核反應(yīng)堆工程08

核能開發(fā)與應(yīng)用深圳大學(xué)核技術(shù)研究所趙海歌2010-2011學(xué)年第二學(xué)期比結(jié)合能：原子核的比結(jié)合能是原子核的結(jié)合能與該原子核的核子數(shù)之比

E/A。意義：它表示每個核子的平均結(jié)合能，有時稱為平均結(jié)合能。比結(jié)合能可以看成把原子核拆成自由核子時，平均對每個核子所做的功。因此，比結(jié)合能的大小，可用來表示原子核結(jié)合得松緊的程度。比結(jié)合能越大的原子核結(jié)合得越緊，也就比較穩(wěn)定；比結(jié)合能較小的原子核結(jié)合得較松，也就不太穩(wěn)定。第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)不同質(zhì)量的原子核其比結(jié)合能的大小是不同的。中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能大，而輕核和重核的平均結(jié)合能小。由比結(jié)合能曲線的特性，可以對核能的利用獲得如下啟示：若能使比結(jié)合能小的或比較小的原子核的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使它變成比結(jié)合能大的或比較大的原子核，就能放出一定的能量。利用原子核能的思路。其辦法是將比結(jié)合能較小的重核分裂成兩個比結(jié)合能比較大的中等核，這樣就可以放出能量來，重核分裂放出的能量稱為裂變能?；蛘咻p核聚變釋放能量。第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)核力在原子核中，質(zhì)子與質(zhì)子間存在著靜電斥力，這種力不可能維持原于核的穩(wěn)定性。除此之外，核子間還有萬有引力，但是這種力非常小，也不能使核子形成穩(wěn)定系統(tǒng)。因此在核子之間一定存在著一種引力。通常把這種引力稱為“核力”。關(guān)于核力的詳細(xì)情況，現(xiàn)在還不十分清楚，但從已知的事實，明確了核力具有以下的特性。1．核力的近程性從

散射實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)

粒子和核的距離小到10-14——10-15m時，服從庫侖定律。當(dāng)

粒子能量很大而更接近核時，粒子受到遠(yuǎn)比由庫侖定律算得的斥力為大的一種引力—核力作用。由此可知，核子間只有在極短距離時，才有核力的作用。核力是一種近程的作用力，它的作用距離的數(shù)量級為10-15m。當(dāng)核子間距離接近時，核力比庫侖力增加得更為迅速；但在距離增大時，核力就急劇威小為零。第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)2．核力的飽和性原子核的比結(jié)合能大致相等，即原子核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)A成正比。從這一事實可以推斷：核中每個核子只與它最鄰近的有限數(shù)目的幾個核子發(fā)生相互作用，而不與核內(nèi)所有的其他核子都發(fā)生相互作用，就是說核力具有飽和性。

3．核力與電荷無關(guān)性不管核子帶電與否，它們的結(jié)合能都相等。由此可見，質(zhì)子和中子在核中的穩(wěn)定性是一樣的，也就是說，質(zhì)子與質(zhì)子、中子與中子、中子與質(zhì)子之間的核力是大致相等的，這表明核力與核于是否帶電無關(guān)，這就是核力與電荷無關(guān)性。用中子流通過含氫物質(zhì)來進(jìn)行中子與質(zhì)子的散射實驗(n，p散射)或用高速質(zhì)子流在氫氣中進(jìn)行質(zhì)子與質(zhì)子的散射實驗(p-p散射)時，發(fā)現(xiàn)這種核子間的引力都約略相等，這對核力與電荷無關(guān)性更提供了直接的驗證。關(guān)于核力的本質(zhì)，理論認(rèn)為：核力是一種交換力，核力是核子間通過π介子的交換而相互作用的。介子的核力理論雖能定性地說明一些事實，但這種理論還很不完善，還有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)核反應(yīng)：用高能粒子(如質(zhì)子、中子轟擊原子核而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞思傲硪涣Ｗ拥倪^程，叫做核反應(yīng)，這些過程用下式表示：在核反應(yīng)中，出射粒子可以與入射粒子同類．也可以不同類。出射粒子與入射粒子同類的核反應(yīng)，一般稱為散射。在散射過程中，原子核的種類雖然不變，但也廣義地稱為核反應(yīng)。

大量實驗表明，所有的核反應(yīng)都遵守下列幾條守恒定律：核子數(shù)守恒：反應(yīng)前后核子數(shù)目必須相等。電荷守恒：反應(yīng)前后所有粒子的電荷之和必須相等。動量守恒：由于不受外力作用，所以反應(yīng)前后系統(tǒng)的動量必須守恒，反應(yīng)前后系統(tǒng)的動量和都等于零。能量守恒：反應(yīng)前后系統(tǒng)的能量(包括靜止能量)必須守恒。核反應(yīng)的機(jī)制復(fù)合核首先入射粒子被靶核俘獲而形成復(fù)核，此時入射粒子的能量將很快分配給復(fù)核中的全部核子，使復(fù)核處于不穩(wěn)定的激發(fā)狀態(tài)。接著，出射粒子從復(fù)核中飛出，這是由于核子間能量分配有漲落，由于這種漲落，使某個核子或核子集團(tuán)獲得了足夠使它們由核中飛出的能量，于是它們就脫離復(fù)核。核反應(yīng)的兩個階段可以用下式表示：同一種復(fù)核可以有幾種不同的形成方式，也可以有幾種不同的衰變(或蛻變)方式。復(fù)核衰變(或蛻變)時，射出的粒子可以與射入的粒子屬于同一類，也可以屬于不同類．并且也可以放出

射線而使核趨于穩(wěn)定。而復(fù)核究竟是放出哪一種粒子，這完全是各種可能反應(yīng)相互競爭的過程，而與復(fù)核的“歷史”(過程的第一階段)無關(guān)。共振：當(dāng)入射粒子具有某些特定能量，而這些能量正好使形成的復(fù)核具有某一激發(fā)能級的能量時，引起核反應(yīng)的幾率將劇烈增加。這種現(xiàn)象稱為“共振”。三階段描述：核反應(yīng)過程大體上分成三個階段，稱為核反應(yīng)過程的三階段描述。第一階段是“獨(dú)立粒子階段”。當(dāng)入射粒子接近靶核時，可看成是在整個靶核的勢場中運(yùn)動，入射粒子保持相對獨(dú)立性。在這一階段中，入射粒子與原子核整體發(fā)生相互作用，可能發(fā)生兩種情況，以一是粒子進(jìn)入靶核，被靶核吸收，二是粒子被靶核彈出來，這就是彈性散射(即形狀彈性散射或勢散射)o

第二階段是“復(fù)合系統(tǒng)階段”。入射粒子被靶核吸收后，就和核中的核子作用而交換能量與動量，因而不再看成是處在整個靶核作用下的外來單獨(dú)粒子，而應(yīng)看作是靶核與入射粒子形成了所謂“復(fù)合系統(tǒng)”。在這一階段中，入射粒子可能在與核子作用過程中直接就把反應(yīng)推向第三階段，此時入射粒子在不同程度上保留了原有特性，也可能入射粒子與靶核多次作用后不斷損失能量，最后與靶核融為一體形成復(fù)核，此時入射粒子的原有特性已經(jīng)消失，同其他核子共處于動平衡狀態(tài)中?？梢?，復(fù)合系統(tǒng)這個概念比復(fù)核的概念廣泛一些，它只是入射粒子和核子交換能量的一個過程，而并不考慮入射粒子和其他核于是否有所區(qū)別。第三階段是核反應(yīng)的“最后階段”，在這一階段中，復(fù)合系統(tǒng)分解成出射粒子和新核。產(chǎn)生中子的核反應(yīng)1、（α，n）反應(yīng)—用粒子轟擊某些輕原子核（7Li、9Be、11B、19F等）可產(chǎn)生1Mev—13Mev能量的中子。

73Li（，n）105B94Be（，n）126B

115B（，n）147N199F（，n）2211Na

94Be的中子產(chǎn)額最高，能量最大，是最常用的靶物質(zhì)。常見母體：210Po、226Ra、239Pu第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)2、（，n）反應(yīng)某些原子核受到射線照射時也會發(fā)射出中子-光激中子。射線源產(chǎn)生的射線能量4Mev，故靶核僅限于中子結(jié)合能較低的鈹和氘。

94Be（

，n）84B21H（

，n）11B常見的母體：12451Sb、14057La、2411Na、7231Ga第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)3、（p，n）和（d，n）反應(yīng)用質(zhì)子或氘核轟擊輕原子核，也可以產(chǎn)生中子。73Li（p，n）74Be73Li（d，n）84Be高能（p，n）反應(yīng)氘剝裂反應(yīng)---中子放出，質(zhì)子被靶核吸收4、（n，f）反應(yīng)

n+235U→X1+X2+(2-3)n+第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)中子引起的核反應(yīng)1、中子按能量的分類冷中子E?0.002ev（1）慢中子:0<E≤1kev熱中子0.002ev<E?1ev

超熱中子1ev<E?1kev

與介質(zhì)處于熱平衡的中子稱為熱中子.分布近似遵守麥克斯韋分布率.在293k時熱中子的最可幾速度為2200m/s,E=0.025ev

超熱中子在和重核作用時可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收-----共振中子第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)慢中子引起的核反應(yīng):輻射俘獲(n,)反應(yīng),(n,)反應(yīng),(n,p)反應(yīng)和(n,f)反應(yīng)（2）、中能中子（1kevE≤0.5Mev）主要是彈性散射，其次輻射俘獲（3）、快中子（0.5MevE≤10Mev）彈性散射，非彈性散射（4）、高能中子（E>10Mev）彈性散射，非彈性散射反應(yīng)堆中，高能中子極少，可忽略不計。只考慮中能中子和慢中子引起的散射反應(yīng)和吸收反應(yīng)第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)中子的散射(1)彈性散射勢散射:未進(jìn)入靶核內(nèi),僅被核勢場散射

n+AzX→AzX+n

復(fù)合彈性散射

n+AzX→(A+1zX)→AzX+n對于彈性散射,靶核內(nèi)能沒有變化，用經(jīng)典力學(xué)方法處理。在熱中子反應(yīng)堆中,中子慢化起主要作用的是彈性散射.第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)(2)非彈性散射:動量守恒,動能不守恒,中子損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榘泻说膬?nèi)能----激發(fā)態(tài)----

射線----基態(tài)。特點(diǎn)：射線復(fù)合非彈性散射n+AzX→(A+1zX)*→AzX*+n

AzX*→AzX+

直接非彈性散射n+AzX→AzX*+nAzX*→AzX+

中子能量高，反應(yīng)堆中極少出現(xiàn)第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)3、中子的吸收中子的吸收反應(yīng)主要發(fā)生在低能區(qū)。（n，）、（n，f）、（n，）、（n，p），并都經(jīng)歷復(fù)合核過程。（1）輻射俘獲—靶核俘獲中子后形成處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核→

→生成核基態(tài)

n+AzX→(A+1zX)→A+1zX+

生成核并不一定是穩(wěn)定的，經(jīng)過衰變→穩(wěn)定第四講：核反應(yīng)堆物理——原子核物理基礎(chǔ)

（n，）反應(yīng)從輕核到重核都能發(fā)生，在熱中子作用下，幾乎所有的元素都能發(fā)生這種反應(yīng)。（2）裂變反應(yīng)U-235、Pu-239、U-233，各種能量的中子都能引起核裂變，但熱中子轟擊下，核反應(yīng)的幾率更大。U-238、Th-232，