核电概论.pdf

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1、核电概论 一 核裂变 1.原子与原子核 原子 物理实验证明，物质是不连续的。将某一种物质分成越来越小的颗粒时，会有保持这种物质化学性质而不能再分的时候。这些仍然具有单质化学物质的最小颗粒称之为原子。原子由一个原子核与围绕原子核不断旋转运动的电子组成。原子核带正电，每个电子带一个单位负电荷。原子的直径约为 10e-8cm（指电子轨道的直径，假定为球形）。原子核的直径为10e-12cm。原子核 原子核是有更小的核子构成的紧密整体。核子分为两类：一类是中子（用符号 n 表示）,不带电，呈电中性；另一类是质子，带一个单位正电荷（用符号 p 表示）。除了普通氢原子核只有一个质子外，其他所有物质的原子核既

2、包含质子又包含中子。各种物质原子核中的质子或者中子数目不同决定了它们原子核特性的不同。质量数和原子序数 原子核中质子与中子的总数 A 称为原子核的质量数，原子核中质子数称为原子序数，常用 Z 表示。同位素 元素的化学性质由原子核中的质子数决定，而不是由原子量决定。即使核内包含的种子数不一样，但包含的质子数目相同的原子都认为是同一种元素。将具有相同的质子数而不同中子数的同一种元素的几种原子称为同位素。在人们已知的一百多种化学元素中，有 1500多种不同的原子核，其中 300 种是稳定的同位素，1200 种是放射性同位素。现有的核电站中，铀是重要的元素，其在自然界中至少存在三种不同同位素，质量数分

3、别为 234,235,238。其中238U 含量最丰富，约为 99.28%,235U 含量约为 0.71%，234U 含量非常少。由于同位素的化学性质已知，所以一般不能用化学方法区别各种同位素，只能用物理方法或核物理方法将他们分开。反应堆中所使用的核燃料中，235U 的含量约为 3%，铀的浓缩是通过离心法完成的。核的结合能 当一定数量的质子和中子聚合起来组成一个原子核后，新原子核的质量小于组成他的核子质量总和，这种质量差异，称为原子核的质量亏损。这些减少了的质量，以能量的形式释放出来。根据爱因斯坦相对论中的质量和能量之间的关系，质量的亏损相当于系统能量的变化：2mcE，式中：c 是在真空中的速

4、度，m/s；E为能量的变化，J；m为质量亏损，kg。在研究原子时，习惯用电子伏特表示能量。1 电子伏特（即 1eV）表示任意一个带单位电子电荷的粒子不受阻碍的通过 1V 电势所获得的能量。根据已知的电子电荷大小可以计算得到：19106.11eVJ 。由于 1eV 太小，所以常用百万电子伏特（MeV）作为单位，即 106eV。打破一个原子核，将每个核子分开，所吸收的能量等于质量亏损的能量。与质量亏损相当的能量称为原子的结合能。所有已经比较精确测定了同位素质量的元素，其结合能都已经计算出来。元素的平均结合能等于总的结合能除以原子核质量数，除了几个轻核以外，其他元素的平均结合能极为接近。质量数在 9

5、0 左右的原子核具有最大平均结合能，因此最为稳定。如果将很轻的原子核转变为较重的原子核，则质量的亏损比原有的原子核多，增加的质量亏损对应着能量的释放，这就是核聚变反应；同样，将很重的原子核分裂成较轻的原子核，同样可以释放出能量，这就是核裂变反应。目前核反应堆中应用的就是核裂变原理。总之，原子核之静质量变化（反应物与生成物之质量差）造成能量的释放。2.放射性与核反应 衰变 自然界中不稳定的同位素以一定速率自发地变化，一般放出带电粒子并以辐射形式放出能量，称为放射性衰变。原子核不受外界影响自发地通过核辐射转化为另一种核的现象，称为放射性。放射性原子核不稳定的原因在于其内部中子数与质子数的比例超出了

6、一定的范围。在一定的范围之内，原子核是稳定的，否则，不稳定的原子核会向着更稳定的方向自发地变化。放射性类型 a 辐射：原子核衰变时放出粒子，核本身转变为另一种新的原子核。粒子是由两个中子和两个质子组成的氦原子核。辐射也称为射线。射线的电离作用很大，但是它的贯穿能力较弱，在空气中经过 3-8cm 的路程就会被吸收。B 辐射：当原子核内部中子和质子比例超过稳定极限时，同位素会放出电子流或者正电子流，称为辐射（或射线）。射线的穿透能力较强，在空气中要穿过几米到十几米的路程才能被吸收。C K 俘获：K 俘获是原子核“吸收”一个电子，核中的一个质子变成一个中子，原子序数减 1，质量数不变。D 辐射：原子

7、核在衰变过程中放出一种电磁波，称为辐射（射线）。这种射线具有很强的穿透能力。E 中子辐射：裂变过程中放出中子。放射的衰变规律 任何一种放射性物质的原子核，在单位时间内都有一定的衰变率。放射性衰变的统计规律为teNN0，式中0N为0t时刻放射性原子数量；N 为 t 时刻剩余的放射性原子数量。常常用半衰期来表示放射性原子数量变化的快慢。半衰期是指放射性原子数量衰减到初始数量的一半所需要的时间（21T）。3.裂变反应 中子与原子核的反应 由于中子是不带电的中性粒子，原子核对它不产生排斥力，即使是热中子，也能被核吸收，引起原子核反应。中子与核的反应过程同它的能量密切相关，通常按照能量的大小将中子分成三

8、种：能量超过 0.1MeV 的称为快中子；能量低于 1eV 的称为慢中子或者热中子；能量在 1eV-0.1MeV 之间的称为中能中子。中子与核的碰撞之所以重要，是因为裂变过程中发射出来的中子一般都是快中子，快中子能量很高，几乎不能直接用来使235U 发生裂变，只有热中子才能使235U 裂变，所以人们使用慢化剂使快中子变成热中子，这一过程称之为慢化。慢化就是使快中子与慢化剂的原子核进行碰撞，将中子的能量传递给慢化剂的原子核，中子自身能量降低的一个过程。常用的慢化剂包括重水、石墨、铍、水等物质。普通水的慢化性能没有重水、铍、石墨的好，但是它便宜，所以经常作为慢化剂。在应用较多的压水堆核电站中，就是采用水作为慢化剂，同时水还作为冷却剂使用。裂变反应是指一个可裂变原子核在俘获一个中子后形成一个复合核，复合核经过一个短暂时间的不稳定激化阶段后，分裂成两个碎片，同时放出中子和能量的反应过程。目前实际反应堆中作为燃料的有233U、235U 和239Pu，235U 裂变后形成多种碎片，经过衰变约形成250 中核元素，称为裂变产物，裂变产物的质量数集中在 95 和 140 附近，也就是说，大部分裂变产物的质量数为 95 或者 140。235U 裂变后产生约 200MeV 的能量，核裂变次数越多，放出的能量越多，这些能量就是进行核能发电的能量来源。