補充

裂變反應12/19/20221補充

裂變反應12/17/20221自發裂變自發裂變是原子核在沒有受到外界激發下而自行分裂的過程，它是一種特殊類型的核衰變。這個現象是由前蘇聯物理學家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年發現的。質量為中等以上的核，尤其是一些重元素，如鈾-236，從能量的角度講都具有自發裂變的可能性例如，在1克鈾中每小時約有20個鈾核會發生自發裂變，這對于反應堆的啟動有明顯的幫助12/19/20222自發裂變自發裂變是原子核在沒有受到外界激發下而自行分裂的過程中子裂變產生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬發中子0.65%緩發中子裂變后百萬分之一秒左右放出能量約在1~2兆電子伏范圍內，速度為14000~20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂變后幾分鐘的時間內逐漸釋放出來平均能量約在0.5兆電子伏左右12/19/20223中子裂變產生的中子快中子（>0.1Mev）99.3%0.6定義兩個原子核或一個原子核和一個粒子（如中子、γ光子等）接近到10－15米量級時，兩者之間的相互作用所引起的各種變化過程稱為核反應性質核反應所涉及的能量變化比一般的核衰變大得多，通常大于一個核子的結合能，可以高達100~1000兆電子伏，因而它是研究原子核高激發能級的重要手段核反應12/19/20224定義核反應12/17/20224中子核反應（n，γ）反應（n，p）反應（n，α）反應（n，n）反應（n，2n）反應（n，f）反應質子中子α粒子，氦原子核裂變12/19/20225中子核反應（n，γ）反應質子中子α粒子，氦原子核裂變12/1（n，γ）反應中子輻射俘獲反應例如113Cd（n，γ）114Cd當中子能量為0.176電子伏時，鎘吸收中子的能力遠遠大于能量小于這個數值時的能力，即出現共振吸收因此經常采用鎘作為吸收熱中子的物質。在反應堆中常用鎘作控制棒的材料，吸收中子以調節反應堆功率由于中子輻射俘獲反應使原子核的中質比增大，反應產物常具有β－放射性，所以（n、γ）反應是人工制造β－放射性同位素的有效方法瞬間產物為靶核的同位素，因此對被輻射物質沒有影響例如，利用鈾-238中子輻射俘獲反應，可以制造出核燃料钚

12/19/20226（n，γ）反應中子輻射俘獲反應12/17/20226出射粒子是質子例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。產生雜質原子（n，p）反應使剩余核的中質比增加，中子過多，所以也是具有β－放射性的，例如上例中產生的剩余核碳-14就具有β－放射性由于出射粒子是質子，它除了需要足夠大的分離能以外，還需要有相當大能量用來克服庫侖位壘，所以一般慢中子引起這種反應的幾率較小，重靶核發生這種反應的幾率很小，而輕核的幾率就比較大（n，p）反應12/19/20227出射粒子是質子（n，p）反應12/17/20227出射粒子為氦核與（n，p）反應類似，慢中子引起重核的（n，α）反應的可能也很小，只有輕核才能發生（n，α）反應。例如：10B（n，α）7Li反應等，其熱中子吸收截面很大，所以常利用硼-10和鋰-6作為中子探測器，利用含硼石蠟作為快中子的屏蔽材料。產生雜質原子（n，α）反應12/19/20228（n，α）反應12/17/20228（n，n）反應就是中子與原子核的彈性散射，中子在散射后，運動方向和動能都發生了改變，靶核則受到反沖。中子與物質相撞，物質的質量數愈大，中子損失的能量愈小，這說明在防護中子輻照時，不能像防護γ射線那樣選擇重物質作屏蔽材料，而是要選擇質量數較小的輕物質才行。（n，n）反應12/19/20229（n，n）反應12/17/20229當入射中子的能量足夠大時，復合核處于很高的激發態，以致足以釋放出二個中子，即（n，2n）反應。這種反應是吸能反應，因此具有一定的反應閾。（n，2n）反應使核的中質比變小，所以剩余核往往具有β+放射性。除（n，2n）反應外，當入射中子能量更高時還可以發生（n，3n）反應、（n，2np）反應等。例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它們的剩余核錳-54、鈹-8、鋁-26均具有β+衰變及軌道電子俘獲放射性。

（n，2n）反應12/19/202210（n，2n）反應12/17/202210（n，f）反應中子與重核作用，重核分裂成兩個碎片，平均放出2~3個中子，并放出大量熱量。12/19/202211（n，f）反應中子與重核作用，重核分裂成兩個碎片，平均放出2核反應與化學反應的區別核反應吸收或釋放出來的能量要比化學反應吸收或釋放出來的能量大得多，例如，一個鈾原子放射出α射線的能量比一個碳原于燃燒釋放出來的能量幾乎大100萬倍核反應只涉及原子核，而與電子無關12/19/202212核反應與化學反應的區別核反應吸收或釋放出來的能量要比化學反應核子的相互吸引力--核力核力具有短程強相互作用的能力它比電磁相互作用強130倍左右，作用距離只在鄰近核子之間為什么這么多的帶正電荷的質子能緊密結合？電磁力重力核力原子核的尺寸：10-15m原子的尺寸：10-10m核力的相互作用距離：（1.4~1.5）×10－15m是一種特別強大的，是目前知道的最強大的作用力。它是核能的起源核力與電荷無關，質子和質子、中子和中子、質子和中子之間，都存在相互吸引的核力12/19/202213核子的相互吸引力--核力核力具有短程強相互作用的能力為什么這質能方程愛因斯坦指出：質量只是物質存在的形式之一另一種形式就是能量能量和質量的簡單關系：E=mc2質量能量12/19/202214質能方程愛因斯坦指出：質量能量12/17/202214原子核結合能：1+1≠2原子核的質量，小于組成它中子和質子質量之和核子在結合形成原子核前后的質量差值，稱為質量虧損按質能方程，這部分質量就對應于核子在結合時放出的能量，稱為原子核的結合能12/19/202215原子核結合能：1+1≠2原子核的質量，小于組成它中子和質子質結合能的利用—核能每個核子的平均結合能稱為為比結合能元素的比結合能反映該原子核的核子結合緊密程度中等核比結合能最大(質量虧損大)輕核和重核的比結合能小(質量虧損小)輕核比結合能最大結合時質量虧損大中等核重核重核中等核重核裂變質量虧損輕核輕核聚變輕核中等核質量虧損可被利用的能量12/19/202216結合能的利用—核能每個核子的平均結合能稱為為比結合能輕核比結重核裂變自發裂變:無需外界作用，就有自發分裂的趨勢。自然界中某些質量數很大的原子核，如鈾-236，有自發裂變的現象。誘發裂變：在中子轟擊下發生的裂變鏈式裂變反應：裂變過程中，有中子釋放出來，這樣就可能形成鏈式的裂變反應，從而源源不斷地產生核能鈾-235,平均每次裂變放出2.4個中子，同時放出大約200兆電子伏的能量12/19/202217重核裂變自發裂變:無需外界作用，就有自發分裂的趨勢。自然界中圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能核裂變是中子轟擊原子核，原子核接受中子后變得不穩定，從而分裂

復合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量稱為裂變臨界能量

重核為何會裂變？易裂變的材料外部入射的自由中子材料的裂變臨界能量小于入射中子的能量裂變的條件復合核12/19/202218圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能核裂圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能裂變臨界能量

復合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量稱為裂變臨界能量靶原子核復合核的臨界裂變能(Mev)中子的結合能（Mev）釷-2326.55.1鈾-2385.54.9鈾-2355.36.4鈾-2334.66.6钚-2394.06.4幾種核素的臨界裂變能<<<>>易裂變材料天然的核燃料可轉換核素可轉換核素12/19/202219圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能裂變裂變核燃料在任意能量的中子作用下發生核裂變反應，這些核素稱為易裂變核素，鈾-235鈾-233钚-239钚-241在天然鈾中，鈾-235只占0.72%鈾-238約99.28%鈣鈾云母銅鈾云母天然鈾12/19/202220裂變核燃料在任意能量的中子作用下發生核裂變反應，這些核素稱為裂變核燃料的生成12/19/202221裂變核燃料的生成12/17/202221裂變產物定義：在鈾-235裂變反應時，會形成60余種不同的碎片，通過β衰變產生約250種不同的核素，稱為裂變產物

鈾-235的裂變產物質量數分布概率曲線呈現出兩個明顯的峰，分別位于質量數為95和140附近鈾-233和钚-239的裂變產物質量數分布概率曲線與鈾-235的十分接近12/19/202222裂變產物定義：在鈾-235裂變反應時，會形成60余種不同的反應堆能實現控制的決定性條件！！裂變產生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬發中子0.65%緩發中子裂變后百萬分之一秒左右放出能量約在1～2兆電子伏范圍內，速度為14000～20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂變后幾分鐘的時間內逐漸釋放出來平均能量約在0.5兆電子伏左右12/19/202223反應堆能實現控制的決定性條件！！裂變產生的中子快中子（>0裂變能量(1)

反應前后的質量裂變前質量(u)裂變后質量(u)235U235.12495Kr94.945n1.00867139Ba138.955

2n2.01734總計236.13267

235.917質量虧損：236.13267-235.917＝0.215（u）

12/19/202224裂變能量(1)反應前后的質量裂變前質量(u)裂變后質量(裂變能量(2)

一個鈾-235核裂變方式產生的能量己知1u的總能量為931兆電子伏0.215×931=200（兆電子伏）裂變能的存在形式裂變能的大部分（約80％）是以碎片動能的形式出現的。它們很快被周圍的介質減速，將能量逐步交給介質約有20％的能量由瞬時γ射線和中子帶走。其余的能量隨著裂變產物的放射性衰變，通過β和γ輻射的形式逐漸放出1克鈾-235核裂變釋放的能量1克鈾-235的原子數為：6.023×1023／235.14=2.562×10211克鈾-235核全部裂變時，釋放出的總能量為：5.13×1023兆電子伏，它相當于8×107千焦熱量，而燃燒1克標準煤平均只能得到29千焦的熱量鈾－235裂變釋放出的能量比燃燒煤大270萬倍12/19/202225裂變能量(2)一個鈾-235核裂變方式產生的能量12/17裂變能量(3)比較:

裂變能n+235U

X+Y+E200MeV

化學能

C+O2

CO2+

E

4ev

汽油與氧的爆炸，一個分子釋放40-50eVTNT爆炸自身釋放能量，每個分子30eV12/19/202226裂變能量(3)比較:裂變能n+235U鏈式裂變反應

自持式鏈式裂變反應核爆炸原理每次反應產生2.5個中子引起下次反應可控鏈式裂變反應核電廠反應堆原理控制發生裂變的中子數，控制反應速度如何才能使鏈式反應不變成原子彈似的在瞬間倍增，而是維持不變的核反應速率？必須保證每次裂變放出的中子只有一個用于其它核素的裂變辦法是：設法用非裂變方法將裂變放出的多余中子搶走12/19/202227鏈式裂變反應自持式鏈式裂變反應如何才能使鏈式反應不變成原子維持鏈式裂變的條件--臨界質量產生的中子數>=被吸收的中子數一定要維持一定量的中子數，才能保證鏈式反應延續中子的產生其它材料中子的吸收結構材料裂變材料臨界體積12/19/202228維持鏈式裂變的條件--臨界質量產生的中子數>=被吸收的中子數裂變維持的條件－臨界

臨界：堆芯產生的中子數=堆芯被吸收的中子數系統內中子產生率正好等于中子的消失率臨界狀態系統內的中子數會逐漸減少，裂變量也逐漸降低次臨界狀態系統內產生的中子多于損失的中子，會使裂變率不斷增加超臨界狀態核電站主控室堆芯12/19/202229裂變維持的條件－臨界臨界：堆芯產生的中子數=堆芯被吸收的中12/19/20223012/17/202230補充

裂變反應12/19/202231補充

裂變反應12/17/20221自發裂變自發裂變是原子核在沒有受到外界激發下而自行分裂的過程，它是一種特殊類型的核衰變。這個現象是由前蘇聯物理學家弗廖洛夫和佩特扎克于1940年發現的。質量為中等以上的核，尤其是一些重元素，如鈾-236，從能量的角度講都具有自發裂變的可能性例如，在1克鈾中每小時約有20個鈾核會發生自發裂變，這對于反應堆的啟動有明顯的幫助12/19/202232自發裂變自發裂變是原子核在沒有受到外界激發下而自行分裂的過程中子裂變產生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬發中子0.65%緩發中子裂變后百萬分之一秒左右放出能量約在1~2兆電子伏范圍內，速度為14000~20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂變后幾分鐘的時間內逐漸釋放出來平均能量約在0.5兆電子伏左右12/19/202233中子裂變產生的中子快中子（>0.1Mev）99.3%0.6定義兩個原子核或一個原子核和一個粒子（如中子、γ光子等）接近到10－15米量級時，兩者之間的相互作用所引起的各種變化過程稱為核反應性質核反應所涉及的能量變化比一般的核衰變大得多，通常大于一個核子的結合能，可以高達100~1000兆電子伏，因而它是研究原子核高激發能級的重要手段核反應12/19/202234定義核反應12/17/20224中子核反應（n，γ）反應（n，p）反應（n，α）反應（n，n）反應（n，2n）反應（n，f）反應質子中子α粒子，氦原子核裂變12/19/202235中子核反應（n，γ）反應質子中子α粒子，氦原子核裂變12/1（n，γ）反應中子輻射俘獲反應例如113Cd（n，γ）114Cd當中子能量為0.176電子伏時，鎘吸收中子的能力遠遠大于能量小于這個數值時的能力，即出現共振吸收因此經常采用鎘作為吸收熱中子的物質。在反應堆中常用鎘作控制棒的材料，吸收中子以調節反應堆功率由于中子輻射俘獲反應使原子核的中質比增大，反應產物常具有β－放射性，所以（n、γ）反應是人工制造β－放射性同位素的有效方法瞬間產物為靶核的同位素，因此對被輻射物質沒有影響例如，利用鈾-238中子輻射俘獲反應，可以制造出核燃料钚

12/19/202236（n，γ）反應中子輻射俘獲反應12/17/20226出射粒子是質子例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。產生雜質原子（n，p）反應使剩余核的中質比增加，中子過多，所以也是具有β－放射性的，例如上例中產生的剩余核碳-14就具有β－放射性由于出射粒子是質子，它除了需要足夠大的分離能以外，還需要有相當大能量用來克服庫侖位壘，所以一般慢中子引起這種反應的幾率較小，重靶核發生這種反應的幾率很小，而輕核的幾率就比較大（n，p）反應12/19/202237出射粒子是質子（n，p）反應12/17/20227出射粒子為氦核與（n，p）反應類似，慢中子引起重核的（n，α）反應的可能也很小，只有輕核才能發生（n，α）反應。例如：10B（n，α）7Li反應等，其熱中子吸收截面很大，所以常利用硼-10和鋰-6作為中子探測器，利用含硼石蠟作為快中子的屏蔽材料。產生雜質原子（n，α）反應12/19/202238（n，α）反應12/17/20228（n，n）反應就是中子與原子核的彈性散射，中子在散射后，運動方向和動能都發生了改變，靶核則受到反沖。中子與物質相撞，物質的質量數愈大，中子損失的能量愈小，這說明在防護中子輻照時，不能像防護γ射線那樣選擇重物質作屏蔽材料，而是要選擇質量數較小的輕物質才行。（n，n）反應12/19/202239（n，n）反應12/17/20229當入射中子的能量足夠大時，復合核處于很高的激發態，以致足以釋放出二個中子，即（n，2n）反應。這種反應是吸能反應，因此具有一定的反應閾。（n，2n）反應使核的中質比變小，所以剩余核往往具有β+放射性。除（n，2n）反應外，當入射中子能量更高時還可以發生（n，3n）反應、（n，2np）反應等。例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它們的剩余核錳-54、鈹-8、鋁-26均具有β+衰變及軌道電子俘獲放射性。

（n，2n）反應12/19/202240（n，2n）反應12/17/202210（n，f）反應中子與重核作用，重核分裂成兩個碎片，平均放出2~3個中子，并放出大量熱量。12/19/202241（n，f）反應中子與重核作用，重核分裂成兩個碎片，平均放出2核反應與化學反應的區別核反應吸收或釋放出來的能量要比化學反應吸收或釋放出來的能量大得多，例如，一個鈾原子放射出α射線的能量比一個碳原于燃燒釋放出來的能量幾乎大100萬倍核反應只涉及原子核，而與電子無關12/19/202242核反應與化學反應的區別核反應吸收或釋放出來的能量要比化學反應核子的相互吸引力--核力核力具有短程強相互作用的能力它比電磁相互作用強130倍左右，作用距離只在鄰近核子之間為什么這么多的帶正電荷的質子能緊密結合？電磁力重力核力原子核的尺寸：10-15m原子的尺寸：10-10m核力的相互作用距離：（1.4~1.5）×10－15m是一種特別強大的，是目前知道的最強大的作用力。它是核能的起源核力與電荷無關，質子和質子、中子和中子、質子和中子之間，都存在相互吸引的核力12/19/202243核子的相互吸引力--核力核力具有短程強相互作用的能力為什么這質能方程愛因斯坦指出：質量只是物質存在的形式之一另一種形式就是能量能量和質量的簡單關系：E=mc2質量能量12/19/202244質能方程愛因斯坦指出：質量能量12/17/202214原子核結合能：1+1≠2原子核的質量，小于組成它中子和質子質量之和核子在結合形成原子核前后的質量差值，稱為質量虧損按質能方程，這部分質量就對應于核子在結合時放出的能量，稱為原子核的結合能12/19/202245原子核結合能：1+1≠2原子核的質量，小于組成它中子和質子質結合能的利用—核能每個核子的平均結合能稱為為比結合能元素的比結合能反映該原子核的核子結合緊密程度中等核比結合能最大(質量虧損大)輕核和重核的比結合能小(質量虧損小)輕核比結合能最大結合時質量虧損大中等核重核重核中等核重核裂變質量虧損輕核輕核聚變輕核中等核質量虧損可被利用的能量12/19/202246結合能的利用—核能每個核子的平均結合能稱為為比結合能輕核比結重核裂變自發裂變:無需外界作用，就有自發分裂的趨勢。自然界中某些質量數很大的原子核，如鈾-236，有自發裂變的現象。誘發裂變：在中子轟擊下發生的裂變鏈式裂變反應：裂變過程中，有中子釋放出來，這樣就可能形成鏈式的裂變反應，從而源源不斷地產生核能鈾-235,平均每次裂變放出2.4個中子，同時放出大約200兆電子伏的能量12/19/202247重核裂變自發裂變:無需外界作用，就有自發分裂的趨勢。自然界中圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能核裂變是中子轟擊原子核，原子核接受中子后變得不穩定，從而分裂

復合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量稱為裂變臨界能量

重核為何會裂變？易裂變的材料外部入射的自由中子材料的裂變臨界能量小于入射中子的能量裂變的條件復合核12/19/202248圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能核裂圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能裂變臨界能量

復合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量稱為裂變臨界能量靶原子核復合核的臨界裂變能(Mev)中子的結合能（Mev）釷-2326.55.1鈾-2385.54.9鈾-2355.36.4鈾-2334.66.6钚-2394.06.4幾種核素的臨界裂變能<<<>>易裂變材料天然的核燃料可轉換核素可轉換核素12/19/202249圖2-7液滴裂變機制示意圖原子核液滴分裂模型裂變臨界能裂變裂變核燃料在任意能量的中子作用下發生核裂變反應，這些核素稱為易裂變核素，鈾-235鈾-233钚-239钚-241在天然鈾中，鈾-235只占0.72%鈾-238約99.28%鈣鈾云母銅鈾云母天然鈾12/19/202250裂變核燃料在任意能量的中子作用下發生核裂變反應，這些核素稱為裂變核燃料的生成12/19/202251裂變核燃料的生成12/17/202221裂變產物定義：在鈾-235裂變反應時，會形成60余種不同的碎片，通過β衰變產生約250種不同的核素，稱為裂變產物

鈾-235的裂變產物質量數分布概率曲線呈現出兩個明顯的峰，分別位于質量數為95和140附近鈾-233和钚-239的裂變產物質量數分布概率曲線與鈾-235的十分接近12/19/202252裂變產物定義：在鈾-235裂變反應時，會形成60余種不同的反應堆能實現控制的決定性條件！！裂變產生的中子

快中子（>0.1Mev）99.3%瞬發中子0.65%緩發中子裂變后百萬分之一秒左右放出能量約在1～2兆電子伏范圍內，速度為14000～20000千米/秒慢中子(<0.1ev)裂變后幾分鐘的時間內逐漸釋放出來平均能量約在0.5兆電子伏左右12/19/202253反應堆能實現控制的決定性條件！！裂變產生的中子快中子（>0裂變能量(1)

反應前后的質量裂變前質量(u)裂變后質量(u)235U235.12495Kr94.945n1.00867139Ba138.955

2n2.01734總計236.13267

235.917質量虧損：236.13267-235.917＝0.215（u）

12/19/202254裂變能量(1)反應前后的質量裂變前質量(u)裂變后質量(裂變能量(2)

一個鈾-235核裂變方式產生的能量己知1u的總能量為931兆電子伏0.215×931=200（兆電子伏）裂變能的存在形式裂變能的大部分（約80％