第三章核反应堆物理精要.ppt

3.1 核裂变与核反应堆 3.2 链式裂变反应与反应堆临界条件 3.3中子慢化与慢化能谱 3.1 核裂变与核反应堆 3.2 链式裂变反应与反应堆临界条件 3.3中子慢化与慢化能谱 原子核的裂变—— 重原子核通过核反应分裂成两个或几个中等质量的原子核，并同时释放出大量的能量的过程。 按照原子核裂变受外界的影响，可以分为：自发裂变和诱发裂变。 ①.自发裂变 自发裂变：自然界中某些质量数很大的原子核，如铀-238，在无外界粒子轰击无需外界作用，就有自发分裂的趋势的现象。 很重的原子核大多数具有α放射性，可见在重核的自发裂变存在与α衰变的竞争。 重核自发裂变的概率很小，对于Z≈ 92的核素，自发裂变几率比α衰变几率小得多。一公斤铀-238大约有2.5×1025个原子核，这么多原子核中，每秒大概只有7个原子核自发裂变。随着Z和N的增加，自发裂变相对于α衰变的几率逐渐增加。如252Cf 自发裂变分支比约为3%，而254Cf的自发裂变分支比约占99.7% 自发裂变过程中裂变能Qf0 原子核自发裂变几率取决于裂变势垒，这是原子核裂变所要克服的库仑势垒，它与原子核的电荷数有关。如果穿透势垒的几率大，自发裂变就容易发生，半衰期就短；穿透势垒的几率小，半衰期就长。自发裂变半衰期对裂变势垒高度非常敏感，例如，势垒高度相差l MeV，半衰期可相差105倍。 自发裂变半衰期——由于重原子核的自发裂变中存在α衰变的竞争过程，因而每种核素总是存在两个半衰期，即自发裂变半衰期和α衰变半衰期。例如252Cf的α衰变半衰期为2.64y，而自发裂变半衰期为85.5y。表列出了一些核素的自发裂变半衰期和α衰变半哀期。 ②.诱发裂变 1) 诱发裂变: 在外来粒子的轰击下，重原子核发生的裂变。 诱发裂变可以看作核反应的一个反应道，记作： A(a,f) a:入射粒子; A:靶核; f:表示裂变 通常具有一定能量的入射粒子如中子，γ、α、p和重离子等都可以引起核裂变 由于中子与靶核作用中没有库仑势垒，能量很低的中子就可以引起核裂变，因而这种裂变的几率最大，研究得较多。 γ引起的核裂变称为光致裂变，记作(γ,f)，光致裂变的截面较小 带电粒子与靶核之间有库仑势垒作用，一般这种裂变的几率较小。而氘核可以进行(d,pf)裂变。由于氘核中核子结合得比较松弛。当氘核接近靶核时受到极化，此瞬间通常中子进入靶核引起核裂变而质子在靶核库仑势垒的排斥下离开靶核。有时，能量很高的带电粒子可以使质量较小的元素例如Cu发生裂变。 中能带电粒子和重核作用时，可以使重核分裂成多种轻粒子或原子核，把这种过程称为散裂反应(Spallation)。 例如，用340MeV的质子轰击63Cu时，产生一个质子，3个中子，9个α粒子和24Na核。这一反应为强中子源的产生提供了重要途径。 重离子轰击重核时，全融合复合核有很高的激发能。裂变是复合核转变的主要方式。 2）中子的诱发裂变 热中子与235U的裂变可表示为： 中子裂变截面为σf 表示为： ③.裂变反应的阈能 考虑下述核反应： 在这个过程中，复合核C的激发能E*来自相对运动动能Er和形成复合核过程中的结合能BaA： E*＝Er＋BaA 设复合核C的裂变势垒高度为Ethr，那么有： 如果BaA Ethr，此时仅靠形成复合核时的结合能便可以让复合核C发生自发裂变，这意味着即使入射中子的动能为0，核反应也能够发生； 如果BaA Ethr，此时仅靠形成复合核时的结合能无法让复合核C发生自发裂变，为了使复合核C能够克服裂变势垒发生自发裂变，就要求入射粒子提供一定的能量，转化为C的激发能，这样才有可能发生裂变反应。 裂变势垒Eb 裂变势垒，这是原子核裂变所要克服的库仑势垒，它与原子核的电荷数有关。 中等质量的原子核，裂变势垒很高，因而不容易发生核裂变。重核的裂变势垒比较低，在容易发生核裂变的锕系核素中，裂变势垒大约为6Mev。只有当复合核的激发能E*大于裂变势垒高度Eb时，才能发生裂变。而激发能E*又与入射中子的能量En与靶核的性质有义。 核裂变势垒高度可以由实验测量。通过测定裂变几率与复合核激发能的关系可以测定裂变势垒高度。裂变几率是裂变截面与反应截面之比通常取裂变几率曲线平顶高度一半处，所对应的激发能为裂变核的裂变势垒高度 2. 裂变产物 ①. 裂变过程 瞬时形成的裂变碎片通常是丰中子核素，具有较高的激发能，一般要放出1—3个中子。发射中子后的碎片称为裂变的初级产物。初级产物的激发能低于8MeV，接着它以发射γ的方式退激发。发射中子和γ的过程可以分别在裂变后10-15s秒印10-11s之内充成。把这种中子和γ称为瞬发中子和瞬发γ 。 99%以上的中子是在裂变瞬间发射