核裂变与核聚变ppt课件

核辐射物理及探测学第五章核裂变与核聚变 1 历史回顾 在1930之后 核物理学发展的很快 1932年 Chadwick发现中子 人们用中子去照射不同的核 发现 放射性 1938年 EnricoFermi因中子照射产生新的放射性元素获得诺贝尔物理奖 中子产生超铀元素 transuranic 确实也发现了 放射性confusingresults 化学分离时 发现产生的物质与Ba的化学属性类似 1939年 Hahn和Strassmann证明确实是Ba 后来又发现了中子与铀生成的更多中等质量的核 测量发现中子俘获后放出的能量可达100MeV 比之前人们发现的任何 反应都大 1939年 Meitner和Frisch提出 铀核在发生中子俘获之后高度不稳定 会发生分裂 fission 2 为什么会分裂 在重的原子核内 核力和库仑力之间存在竞争关系 总结合能与A近似成正比 但库仑排斥力与Z有2次方关系 可类似于 衰变 重核接近势阱的顶部 势垒很薄 易于穿透 或者自发地 spontaneously 发生衰变或者通过吸收一个中子 质子而被诱发地发生衰变238U 7 6MeV 119Pd 8 5MeV 119Pd 放出很大的能量 214MeV竞争关系 衰变 T1 2 4 5 109年 fission T1 2 1016年反应堆 原子弹 3 芝加哥大学中的雕塑 4 5 1原子核的裂变反应 5 2原子核的聚变反应 5 5 1原子核的裂变反应 自发裂变诱发裂变裂变后现象链式反应和核反应堆原子武器 6 一 自发裂变 自发裂变 spontaneousfission 没有外来粒子轰击 原子核自行裂变的现象 自发裂变的一般表达式 其中 1 自发裂变的裂变能 由能量守恒 7 发生自发裂变的条件 从比结合能曲线看 A 90即可满足该条件 8 自发裂变半衰期T1 2 SF 与Z2 A的关系 T1 2 SF 随Z2 A的增加而急剧地减少 同一元素的lgT1 2 SF 值几乎都落在一条抛物线上 Z2 A的值差不多大小时 奇奇核 奇A核的T1 2 SF 值比偶偶核的高103 106数量级 B BV BS Bc Bsym Bp aVA aSA2 3 acZ2A 1 3 asym N Z 2A 1 apA 1 2 裂变时 表面张力与库仑力之间存在竞争关系 distortionparameter 一些核素的自发裂变半衰期 9 裂变势垒的近似公式 2 3 x 1 表明随Z2 A的加大 裂变势垒高度降低 因而自发裂变的概率增加 对Z2 A较小的核 尽管满足Qf s 0 但因裂变势垒太高 很难穿透势垒 所以 这些核对自发裂变是稳定的 定义 裂变参数 10 稳定核 球形核势能Vsp 椭球形势能Vel 而当 球形核势能Vsp 椭球形势能Vel时 球形核 椭球形核 裂变 原子核的稳定条件 Vel Vsp 0 所以实验发现 很重的核才发生自发裂变 11 3 裂变份额 重核大多数具有 放射性 自发裂变与 衰变是相互竞争的过程 它们是重核蜕变的两种形式 发生自发裂变过程的衰变常数记为 发生 衰变过程的衰变常数记为 裂变份额定义为 裂变碎片是很不稳定的原子核 一方面碎片处于较高的激发态 另一方面它们是远离 稳定线的丰中子核而发射中子 所以自发裂变核又是一种很强的中子源 例如 252Cf 12 252Cf 一种常用的中子源 252Cf中子源 中子产额 2 32 106n s g半衰期 2 66年 97 2 SF 2 8 中子平均能量 2 13MeV伴随有较强的 射线 发射率 1 3 107 s g 252Cf 142Ba 106Mo 4n Watt分布 13 二 诱发裂变 诱发裂变 inducedfission 在外来粒子轰击下 原子核才发生裂变的现象 在外来粒子的轰击下 靶核与入射粒子形成复合核 复合核一般处于激发态 当其激发能大于裂变势垒时 会发生裂变 入射粒子可以是带电粒子或中子 主要研究中子诱发裂变 中子诱发裂变的一般表达式为 14 复合核的形成过程中 由能量守恒 设靶核静止 入射中子的动能为Tn 15 复合核的激发能 复合核的激发能为最后一个中子的结合能和中子的相对运动动能之和 当时 复合核会发生裂变 即 16 不等式右边可以小于等于热中子能量 也可以大于热中子能量 这两种情况对入射中子能量Tn的要求不同 热中子核裂变阈能核裂变 17 热中子核裂变 以235U为例 热中子动能 236U 的激发能 而236U的裂变势垒 故热中子可以诱发235U裂变 这种热中子可诱发裂变的核素称为易裂变核 18 阈能核裂变 以238U为例 若仍为热中子 而239U的裂变势垒 故热中子不能诱发238U裂变 这种热中子不能诱发裂变的核素称为不易裂变核 19 由 这种中子能量必须大于一定的数值才能引起的核裂变称为阈能核裂变 能诱发阈能核裂变的中子的最小能量称为诱发裂变阈能 20 关于易裂变核与不易裂变核的讨论 1 中子被核俘获后形成复合核 复合核处于激发态 将发生集体振荡并改变形状 238U为偶偶核 外来中子的结合能比较小 中子与238U的结合能为4 806MeV 而复合核的裂变势垒为6 2MeV 因此中子能量必须大于某一数值才能发生核裂变 21 诱发裂变截面 单位时间内发生裂变数 单位时间内入射粒子数 单位面积靶核数 手册中常给出多种截面值 22 各种反应截面的关系图 23 裂变截面 f与入射中子能量Tn的关系 对慢中子 Tn 1keV 1 v规律 是对热中子 Tn 0 0253eV 的截面 为热中子速度 2200m s 235U 24 对快中子 在能量约为1MeV时 除中子诱发裂变外 带电粒子和 射线也能引起核裂变 25 三 裂变后现象 中子进入靶核所形成的复合核处于激发态 复合核可能发生裂变 裂变会产生裂变碎片 裂变后现象指裂变碎片的性质 如碎片的质量 能量 释放的中子 射线等 26 裂变过程 中子被靶核吸收形成复合核 复合核裂变为两个裂变碎片远离 稳定线的丰中子核 具有很高的激发能 初级碎片发射中子通常为1 3个中子 称为瞬发裂变中子 次级碎片发射 射线次级裂片的激发能小 不能发射中子 而主要以发射 光子形式退激 称为瞬发 射线 初级产物 衰变到稳定核素在连续 衰变过程中 有些核素可能具有较高的激发能 可以发射中子 称为缓发中子 27 裂变碎片的质量分布 裂变碎片按质量分布的产额 考虑二分裂情况 X和Y的质量分布 28 低激发态重核的裂变多以非对称方式发生 如235U 裂变碎片质量分布呈马鞍形 重碎片质量的峰值是A 140 轻碎片质量的峰值为A 96 而对A 118的碎片仅占0 01 各种裂变核的重碎片的质量的峰值都在A 140附近 而轻碎片的质量随裂变核而改变 裂变碎片几乎包括了大多数的中等质量核素 裂变碎片是得到放射性同位素的重要来源 29 裂变中子 裂变中子可分为瞬发中子和缓发中子 瞬发中子的能量是连续的 服从麦克斯韦分布 可以求出其平均能量 缓发中子产生于裂变产物的某些 衰变链中 其数量占全部中子的1 可控核裂变的实现取决于缓发中子的控制 30 每次裂变释放出的平均中子数 每次裂变释放出的平均中子数 包括瞬发中子和缓发中子 由于易裂变核吸收一个低能中子 除发生裂变外 还可能发生 n 反应 因此 易裂变核每吸收一个热中子后 放出的平均中子数应修正为 31 裂变能及其在裂变产物中的分配 由于中等质量的裂变碎片的比结合能比重核的比结合能大 所以裂变必然放出巨大的能量 重核每次裂变大约产生200MeV的裂变能 裂变能大部分分配为裂变碎片的动能 具体分配见表5 3 裂变能的定义 二裂变 32 四 链式反应和核反应堆 链式反应 ChainReaction 33 维持链式反应的条件 维持链式反应的基本条件 裂变放射出来的新一代中子中平均至少有一个中子又能引起新的裂变 在无限大的介质中 相邻两代中子总数之比称为中子倍增系数k 维持链式反应的条件为 临界状态 为超临界状态 34 中子有表面泄漏 实际上反应堆的大小是有限的 也就是说中子有表面泄漏 35 维持链式反应的最小核燃料体积 称为临界体积 与临界体积相对应的核燃料的质量称为临界质量 对有限大小的反应堆 考虑到中子的表面泄漏 引入有效倍增系数 临界体积 临界质量 有效倍增系数 36 反应堆的控制 反应堆要维持可控链式反应 须对反应堆实现控制 主要是控制中子的密度 从而改变keff 用吸收热中子截面很大的材料如Cd B作成柱形控制棒 由插入反应堆活性区的深浅来控制中子的密度 反应堆单位时间内平均增长的中子数为 定义 反应堆周期T 37 一代时间 决定于中子发射时间 1和中子慢化时间 2 通常在石墨慢化剂中 如果仅考虑瞬发中子 38 对缓发中子 则中子发射时间由 衰变的半衰期决定 平均有 为了使缓发中子发挥作用 要合理选择keff值 通常选取在不考虑缓发中子时keff1 39 裂变反应堆 根据引起裂变的中子能量 反应堆可分为热中子反应堆和快中子反应堆 热中子反应堆 采用对中子吸收很弱的慢化剂将裂变中子迅速降到热能 利用235U热中子裂变截面很大的特点 依靠天然铀或低浓缩铀来实现链式反应 快中子反应堆 若用高浓缩的233U或239Pu作为核燃料 在这种反应堆中没有专门的减速剂 引起裂变的中子主要靠能量较高的中子 称为快中子反应堆 快中子反应堆可实现裂变材料的增殖反应 大大提高对核燃料的利用效率 40 反应堆的构成 反应堆由 铀棒 慢化剂 水或石墨 控制棒 反射层 压力壳及热交换器 水等组成 41 五 原子武器 原子弹 42 43 44 Whenuraniumundergoesfission anaverageof2 5neutronsarereleased Theseneutronstriggerothernucleitoundergofission Calculationsshowthatifachainreactionisnotcontrolleditcouldresultinaviolentexplosion Iftheenergyin1Kgofuraniumwerereleased itwouldequaltothedetonationof20 000TonsofTNT 1KgofUranium 20 000 000KgofTNT 45 5 1原子核的裂变反应 5 2原子核的聚变反应 46 从比结合能曲线可看出 轻核聚变可放出巨大能量 能源存储量的估计 47 轻核的比结合能 48 5 2原子核的聚变反应 轻核聚变氢弹 惯性约束聚变 49 一 轻核聚变 轻核聚变反应 平均每核子贡献3 6MeV 50 二 氢弹 惯性约束聚变 反应截面最大 释放能量最多的轻核聚变反应 d的丰度为0 015 可从海水中大量提取 通过核反应产生T 51 52 53 典型的裂变弹的能量分配 爆震与冲击波50 热辐射35 剩余辐射10 早期核辐射5 纯粹的聚变反应不产生剩余辐射 聚变弹的早期核辐射大为增加 特别是中子 中子弹 增加早期辐射 特别是中子辐射 提高聚变反应与裂变反应的比值 54