《核能發(fā)電原理》課件(第一章)解析

1、2022/10/12第一章 核裂變基礎(chǔ)知識(shí)1-1 原子與原子核 1-2 放射性與核反應(yīng) 1-3 裂變反應(yīng)1-4 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)2022/10/10第一章 核裂變基礎(chǔ)知識(shí)1-1 原子2022/10/121-1 原子與原子核一、原子：物理實(shí)驗(yàn)證明，物質(zhì)是不連續(xù)的。將某一種物質(zhì)分成越來(lái)越小的顆粒時(shí)，會(huì)有保持這種物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)而不能再分的時(shí)候。這些仍然具有單質(zhì)化學(xué)物質(zhì)的最小顆粒稱(chēng)之為原子。原子的直徑約：10-8cm原子核的直徑為： 10-12cm每個(gè)電子帶一個(gè)單位 負(fù)荷電荷：1.610-9C2022/10/101-1 原子與原子核一、原子：2022/10/12二、原子核原子核是由更小的核子構(gòu)成的緊密整體。

2、分兩類(lèi)：1. 中子：不帶電，呈電中性（用符號(hào)n表示）。2.質(zhì)子：帶一個(gè)單位正電荷（用符號(hào)p表示）。除普通氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子外，其他所有物質(zhì)的原子核既包含質(zhì)子又包含中子。各種物質(zhì)原子核中的質(zhì)子或中子數(shù)目的不同決定了他們?cè)雍颂匦缘牟煌Ｈ?質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù) 原子核中質(zhì)子與中子的總數(shù)A稱(chēng)為原子核的質(zhì)量數(shù)，原子核 中的質(zhì)子數(shù)稱(chēng)為原子序數(shù)，常用Z表示。2022/10/10二、原子核2022/10/12四、同位素元素的化學(xué)性質(zhì)由原子核中的質(zhì)子數(shù)決定，而不是由原子量決定同位素:具有相同的質(zhì)子數(shù)而不同中子數(shù)的同一種元素的幾種原子?，F(xiàn)有的核電站中，鈾是重要的元素，其自然界中存在三種不同的同位素：1. 234

3、U ：其自然界中含量非常少2. 235U ：其自然界中含量約為0.71%3. 238U ：其自然界中含量約為99.28%同位素的化學(xué)性質(zhì)一致，一般用物理方法或核物理方法將它們分開(kāi)。反應(yīng)堆中所使用的核燃料中， 235U的含量約為3%，鈾的濃縮是通過(guò)離心法完成的。2022/10/10四、同位素2022/10/12五、核的結(jié)合能當(dāng)一定數(shù)量的質(zhì)子和中子聚合起來(lái)組成一個(gè)新原子核后，新原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量總和，這種質(zhì)量差異，稱(chēng)為原子核的質(zhì)量虧損，并以能量的形式釋放出來(lái)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論中質(zhì)量和能量之間的關(guān)系，質(zhì)量虧損相當(dāng)于系統(tǒng)能量的變化：E= mc2 （1-1） 式中：c是光在真空中的速

4、度，m/s； E為能量的變化，J； m為質(zhì)量虧損，kg。1eV=1.610-19J打破一個(gè)原子核，將每個(gè)核子分開(kāi)，所吸收的能量等于質(zhì)量虧損的能量。與質(zhì)量虧損相當(dāng)?shù)哪芰糠Q(chēng)為原子核的結(jié)合能。2022/10/10五、核的結(jié)合能2022/10/12元素的平均結(jié)合能等于總的結(jié)合能除以原子核質(zhì)量數(shù)。如圖1-2所示質(zhì)量數(shù)在90左右的原子核具有最大平均結(jié)合能，最為穩(wěn)定。核聚變反應(yīng)：將很輕的原子核轉(zhuǎn)變?yōu)檩^重的原子核，則對(duì)應(yīng)一定的質(zhì)量虧損，產(chǎn)生的質(zhì)量虧損對(duì)應(yīng)著能量的釋放。如例：核聚變。核裂變反應(yīng)：將很重的原子核分裂成較輕的原子核。如例：核裂變。（目前應(yīng)用在核反應(yīng)堆中)2022/10/10元素的平均結(jié)合能等于總的結(jié)

5、合能除以原子核核聚變： 我們以重氫(氘1H2和超重氫（氚1H3)的聚變反應(yīng)為例。在這個(gè)過(guò)程中，形成氦核并放出中子： 氘和氚核的質(zhì)量分別為2.01471和3.01700原子質(zhì)量單位。由此可得反應(yīng)中靜質(zhì)量的虧損為：2022/10/12核聚變：2022/10/10因此，在一次裂變過(guò)程中所釋放的能量為：當(dāng)一克和氚聚變成氦時(shí)釋放的總能量為：2022/10/12因此，在一次裂變過(guò)程中所釋放的能量為：2022/10/10核裂變： 在慢中子的作用下，鈾的一種同位素92U235分裂為兩塊周期表中央部分元素的原子核碎片，同時(shí)放出13個(gè)中子。其可能的一種核反應(yīng)方程為 由于鈾在分裂后產(chǎn)生新的中子，因此這種裂變反應(yīng)（保

6、持在一定的條件下）可以是自持反應(yīng)或鏈?zhǔn)椒?應(yīng)。 在周期表中央部分的原子核內(nèi)，每個(gè)核粒子的結(jié)合能大約為8.5兆電子伏特；而對(duì)于鈾元素，則2022/10/12核裂變：2022/10/10 結(jié)合能減為7.5兆電子伏特。因此在每一次裂變過(guò)程中，核的靜能減少，而碎片的動(dòng)能卻大約增加了（8.5-7.5）235兆電子伏特3.810-4爾格。對(duì)于每裂變1克鈾，釋放出來(lái)的能量（基本上為熱的形式）等于： 假定煤的燃燒熱等于7000Kcal/Kg，則1克鈾 裂變所釋放出來(lái)的能量，相當(dāng)于燃燒3噸煤的 熱量。2022/10/12 結(jié)合能減為7.5兆電子伏特。因此在每一次裂變過(guò)程中，核2022/10/122022/10/

7、102022/10/121-2 放射性與核反應(yīng)一、放射性衰變自然界中不穩(wěn)定的同位素以一定速率自發(fā)地變化，一般放出帶電粒子并以輻射形式放出能量，稱(chēng)為放射性衰變。原子核不受外界影響自發(fā)地通過(guò)核輻射轉(zhuǎn)化為另一種核的現(xiàn)象，稱(chēng)為放射性，這種原子核叫做放射性核。二、放射性類(lèi)型輻射原子核衰變時(shí)放出粒子，核本身轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N新的原子核。粒子：由2個(gè)中子和2個(gè)質(zhì)子組成的氦原子核。輻射也稱(chēng)為射線(xiàn)，其電力作用很大，但是它的貫穿能力較弱，在空氣中經(jīng)過(guò)38cm的路程就會(huì)被吸收。2022/10/101-2 放射性與核反應(yīng)一、放射性衰變2022/10/12輻射當(dāng)原子核內(nèi)部中子和質(zhì)子比例超過(guò)穩(wěn)定極限時(shí)，同位素會(huì)放出電子流或者正

8、電子流，稱(chēng)為輻射（ 或射線(xiàn)）射線(xiàn)的穿透能力較強(qiáng)，在空氣中能穿過(guò)幾米到十幾米的路程才能被吸收。輻射 原子核載衰變過(guò)程中放出一種電磁波，稱(chēng)為輻射（ 射線(xiàn)）。這種射線(xiàn)具有很強(qiáng)的穿透能力。2022/10/10輻射2022/10/12中子輻射 裂變過(guò)程中放出中子。K俘獲 K俘獲是原子核“吸收”一個(gè)電子，核中的一個(gè)質(zhì)子變成一個(gè)中子，原子序數(shù)減1，質(zhì)量數(shù)不變。三、放射性衰變規(guī)律 衰變率取決于核的種類(lèi)，每一種核都有自己對(duì)應(yīng)的衰變 率，而且等于常數(shù)，目前人類(lèi)已知的任何方法都不能改變 它。放射性衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律為： （1-3）式中：N為某一時(shí)刻放射性原子的數(shù)量；為這種放射性原子的衰變常數(shù)。2022/10/10中子輻

9、射2022/10/12對(duì)以上公式進(jìn)行積分，可以得到： 式中：N0為t=0時(shí)刻放射性原子數(shù)量；N為t時(shí)刻剩余的放射性原子數(shù)量。放射性原子數(shù)量變化規(guī)律見(jiàn)圖1-3。2022/10/10對(duì)以上公式進(jìn)行積分，可以得到：2022/10/12半衰期是指放射性原子數(shù)量衰減到初始數(shù)量的一半所需要的時(shí)間（T1/2），用來(lái)便是放射性原子數(shù)量變化的快慢。即2022/10/10半衰期是指放射性原子數(shù)量衰減到初始數(shù)量的2022/10/121-3 裂變反應(yīng)一、中子與原子核的反應(yīng)由于中子是不帶電的中性粒子，原子核對(duì)它不產(chǎn)生排斥力，即使是熱中子，也能被吸收，引起原子核反應(yīng)。中子與核的反應(yīng)過(guò)程同它的能量密切相關(guān)，按能量分為三種：

10、能量超過(guò)0.1MeV的稱(chēng)為快中子能量低于1eV的稱(chēng)為慢中子或熱中子能量在1eV0.1MeV之間的稱(chēng)為中能中子中子引起的核反應(yīng)分為：中子與核的裂變反應(yīng)2022/10/101-3 裂變反應(yīng)一、中子與原子核的反2022/10/12中子與核的碰撞（包括彈性散射和非彈性散射）彈性散射：指中子與原子核發(fā)生彈性碰撞，中子在散射后，運(yùn)動(dòng)方向和動(dòng)能都發(fā)生變化，原子核受到反沖作用。非彈性散射：指中子與原子核發(fā)生非彈性碰撞，當(dāng)原子核與中子發(fā)生碰撞后，核能被激發(fā)，原子核內(nèi)能增加，系統(tǒng)反應(yīng)前后的總動(dòng)能不守恒。慢化：使快中子和慢化劑的原子核進(jìn)行碰撞，將中子的能量傳遞給慢化劑（重水、石墨、鈹、水等）的原子核，中子自身能量降

11、低的一個(gè)過(guò)程。 原因：裂變過(guò)程發(fā)射出來(lái)的中子一般是快中子，快中子能量很高，幾乎不能直接用來(lái)使235U發(fā)生裂變，只有熱中子才能使235U裂變，所以人們使用慢化將快中子變成熱中子。2022/10/10中子與核的碰撞（包括彈性散射和非彈性散射2022/10/12二、裂變反應(yīng)一個(gè)可裂變?cè)雍嗽诜@一個(gè)中子后形成一個(gè)復(fù)合核，復(fù)合核經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫時(shí)間的不穩(wěn)定激化階段后，分裂成兩個(gè)碎片，同時(shí)放出中子和能量的反應(yīng)過(guò)程，叫做裂變反應(yīng)。235U的裂變反應(yīng)如下：式中： 為裂變材料鈾235； 表示中子；FF1和FF2表示兩個(gè)裂變碎片；x表示裂變過(guò)程放出的中子數(shù)量，等于2或者3，一般可以x=2.5。圖1-4是裂變過(guò)程的示

12、意圖。2022/10/10二、裂變反應(yīng)2022/10/12三、可裂變?cè)睾土炎儺a(chǎn)物可裂變?cè)刂缚梢栽谥凶幼饔孟庐a(chǎn)生裂變的元素。目前反應(yīng)堆的燃料為233U、235U、239Pu，其中僅235U是以自然形式存在的，在天然鈾中含量為0.712%。裂變產(chǎn)物235U裂變后形成多種碎片，經(jīng)過(guò)衰變約形成250中元素，即裂變產(chǎn)物，裂變產(chǎn)物的質(zhì)量數(shù)集中在95和140附近，也就是說(shuō)，大部分裂變產(chǎn)物的質(zhì)量數(shù)為95或者140。四、中子發(fā)射瞬發(fā)中子：裂變發(fā)生時(shí)由碎片發(fā)射出來(lái)的（約在10-14s之后）中子。緩發(fā)中子：裂變后一段時(shí)間后經(jīng)衰變才發(fā)出來(lái)的中子。 （占全部的 0.65%）這一段時(shí)間長(zhǎng)短不一，通常按照裂變發(fā)生到中子

13、釋放經(jīng)過(guò)的平均時(shí)間，將緩發(fā)中子分為六組。表1-1給出了235U裂變的緩發(fā)中子份額與延遲時(shí)間。緩發(fā)中子的平均延遲時(shí)間為12s。2022/10/10三、可裂變?cè)睾土炎儺a(chǎn)物2022/10/12五、裂變能量235U裂變后產(chǎn)生約200MeV的能量，核裂變次數(shù)越多，放出的能量越多，這些能量就是進(jìn)行核能發(fā)電的能量來(lái)源。2022/10/10五、裂變能量2022/10/121-4 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)一、自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)：當(dāng)中子和235U發(fā)生核裂變反應(yīng)時(shí)，鈾核通常分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量數(shù)的裂變碎片，同時(shí)還平均產(chǎn)生兩個(gè)以上的新中子，并釋放出能量。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些裂變中子又會(huì)引起周?chē)?35U的裂變，這樣一代一

14、代的發(fā)展下去，就成為一連串的裂變反應(yīng)，這種反應(yīng)過(guò)程即鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，如圖1-5所示。2022/10/101-4 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)一、自持鏈?zhǔn)搅炎?022/10/12自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)：裂變反應(yīng)過(guò)程中，一個(gè)中子使一個(gè)鈾核發(fā)生裂變后又會(huì)新產(chǎn)生23個(gè)中子，因此，在少數(shù)鈾核發(fā)生裂變后，可以不再依靠外界補(bǔ)充中子，核燃料就能繼續(xù)自持地裂變下去。二、自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的條件實(shí)現(xiàn)的條件：當(dāng)一個(gè)核燃料俘獲一個(gè)中子產(chǎn)生裂變以后，新產(chǎn)生的中子中，至少要一個(gè)中子能夠引起另一個(gè)核燃料的裂變。核反應(yīng)中子數(shù)量發(fā)生變化的四種情況：中子被235U吸收并發(fā)生裂變。原子核分裂成兩個(gè)裂變碎片，同時(shí)產(chǎn)生23個(gè)新中子。核燃料吸收中子不發(fā)生裂變。2

15、022/10/10自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)：2022/10/12中子的有害吸收。中子的泄露損失。由于每個(gè)過(guò)程都消耗中子，只有第一個(gè)過(guò)程產(chǎn)生更多新中子故，只有在每次裂變產(chǎn)生的中子數(shù)目等于或超過(guò)由于裂變、非裂變吸收和有害吸收以及泄露等消耗的中子總數(shù)時(shí)，反應(yīng)堆才能實(shí)現(xiàn)自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。三、有效增殖系數(shù)有效增殖系數(shù)k的定義為：2022/10/10中子的有害吸收。2022/10/12有效增殖系數(shù)k也可以定義為：K值有三種情況：K=1，為臨界狀態(tài)，中子數(shù)目一定。K1，為超臨界狀態(tài)，即反應(yīng)堆啟動(dòng)和功率提升狀態(tài)，中子數(shù)按指數(shù)規(guī)律變化。K1，為次臨界狀態(tài)，即反應(yīng)堆降功率或停堆狀態(tài)，中子數(shù)按指數(shù)規(guī)律變化。由此可見(jiàn)，反應(yīng)堆

16、運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停堆、改變功率或保持穩(wěn)定功率，只要調(diào)節(jié)有效增殖系數(shù)k即可。2022/10/102022/10/12影響增殖系數(shù)的原因：系統(tǒng)的性質(zhì)，即與系統(tǒng)的材料成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。中子的泄露程度，或反應(yīng)堆的大小有關(guān)。使k=1（臨界狀態(tài)）的調(diào)節(jié)方法：在反應(yīng)堆堆芯尺寸不變的條件下，改變堆芯內(nèi)材料的組分和布置。在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)各種材料的組分、布置不變的情況下，調(diào)節(jié)堆芯的幾何形狀、尺寸大小以及適當(dāng)改變中子反射層的厚度，以改變中子的泄露損失。2022/10/10影響增殖系數(shù)的原因：2022/10/12壓水堆核電站中，使k1(處于次臨界狀態(tài)）的控制方法：控制棒控制可溶毒物控制可燃毒物控制四、反應(yīng)堆內(nèi)中子循環(huán)裂變放出的中子從產(chǎn)生到最后被吸收，一般要經(jīng)歷慢化和擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程。慢化過(guò)程：初始中子（快中子，平均能量2MeV）與慢化劑的原子核進(jìn)行碰撞，降低中子自身的能力，變成熱中子。擴(kuò)散過(guò)程：熱中子的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。2022/10/10壓水堆核電站中，使k1(處于次臨界狀態(tài)2022/10/12五、反應(yīng)堆總功率中子通量（個(gè)/（cm3 s）：式中，n為1cm3的