大学课件《核工业概论》讲稿(3)核反应堆
73页1、核工业概论,李全伟 国防科技学院,目录,课程安排:16 /32学时-8/16周 第一讲 绪论(核工业基础知识) 第二讲 铀的生产与加工 第三讲 核反应堆 第四讲 核电站 第五讲 核燃料后处理 第六讲 核废物的处理 第七讲 核废物的处置 第八讲 辐射防护,第三讲 核反应堆,内容提要 3.1核反应堆(原子能工业第2、3、4章) 3.1核裂变反应及其条件 3.2反应堆的控制和保护 3.3核燃料转换、增殖和循环 3.4反应堆的类型,核反应堆组成示意图,第三讲 核反应堆,主要原理:人工方法控制链式反应使原子核能和平利用的设备。 主要技术:利用减速剂(慢化剂)将裂变的快中子减速为热中子。 主要组成部分:堆芯、中子反射层、冷却系统、控制系统。,华盛顿州汉福特的钚工厂:B反应堆,广东的核电反应堆群,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,反应堆内的核反应(p26) 散射(n,n)反应,辐射俘获(n,)反应,裂变(n,f)反应等。 铀核裂变反应方程 把发生某种核反应的概率称为核截面,单位是(bam,1b10-24cm2 )。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,裂变中子:以铀-235为例,在
2、中子能量0.1MeV的高能区,只有1-2b;而在中子能量0.1eV的热能区,可达到400500b以上。 热中子通常是指能量0.1eV的慢中子,或专指能量为0.0253eV、速度等于2200m/s(相当于室温20)的慢中子。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,动能高于大约1MeV的快中子能使铀-238原子核发生裂变。当铀-238核碰上较低能量的中子时,不发生裂变而会发生俘获,俘获截面以表示。俘获反应通式: AX1nA1XA1X 铀-238核的俘获产物铀-239经过两次衰变后生成易裂变核素钚-239。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,裂变反应(p27) 裂变反应通式: 235U921n0A1F1Z1A2F2Z21n0能量 式中 :代表每次裂变放出的中子数 Z1Z292 A1A22351236 由于静电斥力,两块碎片将向相反方向飞开。,自持链式反应示意图,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,裂变中子(p28) 瞬发中子:能量分布0.0510MeV内,平均能量约2MeV,相当于20000km/s的速度,是快中子。 缓发中子:0.65%的中子随着裂变碎片的逐步衰变而
3、放射出来,在裂变瞬间后将持续几分钟。能量分布在250560keV范围内。 裂变核素吸收1个中子的中子产额 /(1) 每次裂变的中子产额,对热中子铀-235 2.42。 俘获裂变比(/f )。 2.07。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,裂变产物(p28) 铀-235的热中子裂变方式在40种以上,生成的初级裂变产物(裂变碎片)在80种以上。 裂变碎片具有很大动能,最大的达到98MeV,由于它们的重量和电荷也很大,所以在介质中的射程很短,在UO2中约为0.014mm。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,裂变碎片含中子偏多,其中子/质子比(NZ)远超过稳定范围,所以它们几乎全部呈放射性。 裂变产物中存在着200多种放射性同位素,大部分除了放出粒子外,还放出射线(属于缓发)。少数裂变碎片如溴-87和碘-137等,在衰变过程中还放出中子,这便是缓发中子。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,裂变产物中的某些核素如氙-135和钐-149具有很大的热中子吸收截面,它们将消耗堆内很多的中子,称为核毒物。 有些裂变产物有较长的半衰期和很强的放射性,给乏燃料的贮存、运输、处理
4、和最终处置带来一系列特殊的困难和问题,以发展核能中必须充分考虑对待和妥善解决。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,裂变释放的能量(p30) 如果把裂变产物衰变过程放出的能量包括在内,每次铀-235核裂变释放的总能量大约是200MeV。 将式中各核素的质量代入可得裂变过程放出的能量为: 能量通常以碎片动能、裂变中子动能、粒子辐射能等形式放出。,核子的平均给合能随质量数的变化,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,1kg铀-235全部裂变,它放出的能量超过2500t优质煤完全燃烧时释放的能量。 在一座电功率为1000MW的反应堆中,铀-235的消耗率为3.69kg/d,如果换用煤,将需要约9000t/d标准煤。,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,自持链式反应的条件(p31) 临界质量:铀核吸收并引起了裂变的中子,在它本身消亡的同时,能产生新的一代中子,我们把系统中某一代中子数对于上一代中子数之比,称为中子增殖因数k。 k1时,功率不断增长 k1时,功率维持不变 k1时,停堆状态,纯铀-235球形裸堆的中子平衡图,第三讲 核反应堆 3.1核裂变反应及其条件,为实现自
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