課件原子核物理-第11章

1、第十一章： 原子核的裂變和聚變超鈾元素1932年克發(fā)現(xiàn)中子后，人們可以用中子束輻照重元素制造元素周期表中更重的新元素n AU A+1U +9292A1U A1 X9293A1X A1Y9394對(duì)于 Z 的元素統(tǒng)稱超鈾元素原子核裂變（O. Hahn）和1938年，（F.Strassmann）發(fā)現(xiàn)，在中子束輻照鈾產(chǎn)生的放射性產(chǎn)物中具有鋇（Z=56）和鑭（Z=57)的放射性同位素認(rèn)識(shí)到中子轟擊鈾、釷等一些重原子核可以重核 核裂變成質(zhì)量差不多大小的兩個(gè)原子核。成幾個(gè)中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象稱為原子兩個(gè)碎片二三個(gè)碎片三四個(gè)碎片四變變變1947年，、首先觀察到三變變是兩個(gè)大的碎片和一個(gè) 粒子三 粒子 有較大的

2、能量、飛行方向傾向于與另兩個(gè)碎片飛行方向垂直。變=3:1000三變：二裂變所源核工程的能量為人類提供了一個(gè)重要的新能內(nèi)容 11.1 自發(fā)裂變與誘發(fā)裂變 11.2 裂變后現(xiàn)象 11.3 裂變的液滴模型理論 11.4 殼修正 11.5 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與裂變反應(yīng)堆 11.6 輕核子的聚變反應(yīng) 11.7 受控核聚變11.1 自發(fā)裂變與誘發(fā)裂變1、自發(fā)裂變?cè)雍嗽跊]有外來粒子轟擊的情形下自行發(fā)生的核裂變很重的核才能發(fā)生裂變有能量放出（必要條件）具有一定大小的概率自發(fā)裂變和 衰變是重核衰變的兩種不同方式 ，自發(fā)裂變比起 衰變可以忽略252Cf 的自發(fā)裂變比分支比約占 3%254Cf 的自發(fā)裂變分支比為 99.7

3、%較輕的錒系核素自發(fā)裂變半衰期都比較長= . = . 238U，/235U，/ 240Pu，/ = . 242Am，/ = . 252Cf，/ = . 254Cf，/ = . 一些核素的自發(fā)裂變半衰期偶偶核：半衰期隨Z2/A 下降的趨勢(shì)同一種元素的各種同位素半衰期差別較大奇 A 核的自發(fā)裂變半衰期都比相鄰偶偶核的大勢(shì)壘裂變勢(shì)壘奇A核原子核自發(fā)裂變也要自發(fā)裂變半衰期對(duì)于裂變勢(shì)壘高度非常敏感 壘高相差 1 MeV，半衰期可以差到 105 倍2、誘發(fā)裂變?cè)谕鈦砹Ｗ愚Z擊下，重原子核發(fā)生的裂變誘發(fā)裂變可以當(dāng)做核反應(yīng)的一個(gè)反應(yīng)道，記作 (, )發(fā)生裂變的核素稱為裂變核。對(duì)于誘發(fā)裂變，入射粒子與靶核組成的復(fù)

4、合核才是裂變核。當(dāng)裂變核的激發(fā)能超過裂變勢(shì)壘的高度時(shí)，裂變概率就顯著地增大誘發(fā)裂變子誘發(fā)的裂變最重要中子和靶核的作用沒有勢(shì)壘，能量很低的中子就可以進(jìn)入核內(nèi)使核激發(fā)而發(fā)生裂變裂變過程又有中子發(fā)射，因而可以形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)235U(n,f) 反應(yīng)235U n X Y236U *誘發(fā)裂變的大小由裂變截面 表示：代表面積有一個(gè)靶核時(shí)、入射一個(gè)粒子發(fā)生核裂變的概率裂變截面可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)定Ns )二時(shí)間入射粒子數(shù)時(shí)間發(fā)生裂變數(shù)面積的靶核數(shù)變時(shí)，只能對(duì) 2角求和裂變截面輻射俘獲截面吸收截面總截面核（易裂變核）：熱中子可引起裂變的核素 235U、天然存在、豐度0.7%；97.3%為238U239Pu233U有些錒系

5、區(qū)的原子核不能由熱中子誘發(fā)裂變。當(dāng)入射中子能量增高到一定數(shù)值時(shí)，這些核才能發(fā)生裂變有閾裂變（可裂變核）入射中子能量增高到一定數(shù)值后裂變截面隨中子入射能量迅速上升對(duì)于快中子引起的核裂變，隨著中子能量的增高，裂變截面的變化呈階梯型三次機(jī)會(huì)裂變二次機(jī)會(huì)裂變(, )一次機(jī)會(huì)裂變(, )裂變閾除了中子可以誘發(fā)核裂變以外，具有一定能量的帶電粒子（p, d, , )射線也能誘發(fā)裂變帶電粒子要進(jìn)入靶核內(nèi)必須克服勢(shì)壘氘核引起裂變是 (d,pf)，實(shí)際上中子誘發(fā)的裂變能量很高的帶電粒子甚至可以引起質(zhì)量較小的元素（如 Cu）發(fā)生裂變 射線引起的裂變稱為光致裂變(, f)，截 面較小高能粒子和重核作用可以將靶核打散，

6、出現(xiàn)很多核子或很輕的原子核散裂反應(yīng)重離子轟擊重核時(shí)，融合在一起的復(fù)合核有很高的激發(fā)能主要衰變方式是核裂變3、裂變勢(shì)壘高度中等質(zhì)量的原子核不出現(xiàn)自發(fā)裂變，誘發(fā)裂變也裂變勢(shì)壘高很重核的裂變勢(shì)壘較低。容易發(fā)生裂變的錒系元素，勢(shì)壘高度約為 6 MeV3、裂變勢(shì)壘高度235U 裂變，而不能誘發(fā)238 U為什么熱中子能引起(, ) 反應(yīng)復(fù)合核的激發(fā)能子與 235U 形成復(fù)合核236U*mAmAB E* =0 SE* =EaaAnm mm maAaA E* =S( 236U ) ( 235U ) (n) ( 236U )n=(47.33+8.07-50.60) MeV=6.54 MeVEE*235U 的裂變

7、勢(shì)壘高度 = . MeVb 4.8 E 6.2MeVE*對(duì) 鈾-238，b當(dāng)入射中子的能量提高到 . MeV，激發(fā)能約等于裂變勢(shì)壘。 . MeV 是 238U(n,f) 反應(yīng)的閾能測(cè)定有閾裂變的激發(fā)曲線確定裂變勢(shì)壘高度裂變概率： / 11.2 裂變后現(xiàn)象1、裂變后現(xiàn)象概述原子核裂變成兩個(gè)裂變碎片后，在斥力作用下，分離分開的碎片具有較大的動(dòng)能（初級(jí)產(chǎn)物）具有高激發(fā)能的裂變碎片會(huì)先放出中子，放出（ 13）個(gè)中子后，次級(jí)碎片以 躍遷的形式退 激發(fā)。發(fā)射中子和 光子的過程在裂變后 小于10-15、10- 11 的短時(shí)間內(nèi)完成 。中子和光子稱為瞬發(fā)裂變中子和瞬發(fā)裂變光子初級(jí)產(chǎn)物還是豐中子的核素，經(jīng)過 衰

8、變或多次衰變鏈，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的核素A = 重碎片的 衰變鏈140 Xe Ce（穩(wěn)定）發(fā)現(xiàn)了原子核的裂變A = 輕碎片的 衰變鏈-99 Nb 99 Mo 99 Tc 99 Ru（穩(wěn)定）2.12? 105 a2.4 min67 h人造元素锝的重要來源 衰變半衰期是 s 或者更長慢過程在 衰變過程中，偶爾也有些衰變中形成的核 素，其激發(fā)能超過中子結(jié)合能，又有可能發(fā)射中子n: 緩發(fā)中子87Kr激發(fā)態(tài)的稱為中子發(fā)射體87Br 稱為緩發(fā)中子先驅(qū)慢中子誘發(fā)裂變每次裂變的能量分配誘發(fā)裂變過程示意圖碎片間距離：13+lgr (cm)0、原子核受激發(fā)1、裂變2、碎片獲得動(dòng)能的90%3、發(fā)射中子4、發(fā)射 射線5、

9、碎片停止時(shí)間：20+lgt (s)2、裂變碎片質(zhì)量分布裂變碎片質(zhì)量分布 Y(A)裂變碎片按質(zhì)量分布的產(chǎn)額（=反應(yīng)數(shù)/入射粒子數(shù)） A 是碎片質(zhì)量，以 u 為，近似地是質(zhì)量數(shù)每次核裂變產(chǎn)生兩個(gè)碎片，所以總的產(chǎn)額為 2Y ( A) 2A 質(zhì)量數(shù)為 A1 與質(zhì)量數(shù)為 A2=A-A1的兩個(gè)碎片稱為一對(duì)互補(bǔ)的裂變碎片（1）碎片質(zhì)量分布的測(cè)定實(shí)驗(yàn)測(cè)定裂片碎片的質(zhì)量分布分為放中子前的裂片產(chǎn)額 Y(A*) 和放中子后的裂變產(chǎn)額 Y(A)放中子后的裂變產(chǎn)額：放射化學(xué)分析法和質(zhì)譜法放中子前的裂變產(chǎn)額：雙能量測(cè)量和雙速度測(cè)量雙能量測(cè)量：利用固體探測(cè)器同時(shí)測(cè)定一對(duì)互補(bǔ)裂變碎片的動(dòng)能。 測(cè)定的能量是放中子后碎片的動(dòng)能

10、Ek1 和 Ek2, 需要處理才能得到放中子前的碎片質(zhì)量 m1* 和 m2*裂變中子由碎片蒸發(fā)出來的，則中子的發(fā)射不改變碎片的速度Af Ek 2m*碎片發(fā)射中子的修正參量1E(1)Ek 2k111 v/ mvv1 1 1112 A m*m*1 v2 / m2m1m22f1, 為碎皮1和發(fā)射的中子個(gè)數(shù)，通常用平均值代替雙速度測(cè)量：利用飛行時(shí)間法同時(shí)測(cè)得一對(duì)互補(bǔ)裂變碎片的速度Af v2m*1v v12Af v1m*2v v12由雙速度測(cè)量的事件數(shù)分布就可以得到初碎片的質(zhì)量分布 Y(A*)(2)對(duì)稱分布和分對(duì)稱分布 的核素，裂片碎片呈對(duì)稱分布 質(zhì)量為 Af 的裂變核分成兩個(gè)相同的碎片 A1=A2=A

11、f/2的概率是最摡然的 的核素，裂變也主要是對(duì)稱裂變 的核素：自發(fā)裂變和低激發(fā)能的誘發(fā)裂變，碎片質(zhì)量主要是非對(duì)稱的隨著裂變核激發(fā)能增高，非對(duì)稱裂變逐漸過度稱裂變對(duì)于鐳等某些核素的裂變，會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱和非對(duì)稱裂變兩種同等重要的模式（三峰）235U重碎片峰位在 ；輕碎片峰位在 。差額均為 6%差額曲線有很深的谷，Y 118= . %233U 和239Pu的熱中子誘發(fā)裂變 252Cf 的自發(fā)裂變重碎片的峰位都在 （殼效應(yīng)）輕碎片的峰位與其互補(bǔ)3、碎片的動(dòng)能1.碎片總動(dòng)能一對(duì)互補(bǔ)裂變碎片的總動(dòng)能 = + 兩初碎片的總動(dòng)能分布 n(Ek) .雙能量測(cè)量表示總動(dòng)能為 Ek 的相對(duì)事件數(shù)。最概然總動(dòng)能極為 Ek

12、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)初碎片的總動(dòng)能只與裂變核有關(guān)而與裂變核的激發(fā)能無關(guān)定性碎片的動(dòng)能絕大部分來源于斷裂時(shí)兩碎片之間的能如果裂變核 (Z,A) 發(fā)生對(duì)稱裂變: = = /, = = / 。兩個(gè)相切的球形碎片的為能1Z Z e2Z 2e21Vc 124 R R4 1 30120r A1/380 2 E 0.1071Z 2 A1/3 22.2 MeV經(jīng)驗(yàn)公式k由碎片總動(dòng)能可以估算裂變核分成兩個(gè)碎片時(shí)碎片中心的距離為，D 18 fm（2）動(dòng)能按碎片質(zhì)量的分布輕碎片有較大的動(dòng)能（動(dòng)量守恒）重碎片質(zhì)量 總動(dòng)能最大 殼結(jié)構(gòu)（Z=50，N=82) A=132碎片的形狀近似為球形，斷裂時(shí)兩碎片中心較近庫侖能大4、裂變中子核

13、裂變放出的中子裂變中子瞬發(fā)裂變中子能譜 ()每次裂變放出的平均中子數(shù) 1.瞬發(fā)裂變中子能譜瞬發(fā)裂變能量 E 是裂變中子在裂變中子能譜是連續(xù)譜、裂MeV235U裂變中子能譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可由一個(gè)參量的韋分布曲線表示(E)E exp(E / TM )溫度裂變中子的平均能量E 0EN (E)dE3TM2N (E)dE0252Cf 自發(fā)裂變的裂變中子能譜和 235U 熱中子誘發(fā)裂變的裂變中子能譜常用作標(biāo)準(zhǔn)的裂變中子能譜252 Cf(sf): T (1.453 0.017) MeVE (2.179 0.025) MeVM: T (1.319 0.019) MeVE (1.979 0.029) MeV235

14、U + nthM235U隨著入射中子能量的增加，誘發(fā)裂變中子的平均能量略有提高裂變中子平均能量 和每次裂變放出的平均中子數(shù) 之間有一定的關(guān)系(J. Terrell) 由蒸發(fā)模型得到半經(jīng)驗(yàn)公式泰A 0.75B 0.65(MeV)(MeV)E A B 1裂變中子的角分布在系中強(qiáng)烈地傾向碎片飛行的方向，在碎片質(zhì)心系中，近似地各向同性 裂變碎片主要是在碎片由于的。核裂變?cè)谠雍藬嗔褧r(shí)也可能有部分中子在斷裂的作用加速之后蒸發(fā)出來頸部發(fā)射出來（系中各向同性），幾率小2.每次裂變平均中子數(shù)平均瞬發(fā)中子數(shù)平均緩發(fā)中子數(shù) pd每次裂變平均瞬發(fā)中子數(shù)p vP()每次裂變的中子概率分布可用分布表示()21P(）=e

15、xp 222除了 252Cf 自發(fā)裂變外，對(duì)于大多數(shù)裂變核，分布寬度參量 = . 每次裂變放出中子數(shù)的概率分布每次裂變平均中子數(shù)表中數(shù)據(jù)以 252Cf 自發(fā)裂變的 值作為歸一標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)入射中子能量能量增高，裂變核的激發(fā)能也增高，但由于碎片的動(dòng)能幾乎與裂變核的激發(fā)能無關(guān)，所以碎片的激發(fā)能也隨之增高，因而會(huì)發(fā)生的裂變中子3.緩發(fā)裂變中子產(chǎn)生于裂變產(chǎn)物的某些 衰變鏈中半衰期既是緩發(fā)中子先驅(qū)核的 衰變半衰期11.3 裂變的液滴模型理論液滴模型中原子核的結(jié)合能B(Z, A) Bv Bs Bc Ba Bp a ( A / 2 A)2 A1 a A a A a A2/3 a Z 2 A1/31/2vscap小形

16、變時(shí)，表面能的增加超過了變勢(shì)能增大，因而球形核是穩(wěn)定的能的減小，即形形變較大時(shí)，對(duì)于裂變核則有可能向更大的形變發(fā)展直至斷裂一個(gè)大液滴頓兩個(gè)較小的液滴后，由于斥力，使分成的兩個(gè)荷電液滴分離分開1、液滴形變液滴模型中，認(rèn)為原子核不可壓縮如果核的形變時(shí)軸對(duì)稱的，并取對(duì)稱軸為 z 軸，形變核的表面可以表示為R() R a P (cos)N 10nnn2 保持體積不變?nèi)?，稱為有 極形變 為偶數(shù)的形變對(duì) xy 平面對(duì)稱對(duì)稱形變。 為奇數(shù)的形變?yōu)榉菍?duì)稱形變2、能和表面能荷電液滴的電荷分布以 () 表示，能為(r )(r )1Ec 2 d d4| r r |0表面能Es 表面張力系數(shù)S有對(duì)稱四極小形變的原子

17、核勢(shì)能的變化主要是庫侖能和表面能計(jì)算Z 2e23E E E(E+E)5 4 REcocscoso0 22 E1Eco 4R2Esoso52E1so 22 E5so裂變參量裂變參量小于 1，球形核是穩(wěn)定的，裂變參量大于等于1，稍有形變就不能恢復(fù)，形變將不斷發(fā)展直至裂變（原子核是不穩(wěn)定的）由液滴模型的半經(jīng)驗(yàn)公式的參量可計(jì)算得x 0.0200Z 2 / A對(duì)于 = ，有 = ，稱為 的臨界值/ A) 50.0(Z 2c/ A 35.6238 U :Z 2原子核裂變時(shí)形變很大也很復(fù)雜。但裂變參量與形變無關(guān)，是核素本身的屬性/ A 36.8/ A 38.1238 Pu :238 Cf :Z 2Z 2裂變

18、參量的下限考慮原子核 (, ) 的對(duì)稱裂變，E M (Z , A) 2M (Z / 2, A / 2)c2 2B(Z / 2, A / 2) B(Z , A)的能量為只考慮能和表面能的變化。對(duì)于裂變前一個(gè)球形原子核， k Z 2 A1/3B c A2/3Bsoscoc裂變后兩個(gè)球形碎片核 2k (Z / 2)2 ( A / 2)1/3 22/3 B 2c ( A / 2)2/3 21/3 BBBsoccososso所以E (B B ) (B B)cosocoso B1) B(22/31)(21/ 2soco B1) 2x(22/3 1)(21/ 2so(21/ 21) 2x(22/3 1) B

19、so Bso 0.26 0.74x需要 ，因?yàn)?，則要求x 0.26 0.35裂變能0.74裂變參量 0.35 x 1 . , A 3、勢(shì)能面等能線隨形變參量的變化由球形核開始形變到發(fā)生裂變的形變過程成為裂變途徑每一裂變途徑上都有一個(gè)勢(shì)能最高點(diǎn)，其中最低的一個(gè)最高點(diǎn)稱為鞍點(diǎn)（saddle po）4、裂變勢(shì)壘A：鞍點(diǎn)B：斷點(diǎn)E = =計(jì)算 235U 俘獲中子對(duì)稱裂變的勢(shì)能329頁各種 x 值鞍點(diǎn)處的原子核形狀 = ，球形原子核發(fā)生裂變 值越小，鞍點(diǎn)時(shí)原子核形成的頸子越細(xì)，原子核的伸長反倒小了 = ，表示庫侖能比起表面能已顯得無關(guān)緊要，核力的吸引作用占絕對(duì)優(yōu)勢(shì) 大的核素在鞍點(diǎn)的形變小，容易裂變 小

20、的核素在鞍點(diǎn)的形變大，不容易裂變5、核裂變的液滴模型理論成功與之處裂變勢(shì)壘高度和裂變參量之間有一定的關(guān)系。當(dāng) 。對(duì)于有限大小的反應(yīng)堆，定義有效增殖因數(shù)時(shí)間生成的中子數(shù)k 時(shí)間被吸收的中子數(shù)+時(shí)間的中子數(shù) 只是介質(zhì)的函數(shù) 而 除了與介質(zhì)有關(guān)，還與反應(yīng)堆的幾何形狀、大小有關(guān)。 是有限大小反應(yīng)堆的臨界條件熱中子能引起 235U 裂變。又會(huì)被劑吸收。一個(gè)熱中子在介質(zhì)中被核中子利用因數(shù)。對(duì)于均勻介質(zhì)吸收的概率稱為熱a 為總吸收截面N (U )f UaNia (i) NUa (U )N 為體積原子數(shù)i對(duì)于裂變核，總吸收截面是 (, ) 和 (, ) 反應(yīng)截面之和a f每個(gè)熱中子被核吸收后發(fā)出的平均中子數(shù)f

21、 輻射俘獲對(duì)裂變的截面比ff 1k f從而增殖系數(shù) 這個(gè)關(guān)系對(duì)于235U 和確對(duì)于天然鈾或者稍加濃縮的鈾，其中含有劑均勻混合的均勻堆近似正238U。在快中子轟擊下， 238U 可發(fā)生裂變，也有裂變中子發(fā)出，對(duì)中子增殖有利?？啥x快中子裂變因數(shù) 快中子裂變產(chǎn)生的中子數(shù)+熱中子裂變產(chǎn)生的中子數(shù)熱中子裂變產(chǎn)生的中子數(shù)每個(gè)熱中子被核吸收后發(fā)出的平均中子數(shù)，含有 235-鈾和 238-鈾。如果用鈾作為核235 占分?jǐn)?shù) R，238 占 1-R。() 和 () 分別表示 235 和 238 的 (, ) 截面。以 () 和 () 分別表示熱中子裂變截面和輻射俘獲截面f (U ) Rf (5)(U ) R(5

22、) (1 R)(8)f (U )f (U ) (U )在天然鈾區(qū)。238U吸收子到熱能之前，要經(jīng)過中子的的概率很大，吸收屬于吸收的概率用 p 表示非裂變吸收。中子逃脫，只有逃脫為熱中子。的中子才有可能經(jīng)過碰撞成快中子裂變因數(shù)和逃脫吸收的概率都依賴于核、劑的組成，并且與它們的幾何排列有關(guān)。3.吸收表面較強(qiáng)，當(dāng)鈾塊體積增大，表面積減小，p 值增大另一方面，大塊體積的鈾，鈾4.中子密度小，在劑中，中子被吸收多，熱中子利用因數(shù)降低。 所以 f 和 p 值的衡解決非均勻堆的特性將核棒安置在劑內(nèi)的柵格上的反應(yīng)堆可以增大快中子裂變因數(shù)可以增大中子逃離吸收的概率（在無鈾區(qū)）當(dāng)考慮了快中子裂變和吸收的效應(yīng)后，反

23、應(yīng)堆的增殖因數(shù) 可以表示為k f p四因子公式每個(gè)熱中子被核熱中子利用因數(shù)快中子裂變因數(shù)吸收后發(fā)出的平均中子數(shù)中子逃脫吸收的概率對(duì)于有限大小的反應(yīng)堆，需要引入中子不反應(yīng)堆的概率 P ，所以有效增殖因數(shù)k f出熱中子反應(yīng)堆子的有效利用中子不中子的、熱中子的率：包括快中子的和PrPthF天然鈾和石墨均勻組合的介質(zhì)，當(dāng)碳原子數(shù)與鈾原子數(shù)之比為400:1時(shí)， = . ，達(dá)不到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界條件劑的介質(zhì)中，將直徑為 2.5 cm如果在石墨作的天然鈾棒放成柵格的樣子，使鈾棒中心間距是11 cm，就有 = . 堆，邊長為 5.55m 的立方體就能達(dá)這樣分布的到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界狀態(tài)反射層用非裂變的材料（如石墨和

24、輕金屬鈹），可以進(jìn)一步減小反應(yīng)堆的臨界體積3、反應(yīng)堆的控制反應(yīng)堆的控制主要是調(diào)節(jié)反應(yīng)堆里的中子密度，改變 k 值通常將熱中子吸收截面很大的鎘（Cd）或硼（B）做成柱形的棒，由控制棒調(diào)節(jié)中子密度的變化活性區(qū)的多少，中子密度 () 隨時(shí)間 作指數(shù)變化。對(duì)于天然鈾-石墨反應(yīng)堆，一代時(shí)間 = . s。反應(yīng)堆周期T / (k 1) 1，在T的時(shí)間內(nèi)，中子密度增長 e 倍 = . ，反應(yīng)周期為1s = . ，反應(yīng)周期為0.1s周期太短，控制不易實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的活性： = ( )/。介質(zhì)的活性大，增殖系數(shù)也大反應(yīng)堆周期主要由各組緩發(fā)中子所占分?jǐn)?shù)和各組緩發(fā)中子的半衰期決定。 可增長至幾十秒或更長，從而使得反應(yīng)堆的控

25、制從容的多4、核能的應(yīng)用安全問題放射性廢物的處理問題核的再生問題：238U 和232Th 吸收中子經(jīng)過兩次 衰變分別轉(zhuǎn)變成239Pu和233U很好的核238U n 239U 239Na 239 Pu92909394232Th n 233U 233Pa 233U9090919211.6 輕原子核的聚變反應(yīng)1、巨大的能源較重原子核的核反應(yīng)稱為核聚變輕原子核聚反應(yīng)比裂變放出更大的比結(jié)合能宇宙中能量的主要來源人類對(duì)能源的需求越來越大1升海水中氘的聚變能=400升石油燃燒的能量地球水可提供 2、中的核聚變和其它恒星中主要存在兩種反應(yīng)過程質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)鏈（3）1.p d e d p 7 109 a4 s對(duì)

26、應(yīng)中心溫度1.5 107kHe 323 He 3 He 4 He 2 p4 105 a2224 p 4 He 2e 2 24.7MeV2反應(yīng)方程式反應(yīng)n反應(yīng)定義為R體積內(nèi)核的數(shù)目時(shí)間和體積內(nèi)的反應(yīng)數(shù) 每次反應(yīng)消耗的核數(shù) d e 恒星的決定于 相碰瞬間，一個(gè)質(zhì)子通過弱相互作用變成中子，概率小，反應(yīng)第三個(gè)反應(yīng)長較長的原因 3He的動(dòng)能低，受勢(shì)壘的作用，反應(yīng)截面較小2.碳-氮反應(yīng)鏈（6）106 a10 min12 C p N 136713 N 13 C e762 105aa13C p N 14672 107O N p 1471582 min15 O 15 N e87He 15 N p 12 C 46

27、10a7624 p 4 He 2e 2 24.7MeV2C、N 、O 等元素是不損失的，充當(dāng)催化劑恒星開始形成時(shí)，這些元素是變化的。經(jīng)過幾百年，形成一個(gè)穩(wěn)定的豐度質(zhì)子-質(zhì)子 PK 碳-氮中心溫度反應(yīng)以質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)為主，產(chǎn)生的能量約占總能量的96%106K3、人工可利用的聚變反應(yīng)和截面質(zhì)子-質(zhì)子，碳-氮反應(yīng)鏈無法在地球上人工實(shí)現(xiàn) 反應(yīng)截面太小，反應(yīng)時(shí)間太長 除了恒星的引力外，無法把高溫等離子體的時(shí)間那么長地球上：溫度不太高的時(shí)候，具有較大截面的反應(yīng)。主要有T d 4 He+n+17.58 MeV2 3 He+n+3.27 MeVD d 2T p 4.04 MeVT d 4 He+n+17.58

28、 MeV2在入射氘能量為 105 keV 出現(xiàn)共振峰，相應(yīng)的截面為 5 b；當(dāng)能量比 100 keV低時(shí)，仍然有比其它反應(yīng)較高的截面反應(yīng)截面的半經(jīng)驗(yàn)公式 6 104exp47.40 /Ed Ed 截面b；能量為 keV 3 He+n+3.27 MeVD d 2T p 4.04 MeVD + d 存在兩種反應(yīng)道。從實(shí)驗(yàn)上得到生成 p + T和 n + 3He 的截面近似相等?？僧嫵梢粭l激發(fā)曲線 2.88102exp45.8 /Ed 半經(jīng)驗(yàn)擬合公式為Ed能量較低時(shí)，D + d 反應(yīng)截面比 T + p 反應(yīng)截面小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。但氚天然存在較少，需要人工生產(chǎn)，而氘容易從水中提取出來其它可利用的聚變反應(yīng)H

29、e + + + . 反應(yīng)值高反應(yīng)產(chǎn)物是質(zhì)子和 粒子，防護(hù)條件簡(jiǎn)單溫度較低時(shí)，反應(yīng)截面小3He 需要人工生產(chǎn) + + + . 容易得到溫度較低時(shí)，反應(yīng)截面小4、熱核反應(yīng)產(chǎn)生上面的反應(yīng)很容易，但用利用得到的加速粒子去打固定靶，不可能產(chǎn)生富余的能量以 D + d 反應(yīng)為例，利用加速氘，使其能量達(dá)到 50 keV，用它去轟擊固體的氘靶，產(chǎn)生聚變反應(yīng) 3 He+n+3.27 MeVD d 2T p 4.04 MeV當(dāng)入射氘核打入冷的靶物質(zhì)，必與其中的冷電子相互作用，碰撞截面可估算為 (e2 / v2 )2cdE me E每次碰撞，氘核損失的能量為dmd當(dāng)入射氘核進(jìn)入靶后，與電子作用產(chǎn)生的能量損失率為2e

30、2dEmmm n e vd v n vE ne EEec ddeddeddv2dtmmd dd電子密度氘核損失掉全部入射能量的有效截面 ：當(dāng) = keV時(shí)，(4.810)102121 3600 cm 7.51022cme21051.6 1012相同氘核入射能量下， D + d 聚變反應(yīng)總截面 . 。截面之比8.7 10277.51021R 106F e 一百萬個(gè)氘核進(jìn)入靶內(nèi)，大約只有引起 D + d 反應(yīng)。得不償失！為了消除散射電子的能量損失，只有將電子溫度加熱到跟入射離子一樣高，即平均動(dòng)能相同。這時(shí)的物質(zhì)為等離子體等離子體：是大量正離子和電子的集合體物質(zhì)的第四態(tài)熱核反應(yīng)：將上億度的等離子體約

31、束在一定區(qū)域內(nèi)，維持一段時(shí)間，使其中輕核子發(fā)生聚變反應(yīng)不可控?zé)岷朔磻?yīng)氫彈D+T 4 He+n6 Li+n 4 He+T（猜測(cè)）6 Li+D 24 He+22.4 MeV為 2 萬噸所需高溫由裂變的提供。為 100萬噸級(jí)外，很難作為能源加以使用級(jí)，而氫彈除了進(jìn)行和可控?zé)岷朔磻?yīng)：造成一個(gè)穩(wěn)定的高溫等離子體使它有足夠的時(shí)間產(chǎn)生聚變反應(yīng)放出的能量超過維持反應(yīng)所消耗的能量11.7 受控核聚變?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)可控核聚變建立熱絕緣的穩(wěn)定的高溫等離子體。能量上有所增益對(duì)產(chǎn)生反應(yīng)的輕核等離子體的溫度、密度和約束時(shí)間有一定的要求臨界要求稱為）判據(jù)（Lawson1、判據(jù)的一般形式熱核裝置的輸入功率，包括加熱等離子體的能量和各種熱力學(xué)過程引起的能量損失由于不采用固體容器對(duì)等離子體進(jìn)行約束，所以可不考慮對(duì)流和熱傳導(dǎo)引起的能量損失，而只考慮輻射的能量損失若韌致輻射的功率 ，等離子體的，當(dāng)溫度為 T 時(shí)所需輸入的能量為時(shí)間為 3nKT PbEin系統(tǒng)輸出的能量來源于熱核聚變 PREout判據(jù)最簡(jiǎn)單的形式Ein Eout 3nKT R對(duì)一個(gè)具體裝置，產(chǎn)生的能量不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵瞿芰?。假定轉(zhuǎn)換效率為 ，則一個(gè)裝置的啟動(dòng)條件為(Ein PR) Ein即 3nkT 1R3nkT Pb判據(jù)的一般形式 P / (3n2kT )1R 11 / (n) P / (3n2kT ) b一