第3章--核裂变PPT文档格式.ppt

1、,对于诱发裂变，入射粒子与靶核的复合核才是裂变核，当裂变核的激发能超过裂变势垒时，裂变概率就显著的增大,3.1 自发裂变与诱发裂变,一些核素的裂变势垒高度,单位（MeV）,3.1 自发裂变与诱发裂变,中子照射235U或238U，复合核激发态的能量E*为,Ea入射中子的动能，,Eb中子入射中子和靶核的结合能,热中子 Ea0，因此 E*Eb,对于235U,对于238U,Ecrit（236U）=5.9MeV,Ecrit（239U）=6.2MeV,3.2 裂变产物,中子,靶核,初碎片1,初碎片2,瞬发中子 10-15s,射线 10-11s,-,-,-,-,-,缓发中子,10-2s,1.裂变后现象概述,

2、3.2 裂变产物,70,110,90,130,150,10,1,0.1,0.01,0.001,0.0001,质量数,裂变产额/%,热中子,14MeV中子,235U核裂变碎片的质量分布,2.裂变碎片的质量分布,裂变碎片的质量分布既与裂变核素的种类有关，也与引起裂变的中子能量有关,118,139,95,根据结合能的计算,235U的裂变碎片有80多种，它们几乎都是非稳定的，要发生一系列的衰变，我们把裂变碎片和它们的衰变产物统称为裂变产物，它们有300多种,3.2 裂变产物,有些裂变产物如135Xe和149Sm，具有相当大的热中子吸收截面,例如：对于0.0253eV的热中子,a（135Xe）:2.71

3、06 b,a（149Sm）:40800 b,a（235U）:680.9 b,a（238U）:2.7 b,a（239Pu）:1011.2 b,我们将上述具有很大热中子吸收截面的裂变产物称为毒素,还有一些裂变产物如237Np、241Am、243Am、129I和99Tc等，具有很强的放射性和非常长的半衰期,T1/2（237Np）:2106 a,T1/2（129I）:1.6107 a,3.2 裂变产物,3.裂变中子,原子核每次裂变平均放出的中子数：,裂变时平均放出的中子数和裂变方式有关,例如对于239Pu：,热中子诱发裂变,自发裂变,中子诱发裂变发出的中子数与中子能量有关,例如：,3.2 裂变产物,9

4、9%的裂变中子是瞬发中子，它们的能量分布在0.0510MeV的相当大的范围内,（E）称为裂变中子能谱,（E）dE表示能量在EE+dE能量范围内的中子份额,0,1,2,3,4,5,7,6,8,0.1,0.2,0.3,0.4,能量/MeV,（E）/MeV-1,235U热中子裂变的裂变中子能谱,3.2 裂变产物,裂变中子中有小于1%的中子是缓发中子，它们是在裂变碎片衰变过程中发射出来的,87Br,54.5s,87Kr*,87Kr,86Kr,87Rb,87Sr,-,-,-,-,放出中子,缓发中子先驱核87Br的衰变,例如：,87Br称为缓发中子先驱核,3.2 裂变产物,235U核热中子裂变时的缓发中子

5、数据,3.3 裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗,中子,靶核,初碎片1,初碎片2,瞬发中子 10-15s,射线 10-11s,-,-,-,-,-,缓发中子,10-2s,裂变后现象概述,3.3 裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗,235U和239Pu核裂变释放的能量分配,1.裂变能量的释放,3.3 裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗,2.核反应堆的功率与中子通量密度的关系,设235U每次裂变释放的能量为Ef：,堆芯任意点r处单位体积内的功率q（r）为:,反应堆的功率P为：,f为堆芯宏观裂变截面（/米），（r）为堆芯r处的中子通量密度（/米2秒）,3.3 裂变能量释放与反应堆的功率和燃耗,例题 一核电站

6、压水堆的热功率为2800MW，电站年负荷因子为0.85，试估算该电站1年（365天）所消耗的235U质量,解 该电站工作1年释放的能量为,发生裂变的235U的核为,总共消耗的235U的核为,总共消耗235U的质量为,3.4 链式裂变反应,1.自续链式裂变反应和临界条件,链式裂变反应示意图,裂变核发生裂变，平均放出 两个以上的裂变中子，这些裂变中子可能引起周围裂变核新的裂变而放出更多的中子，如此不断继续下去，这种反应过程就称为链式裂变反应,当每次裂变反应产生的中子数目大于引起核裂变消耗的中子数目时，可发生自续链式裂变反应,3.4 链式裂变反应,有效增殖因数keff,或,keff1 系统内的中子数

7、保持不变，称之为临界系统,keff1 系统内的中子数不断增加，称之为超临界系统,keff1 系统内的中子数不断减少，称之为次临界系统,3.4 链式裂变反应,当反应堆尺寸无限大时，得到无限介质增殖因数k,对于实际有限大小的反应堆，假定中子不泄漏几率为,对于实际反应堆,维持实际反应堆工作的临界条件为：,3.4 链式裂变反应,2.热中子反应堆的四因子公式,热中子堆结构示意图,冷却剂进口,冷却剂出口,减速剂,核燃料,热屏蔽,屏蔽,反射层,控制棒,假定反应堆的横向抛面图,3.4 链式裂变反应,（1）快中子增殖因数,初始裂变产生的部分快中子与238U核作用并引起238U裂变而产生更多的快中子，这一过程称为

8、238U的快中子增殖效应,反应堆抛面图,3.4 链式裂变反应,设初始裂变放出的快中子数为n，,与燃料棒的半径有关，燃料棒越粗，快中子引起的238U的裂变越多，值越大,棒半径（cm）,为由初始裂变得到并慢化到238U裂变域能以下的中子数,n:,3.4 链式裂变反应,（2）逃脱共振俘获概率p,反应堆抛面图,慢化过程中逃脱共振吸收的概率为p,慢化过程中不泄漏的概率为s,nps:,238U的总截面,经过慢化得到的热中子数,3.4 链式裂变反应,（3）热中子利用系数f,对于均匀反应堆,Nf、Nm、Nc和Ns分别为均匀混合物单位体积中核燃料、慢化剂、冷却剂和结构材料的核子数,设热中子扩散过程中不泄漏的概率

9、为d,npsf d:,被核燃料吸收的热中子数,3.4 链式裂变反应,（4）有效裂变中子数,当一个热中子被核燃料吸收，除了引起235U裂变，还必须考虑另外两种情况：被238U吸收或被235U吸收但未能引起核裂变,定义:一个热中子被核燃料吸收后平均发出的裂变中子数,对于纯235U：,对于天然铀：,最终得到新裂变的中子数目为:,npfsd,3.4 链式裂变反应,初始裂变中子n个,238U吸收、倍增,慢化到238U裂变域下的快中子n个,慢化过程中的泄漏,238U的共振吸收,热中子nps个,其它材料的吸收,热中子泄漏,被燃料吸收的热中子数npfsd,新裂变的中子数nfpsd,慢化过程,扩散过程,p,s,d,f,热中子反应堆内的中子平衡,3.4 链式裂变反应,根据有效增殖因数的定义：,其中,四因子公式,3.4 链式裂变反应,以天然铀为燃料的某热中子反应堆的中子循环过程,设第一代100个热中子被核燃料吸收,10个被235U吸收未裂变100个热中子 36个被238U吸收 54个被235U吸收并放出134个快中子,134个快中子：2个引起238U裂变发出6个快中子,3.4 链式裂变反应,138个快中子：,15个238U被共振吸收123个被减速为热中子,123个热中子：15个被其它材料吸收,