新能源發(fā)電技術 電子課件 2.1 核反應堆的物理基礎

2.1核反應堆的物理基礎任課老師：于立軍2019年03月目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應鈾-235裂變:8.32×1013J/kg鈾=2000t汽油氘聚變：3.5×1014J/kg=4kg鈾重要反應核燃料增殖過程核裂變反應2.1.1.1原子核的組成03原子質(zhì)量單位02組成01質(zhì)子中子

原子核2.1.1.2核力

飽和性短程力強相互作用力2.1.1.3核的結合能其核子的質(zhì)量總和聚合釋放能量新原子核的質(zhì)量<

m為質(zhì)量虧損2.1.1.3核的結合能比結合能=總的結合能原子核質(zhì)量數(shù)核能計算在原子能領域內(nèi)，一般用電子伏特（eV）、（MeV）作為能量單位。1u質(zhì)量相當于為931MeV；1MeV=1.6021

10-13J。2.核聚變反應質(zhì)量虧損為0.0276u，則核聚變反應式＋MeV3.如果核裂變反應式+200MeV（0.215u），1g鈾含有2.6

1021個鈾原子，問完全裂變放出多少熱量（kJ）？思考題：1.m質(zhì)量的質(zhì)量虧損相當于能量E=，E的單位為MeV，m的單位為u2.6

1021

200=5.2

1023MeV=8.33

107kJ1克鈾-235裂變釋放的熱量:相當于3噸標準煤燃燒釋放的熱量2.1.1.4核的放射性當原子核內(nèi)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的比例超出與質(zhì)量數(shù)相應的穩(wěn)定界限時，這種核將通過放射性衰變的方式向著更穩(wěn)定的方向自發(fā)地變化。穿透能力比較2.1.1.4核的放射性半衰期：放射性原子數(shù)量衰減到初始數(shù)量的一半時所需要的時間周期。

目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應2.1.2.1核反應的定義核反應是指外來粒子引起某原子核發(fā)生變化的反應鈾核裂變氘氚核聚變2.1.2.2中子與原子核的相互作用中子觸發(fā)核反應的原理：中子與原子核結合之后，核的平均結合能造成了超出核素可以保持穩(wěn)定的擾動，導致核素趨向生成了更加穩(wěn)定的核素。2.1.2.2中子與原子核的相互作用Step.1吸收中子動能轉(zhuǎn)為內(nèi)能處于激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放能量Step.2Step.3Step.4Step.5復合核的形成反應堆主要的中子和原子核的相互作用形式2.1.2.2中子與原子核的相互作用中子觸發(fā)核反應的原理：中子與原子核結合之后，核的平均結合能造成了超出核素可以保持穩(wěn)定的擾動，導致核素趨向生成了更加穩(wěn)定的核素。最簡單的也是很主要的核反應，它是中子波和核表面勢相互作用的結果，中子并未進入耙核入射中子直接與耙核內(nèi)的某個核子碰撞。這種情況要求中子的能量極大，基本可以不予考慮2.1.2.3反應截面和核反應率

2.1.2.3反應截面和核反應率宏觀截面：一個中子與單位體積內(nèi)原子核發(fā)生核反應平均幾率的度量一個中子穿行單位距離與核發(fā)生相互作用的幾率大小的一種度量。

2.1.2.3反應截面和核反應率核反應率：單位時間單位體積內(nèi)發(fā)生核反應的次數(shù)

宏觀截面和中子通量的乘積目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應2.1.3.1核燃料裂變臨界能量：復合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量每消耗一個易裂變核所生成的新易裂變核核數(shù)稱為轉(zhuǎn)換比

生成新易裂變核的數(shù)目消耗新易裂變核的數(shù)目r=核燃料增殖注：天然鈾中有鈾-235的含量僅為0.7%，其余99.3%為鈾-238（非裂變元素）。核燃料增殖過程核裂變反應r﹤1時反應堆稱為轉(zhuǎn)換堆

設初始的核燃料量M0，M0被消耗掉以后，會產(chǎn)生rM0的新燃料，進一步又能得到r2M0，依此類推，總共可供使用的核燃料量為（中間可能需要停爐）：r﹥=1時反應堆稱為增殖堆

反應堆消耗1kg的核燃料的同時，還能生產(chǎn)出超過1kg的新核燃料，這種增殖型反應堆。不僅可以大量發(fā)電，而且可以逐漸積累核燃料，經(jīng)過一定時間的運行，將反應堆內(nèi)產(chǎn)生的新核燃料提取，又可建造新的核反應堆。這種反應堆充分利用了自然界大量蘊藏的非裂變核燃料，使核電站反應堆成為一座可裂變核燃料的加工廠，為核電站提供了豐富的核燃料資源。

M0新堆的循環(huán)量，G為增殖堆每天消耗的裂變?nèi)剂稀?/p>

倍增時間D=，單位為天數(shù)。思考：r有無理論上限？2.1.3.2核裂變產(chǎn)物的分布和能量常規(guī)的核反應堆中，熱中子與靶核碰撞，形成復合核，發(fā)生（n,f）反應，由于激發(fā)的能量是分配在許多核子上的，所以可能的產(chǎn)物有很多能量分布2.1.3.3中子的慢化平均對數(shù)能降增量：每次碰撞中子能量的自然對數(shù)的平均變化值

慢化劑2.1.3.4核裂變反應堆功率

核燃料消耗速率

目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應2.1.4.1自持鏈式核裂變反應機理自持鏈式裂變反應：不依靠外來中子的補充，就能持續(xù)裂變下去的核反應。中子被核燃料吸收，發(fā)生裂變中子被核燃料吸收，卻不發(fā)生裂變中子被慢化劑、冷卻劑、結構材料等有害吸收中子被泄露2.1.4.2有效增殖系數(shù)

反應堆超臨界反應堆臨界反應堆次臨界2.1.4.3反應堆內(nèi)中子循環(huán)剩余96個熱中子

漏失、被慢化劑和結構材料俘獲剩余76個熱中子中子循環(huán)剩余76個熱中子第二代100個快中子被235U俘獲發(fā)生裂變思考題與習題：原子核由哪些粒子組成，分別用什