新能源發(fā)電技術(shù) 電子課件 2.1 核反應(yīng)堆的物理基礎(chǔ)

2.1核反應(yīng)堆的物理基礎(chǔ)任課老師：于立軍2019年03月目錄Contents2.1.1核物理基礎(chǔ)2.1.2核反應(yīng)基礎(chǔ)2.1.3核裂變反應(yīng)相關(guān)2.1.4自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)目錄Contents2.1.1核物理基礎(chǔ)2.1.2核反應(yīng)基礎(chǔ)2.1.3核裂變反應(yīng)相關(guān)2.1.4自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)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(yīng)核燃料增殖過(guò)程核裂變反應(yīng)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(qiáng)相互作用力2.1.1.3核的結(jié)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(jié)合能比結(jié)合能=總的結(jié)合能原子核質(zhì)量數(shù)核能計(jì)算在原子能領(lǐng)域內(nèi)，一般用電子伏特（eV）、（MeV）作為能量單位。1u質(zhì)量相當(dāng)于為931MeV；1MeV=1.6021

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

1021個(gè)鈾原子，問(wèn)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(dāng)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(dāng)于3噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量2.1.1.4核的放射性當(dāng)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(yīng)的穩(wěn)定界限時(shí)，這種核將通過(guò)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(shí)所需要的時(shí)間周期。

目錄Contents2.1.1核物理基礎(chǔ)2.1.2核反應(yīng)基礎(chǔ)2.1.3核裂變反應(yīng)相關(guān)2.1.4自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)2.1.2.1核反應(yīng)的定義核反應(yīng)是指外來(lái)粒子引起某原子核發(fā)生變化的反應(yīng)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(yīng)的原理：中子與原子核結(jié)合之后，核的平均結(jié)合能造成了超出核素可以保持穩(wěn)定的擾動(dòng)，導(dǎo)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(dòng)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(fù)合核的形成反應(yīng)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(yīng)的原理：中子與原子核結(jié)合之后，核的平均結(jié)合能造成了超出核素可以保持穩(wěn)定的擾動(dòng)，導(dǎo)致核素趨向生成了更加穩(wěn)定的核素。最簡(jiǎn)單的也是很主要的核反應(yīng)，它是中子波和核表面勢(shì)相互作用的結(jié)果，中子并未進(jìn)入耙核入射中子直接與耙核內(nèi)的某個(gè)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(yīng)截面和核反應(yīng)率

2.1.2.3反應(yīng)截面和核反應(yīng)率宏觀截面：一個(gè)中子與單位體積內(nèi)原子核發(fā)生核反應(yīng)平均幾率的度量一個(gè)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(yīng)截面和核反應(yīng)率核反應(yīng)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)發(fā)生核反應(yīng)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(chǔ)2.1.2核反應(yīng)基礎(chǔ)2.1.3核裂變反應(yīng)相關(guān)2.1.4自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)2.1.3.1核燃料裂變臨界能量：復(fù)合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量每消耗一個(gè)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?jī)H為0.7%，其余99.3%為鈾-238（非裂變?cè)兀?。核燃料增殖過(guò)程核裂變反應(yīng)r﹤1時(shí)反應(yīng)堆稱為轉(zhuǎn)換堆

設(shè)初始的核燃料量M0，M0被消耗掉以后，會(huì)產(chǎn)生rM0的新燃料，進(jìn)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(shí)反應(yīng)堆稱為增殖堆

反應(yīng)堆消耗1kg的核燃料的同時(shí)，還能生產(chǎn)出超過(guò)1kg的新核燃料，這種增殖型反應(yīng)堆。不僅可以大量發(fā)電，而且可以逐漸積累核燃料，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行，將反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的新核燃料提取，又可建造新的核反應(yīng)堆。這種反應(yīng)堆充分利用了自然界大量蘊(yùn)藏的非裂變核燃料，使核電站反應(yīng)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(shí)間D=，單位為天數(shù)。思考：r有無(wú)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(yīng)堆中，熱中子與靶核碰撞，形成復(fù)合核，發(fā)生（n,f）反應(yīng)，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(duì)數(shù)能降增量：每次碰撞中子能量的自然對(duì)數(shù)的平均變化值

慢化劑2.1.3.4核裂變反應(yīng)堆功率

核燃料消耗速率

目錄Contents2.1.1核物理基礎(chǔ)2.1.2核反應(yīng)基礎(chǔ)2.1.3核裂變反應(yīng)相關(guān)2.1.4自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)2.1.4.1自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)機(jī)理自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)：不依靠外來(lái)中子的補(bǔ)充，就能持續(xù)裂變下去的核反應(yīng)。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(jié)構(gòu)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(yīng)堆超臨界反應(yīng)堆臨界反應(yīng)堆次臨界2.1.4.3反應(yīng)堆內(nèi)中子循環(huán)剩余96個(gè)熱中子

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