第1章-核物理基础知识.

1第1章反应堆的核物理基础什么是反应堆？反应堆是利用易裂变核，使之产生可控的自持链式裂变反应的装置。裂变的同时，提供大量的核能以及新的核素。反应堆中有燃料、慢化剂、结构材料和控制材料等。反应堆一旦运行后，堆内中子要与这些材料的原子核发生各种类型的相互作用，产生新核，发生一系列的放射性衰变现象。因此，反应堆是一个强大的各种粒子（中子、α粒子β粒子和γ粒子）辐照场。同时，反应堆的运行是建立在中子与堆内物质相互作用的基础上。2第1章反应堆的核物理基础（续）本章将介绍与反应堆有关的原子核物理基础知识，主要是中子物理学基础。首先，对物质的组成、原子核衰变、结合能与原子核的稳定性作一简单介绍。然后，介绍中子与原子核的各种核反应及其规律。最后，对核裂变的机理作了介绍，并给出了反应堆热功率与中子通量密度的关系以及衰变热的计算公式。31.1物质的组成宇宙中任何物质都是由一百零几种元素的原子组成。原子是保持物质化学性质的最小粒子，但原子并不是物质组成的最基本的单位，原子作为客观实体存在，它的半径为一亿分之一厘米(10-10m)，但原子并不是不可再分的最小微粒。今天人类对原子的认识是：原子又是由原子核（原子的核心）及核外电子组成，形成一个“小太阳系”。41.1.1原子核的组成原子由原子核和核周围的电子组成。原子核带正电，电子带负电。由于原子核所带的正电荷和电子所带的负电荷的绝对值相等，因而原子是电中性的。实验已经证实，原子的全部质量几乎都集中在原子核之中。5原子质量单位1960年1月1日起，国际物理学会议规定，1个原子质量单位(u)定义为中性的12C原子质量的1/12。质子、中子和电子的质量分别为Mp=1.007277uMn=1.008665uMe=0.000549u6原子质量单位（续）1u＝(1.6605655±0.0000086)×10-27kg。用kg为单位来表示这些粒子的质量，则Mp=1.672648×10-27kgMn=1.674954×10-27kgMe＝9.10953×10-31kg由此可见，中子稍稍重于质子。同时由于电子的质量很轻，所以整个原子的质量几乎就是原子核中质子和中子的质量之和。7质子和中子自由质子是稳定的，在自然界（如星际空间）中有大量的自由质子存在。自由中子则不稳定，它可以衰变为质子及负电子并放出一个反中微子：自由中子的半衰期为10.61分。所以自然界中见不到自由中子。热中子反应堆内的中子寿命大约为10-4~10-3秒的量级，快中子反应堆则只有10-6~10-7秒的量级。可见，在讨论反应堆的中子扩散、慢化、吸收或增殖等所有过程时，可以不考虑中子的衰变问题。pn8元素质子数相同的原子统称为元素，原子核中质子数称为原子序数。A=N+ZA：核子数；N：中子数；Z：质子数。A、N和Z都为正整数Z：原子序数，即在元素周期表中的位置，即原子核内的质子数，正电荷数。A：核子数（中子数＋质子数），原子的质量数。XAZXAZXAZ9例如Z=2,N=2，A=4Z=4,N=6,A=10Z=92,N=143,A=235Z=92,N=146,A=238He42Be104U23592U23892101.1.2同位素含相同质子数和不同质量数的原子核的元素叫做同位素。大多数元素都有几种同位素，它们在化学性质方面一般无法区别，但却具有不同的核特性。11表1-1天然铀同位素成分质量数丰度,%同位素质量2340.0055234.04102350.720235.043923899.274238.050812例如：235U和238U在热中子的轰击下235U原子核能分裂成两个碎片；而238U不能产生裂变反应，它俘获中子后生成239U，经过两次β-衰变而转化为239Pu；235U和238U具有不同的核特性。但是它们的化学性质却极为相似。13丰度某一同位素在其所属的天然元素中所占的原子百分比。氢有三种同位素：1H，2H(D)和3H(T)。而3H(T)在自然界中不存在。氧有八种同位素，其中在自然界常见的只有16O、17O和18O是稳定的，相应的份额分别为99.756%、0.039%和.205%。另外五种同位素不稳定。141.2原子核的衰变所谓不稳定，即指这些核要进行自发衰变，放出β±，、γ射线或中子（n）。从钋(原子序数84)开始的高原子量元素。例如88Ra、90Th和92U，则全部由不稳定的放射性核素所组成，这部分核素也称为天然放射性核素。人工制造出来的元素，则都是不稳定的，这部分核素也称为人工放射性核素。151.2.1核力在原子核中，质子和质子之间存在着静电斥力，核子（质子和中子的总称）之间还存在着一种引力，我们称之为“核力”。核力具有以下一些特性。1核力的近程性核子间只有在极短距离时才有核力的作用，其作用距离为飞米（fm）（10-15m）数量级。当核子间距离在0.8～2.0fm范围内，核力呈现较强的吸引力，核力比库伦力增加更为迅速；而核子间距离小于0.4fm时，核力表现为斥力；但当距离超过4～5fm时，核力就急剧减小为零。162核力的饱和性原子核中每个核子只与它邻近的有限数目的几个核子发生相互作用，而不与核内所有的其它核子都发生相互作用。3核力与电荷无关性质子-质子、中子-中子和质子-中子的核力大致相等，与电荷无关。174核力是强相互作用力质子间的库仑斥力反比于距离的平方，原子核内质子之间的距离如此之短，但质子竟然能克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这是由于核力的强作用。事实表明，核力约比库仑力大两个数量级。181.2.2衰变类型放射性核素以一定的速率进行自发的变化，这个速率随核素的性质而不同。不稳定的核放出一个特征粒子，从而转化为一个不同的核，这个新核也可以是(或不是)放射性的。19衰变如果原子核内质子数比中子数多很多的低质量数和中等质量数的不稳定核，首先，核俘获一个轨道电子，然后这个电子同一个质子结合形成一个中子(加一个中微子)。因而，这种衰变相当于放出一个正电子和一个中微子β+衰变，反应式如下表示eYXAZAZ1NO15715820衰变如果核内中子多于质子的不稳定核，中子自发转化成一个质子和一个电子，同时放出反中微子，从而变得相对稳定一些，称β-衰变。如FO199198)(1YXAZAZ21衰变有些不稳定核衰变时放出由两个质子、两个中子组成的粒子YXAZAZ42HeRnRa422228622688的粒子的能谱是不连续。22衰变能量能量份额E1=4.782MeV94.6%E2=4.599MeV5.4%E3=4.340MeV0.0051%E4=4.194MeV710-423γ衰变（跃迁）量子力学指出，原子核可能具有的能量是不连续的。当放射性衰变中所形成的子核处在一种所谓的激发态，即其内能高于该核的正常态(基态)时，就会产生γ射线。过剩的能量几乎立刻以γ辐射的形式被释放。γ射线也伴随其他生成激发态核过程出现。随便说一下，X射线是原子核外面的电子从高能级向低能级跃迁时发出的。24γ衰变（续）实验中发现，绝大多数原子核，在形成激发态后，几乎立即就发射γ射线。但也有一些核，要延迟一段时间才发射γ射线，即该激发态有一定的相对稳定性。这种激发态，称为该核素的同核异能态或同核异能素，通常在质量数后附加“m”表示，例如就是的同核异能素。Krm8336Kr833625自发裂变自发裂变是指处在基态或同质异能态的原子核在没有受到外来粒子或能量的情况下发生的裂变。自发裂变和α衰变是重核衰变的两种不同方式，两者有竞争。对于Z92的核素，例如铀原子核，它的自发裂变的概率比它的α衰变要小。但对某些人工产生的超铀元素，例如252Cf（锎）的自发裂变则是主要的衰变形式。现在很多压水堆核电厂都采用能自发裂变的252Cf作为初级中子源。26衰变链有时母核衰变所生成的子核仍不稳定。这些子核除了有γ发射外，还可接连几代地发射或粒子形成衰变链。例如在反应堆内，235U在热中子作用下裂变而成的碎片Te-135，经一系列的衰变，最后才变成稳定的Ba-135：稳定BaCsXeITe1355613555135541355313552271.2.3衰变规律单位时间内衰变的次数)()(tNdttdNteNtN0)(ttNNttNNtNNteNtNtNdtNdNNdtdN0)(0)()(0)(ln00028衰变链计算ABBBAABNNdtdNCBA29衰变常数衰变常数，它是单位时间内单个原子核的衰变几率。衰变常数只与衰变核的种类和衰变类型有关。30半衰期T1/2原子核衰变一半所需的平均时间T1/2称为半衰期。令t=0时，N＝N0；t=T1/2时，N＝(1/2)N0得6931.02ln2/1T6931.02/1T2/121Te31图1-2放射性活度与半衰期的指数关系32平均寿命等于任一时刻存在的所有核的预期寿命的平均值。可以证明，衰变常数的倒数等于放射性核素的平均寿命，即2/144.11T100)(eNeNtNm该式表明，平均寿命是原子核数量降为eN/0所需要的时间。33平均寿命计算的推导每个放射性核的实际寿命有长有短，可以取0～∞之间任何值。但大量原子核的平均寿命tm却是一定的。λN(t)是t时刻原子核的衰变率，λN(t)dt是t到t+dt的时间间隔内衰变掉的核素，其平均寿命为001)(1dttNtNtm34表1-2放射性核素的特征天然存在的人造的核素放射性半衰期核素放射性半衰期232Th1.4x1010a233Th22.2m238U4.47x109a233Po27.0d235U7.04x108a233U1.58x105a239U23.5m239Np2.35d239Pu2.44x104a35放射性活度放射性同位素样品在单位时间内衰变的次数，即为该同位素样品的活度。单位：贝可勒尔，简称贝可（Bq）(1居里)1Ci=3.7x1010/s=3.7x1010Bq因此，半衰期也可以定义为某同位素活度（A）降为一半所需要的时间。稳定的核素在中子的照射下转化为放射性核素称为中子的活化。可用于测量中子通量密度，物质的反应截面，生产有用的核素和活化分析)()(tNtA比活度比活度（或称放射性比度）是指放射性样品的放射性活度与其质量或体积之比，即单位质量（固体）或单位体积（液体、气体）放射性样品的放射性活度。36射线强度射线强度是指放射性样品在单位时间内放出某种射线的个数。它是与放射性活度有区别的一个物理量，如果某放射源的一次衰变只放出一个粒子，则该样品的射线强度和放射性活度相等，例如32P的一次衰变只放出一个β粒子。但对大多数放射源，一次衰变往往放出若干个粒子，例如60Co的一次衰变放出两个γ光子，所以60Co源的γ射线强度是放射性活度的两倍。37381.3结合能与原子核的稳定性1.3.1质量亏损所有原子核的质量都比组成它的单个质子与中子质量的总和略小，这种质量上的差异称为质量亏损。ΔM＝ZMp＋（A-Z）Mn-MAΔM＝Z（Mp＋Me)＋(A-Z)MnMΔM＝1.007825Z＋1.008665(AZ)M391.3.2结合能根据爱因斯坦(A.Einstein)的狭义相对论原理，质量与能量的等价关系可以用下式来表示：E＝MC2结合能就是单独核子在形成原子核过程中由于质量亏损而释放出的能量总和。])(008665.1007825.1[5.931])([])([22MZAZEECMMZAZMECMMZAZMEBnHAnP40比结合能原子核内一个核子的平均结合能称为比结合能，它等于总结合能除以核内总核子数：])(008665.100782