻放射性原子数量；N为t时刻剩余的放射性原子数量。放射性原子数量变化规律见图1-3。0(14)tNNe2020/5/4半衰期是指放射性原子数量衰减到初始数量的一半所需要的时间（T1/2），用来便是放射性原子数量变化的快慢。即)61(6931.02ln)51(21210TeNNt2020/5/4§1-3裂变反应一、中子与原子核的反应由于中子是不带电的中性粒子，原子核对它不产生排斥力，即使是热中子，也能被吸收，引起原子核反应。中子与核的反应过程同它的能量密切相关，按能量分为三种：能量超过0.1MeV的称为快中子能量低于1eV的称为慢中子或热中子能量在1eV~0.1MeV之间的称为中能中子中子引起的核反应分为：中子与核的裂变反应2020/5/4中子与核的碰撞（包括弹性散射和非弹性散射）弹性散射：指中子与原子核发生弹性碰撞，中子在散射后，运动方向和动能都发生变化，原子核受到反冲作用。非弹性散射：指中子与原子核发生非弹性碰撞，当原子核与中子发生碰撞后，核能被激发，原子核内能增加，系统反应前后的总动能不守恒。慢化：使快中子和慢化剂的原子核进行碰撞，将中子的能量传递给慢化剂（重水、石墨、铍、水等）的原子核，中子自身能量降低的一个过程。原因：裂变过程发射出来的中子一般是快中子，快中子能量很高，几乎不能直接用来使235U发生裂变，只有热中子才能使235U裂变，所以人们使用慢化将快中子变成热中子。2020/5/4二、裂变反应一个可裂变原子核在俘获一个中子后形成一个复合核，复合核经过一个短暂时间的不稳定激化阶段后，分裂成两个碎片，同时放出中子和能量的反应过程，叫做裂变反应。235U的裂变反应如下：式中：为裂变材料铀235；表示中子；FF1和FF2表示两个裂变碎片；x表示裂变过程放出的中子数量，等于2或者3，一般可以x=2.5。图1-4是裂变过程的示意图。U23592)71(20010211023592MeVnxFFFFnUn102020/5/4三、可裂变元素和裂变产物可裂变元素指可以在中子作用下产生裂变的元素。目前反应堆的燃料为233U、235U、239Pu，其中仅235U是以自然形式存在的，在天然铀中含量为0.712%。裂变产物235U裂变后形成多种碎片，经过衰变约形成250中元素，即裂变产物，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数为95或者140。四、中子发射瞬发中子：裂变发生时由碎片发射出来的（约在10-14s之后）中子。缓发中子：裂变后一段时间后经β衰变才发出来的中子。（占全部的0.65%）这一段时间长短不一，通常按照裂变发生到中子释放经过的平均时间，将缓发中子分为六组。表1-1给出了235U裂变的缓发中子份额与延迟时间。缓发中子的平均延迟时间为12s。2020/5/4五、裂变能量235U裂变后产生约200MeV的能量，核裂变次数越多，放出的能量越多，这些能量就是进行核能发电的能量来源。2020/5/4§1-4链式裂变反应一、自持链式裂变反应链式裂变反应：当中子和235U发生核裂变反应时，铀核通常分裂为两个中等质量数的裂变碎片，同时还平均产生两个以上的新中子，并释放出能量。在适当的条件下，这些裂变中子又会引起周围235U的裂变，这样一代一代的发展下去，就成为一连串的裂变反应，这种反应过程即链式裂变反应，如图1-5所示。2020/5/4自持链式裂变反应：裂变反应过程中，一个中子使一个铀核发生裂变后又会新产生2~3个中子，因此，在少数铀核发生裂变后，可以不再依靠外界补充中子，核燃料就能继续自持地裂变下去。二、自持链式裂变反应的条件实现的条件：当一个核燃料俘获一个中子产生裂变以后，新产生的中子中，至少要一个中子能够引起另一个核燃料的裂变。核反应中子数量发生变化的四种情况：中子被235U吸收并发生裂变。原子核分裂成两个裂变碎片，同时产生2~3个新中子。核燃料吸收中子不发生裂变。2020/5/4中子的有害吸收。中子的泄露损失。由于每个过程都消耗中子，只有第一个过程产生更多新中子故，只有在每次裂变产生的中子数目等于或超过由于裂变、非裂变吸收和有害吸收以及泄露等消耗的中子总数时，反应堆才能实现自持链式裂变反应。三、有效增殖系数有效增殖系数k的定义为：）81（上一代的中子数新生一代的中子数k2020/5/4有效增殖系数k也可以定义为：K值有三种情况：K=1，为临界状态，中子数目一定。K1，为超临界状态，即反应堆启动和功率提升状态，中子数按指数规律变化。K1，为次临界状态，即反应堆降功率或停堆状态，中子数按指数规律变化。由此可见，反应堆运行中实现启动、停堆、改变功率或保持稳定功率，只要调节有效增殖系数k即可。）91（泄漏）(吸吸系统统内中子总小时率系统统内中子产生k2020/5/4影响增殖系数的原因：系统的性质，即与系统的材料成分和结构有关。中子的泄露程度，或反应堆的大小有关。使k=1（临界状态）的调节方法：在反应堆堆芯尺寸不变的条件下，改变堆芯内材料的组分和布置。在反应堆堆芯内各种材料的组分、布置不变的情况下，调节堆芯的几何形状、尺寸大小以及适当改变中子反射层的厚度，以改变中子的泄露损失。2020/5/4压水堆核电站中，使k1(处于次临界状态）的控制方法：控制棒控制可溶毒物控制可燃毒物控制四、反应堆内中子循环裂变放出的中子从产生到最后被吸收，一般要经历慢化和扩散两个过程。慢化过程：初始中子（快中子，平均能量2MeV）与慢化剂的原子核进行碰撞，降低中子自身的能力，变成热中子。扩散过程：热中子的继续运动。2020/5/4五、反应堆总功率中子通量φ（个/（cm3·s））：式中，n为1cm3的体积内的中子数，个/cm3；u为中子的速度，cm/s。其物理意义就是单位体积中的中子在单位时间内的总行程。反应堆总功率P：式中，V为反应堆堆芯体积；Σf（宏观裂变截面（1/cm））为中子在单位行程中与原子核裂变反应的几率；Σfφ为单位体积内、单位时间内发生核裂变反应的数目；一次裂变反应产生200MeV的能量，要产