核科学基础知识.ppt

* 自持的链式裂变反应 每次裂变放出的能量有限，如何保证在短时间内获得大量能量，就像核爆炸或核反应堆那样呢？办法是使大量铀核在短时间内裂变并能维持。费米是第一个实现链式反应的科学家。他注意到铀-235分裂时不仅能放出200兆电子伏的能量，同时还放出几个中子。这些中子有可能引起其它铀核分裂。这种重核在不靠外界作用就可能连锁式的引起其它核素的裂变反应称为自持式链式裂变反应。要维持自持式链式的反应，同是否能得到足够的用于裂变的中子数量有关。 链式裂变反应中，到底有多少中子产生，其中又有多少中子参与下一次的裂变反应？实验表明，对于铀-235，平均每次裂变放出的中子数为2.5个，如果大部用于下次裂变，链式反应将于爆炸式的形式倍增，释放的能量按指数规律随时间增加，这就是原子弹核芯中发生的情况。 我们并不希望链式反应以爆发性的形式发生，而希望核能可以平缓地释放出来。只有控制发生裂变的中子数，才能达到控制裂变反应速度的目的，该方法称为可控链式裂变反应，这就是核电站核芯中发生的情况。 * 可发生裂变的物质，产生链式反应所必须具有的最小体积。如果铀块的体积小于临界体积，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀-235而引起裂变前就已飞出铀块外去了。于是中子数目越来越少，不能使链式反应继续下去。在原子核反应堆能正常运转，即堆内链式反应能正常进行，就必须能保证由原子核裂变所产生的中子，能补偿被其它核俘获（不产生裂变）或者逸出反应堆而损耗的中子，这条件只有在反应堆具有一个最低限度的体积，即临界体积时，才能实现。临界体积与堆内可裂变物质，例如，同位素铀-235的含量百分比、铀和减速剂的布置方式以及其他物质存在的情况都有关，因而它不是一个常数。又如要使原子弹发生爆炸，也必须使铀块具有一个最低限度的体积，这体积也称临界体积。在设计原子核反应堆时，临界体积的计算是重要的一环。 * * * * * * * 氢的同位素氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。每一次氘－氚聚变时释放的能量，比一次铀－235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。氘－氚聚变时只有5个核子参加反应，而铀－235裂变时有236个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放的能量是铀－235裂变释放的能量的4.14倍。 不仅轻原子核聚变时，每个核子释放的能量，也就是每千克聚变燃料释放的能量比裂变多，更主要的是，地球上聚变燃料的储量比裂变燃料丰富得多。聚变核燃料和裂变核燃料相比，不仅丰富，而且干净。 在可以预见的地球上人类生存的时间内，水中的氘，足以满足人类未来上千亿年对能源的需要。因此地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要来说，是无限丰富的；聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。 * 聚变需要巨大能量的启动 然而，可控核聚变的实现比可控核裂变的实现难得多的多。裂变反应时可以不需要入射中子有动能，而聚变反应则不同。聚变实现的是两个核的合并。想象一下，当我们将两个带正电的球相互接近时，它们会发生什么现象？互相排斥。只有使用更大的力才能使两者互相接近。核聚变就是这样，由于所有的原子核都带正电，当两个原子核相互接近时，越接近其静电斥力越大。为了使两个核发生聚变反应，必须首先使两个原子核的一方或双方有足够的能量，以克服它们彼此之间的静电斥力。那么核子之间的吸引力--核力为何不起作用呢？因为核力是短程力，只有当两个原子核相互接近达到约万亿分之三毫米时核力才能起作用，这时由于核力大于静电斥力，两个原子才能聚合到一起，并放出巨大的能量。 当然静电斥力越小的原子核需要的启动能量越小，就越能实现聚变。轻原子核带的正电少，彼此间的静电斥力小，所以质子数越少的原子核越容易聚变。轻原子核不但容易聚变，而且聚变时放出的能量多。实际上，在考虑轻原子核的聚变时，目前只考虑氢的同位素之间的聚变。氢的各种同位素的质子数最少，只有一个，所以互相间静电斥力最小，在人工的条件下最容易聚变。 氢弹使用原子弹点火 获得聚变能源的最方便的途经是把大量的聚变材料在极短的时间内加热到极高的温度。温度越高，运动的速度也越快。当温度达到1亿～2亿℃时,氘核运动的速度达到1000～2000千米/秒。但是这样高的温度在地球上的自然条件下无法实现聚变,采用常规方法也是不行的。原子弹的研制成功给人们找到了在极短的时间内加热到几亿摄氏度高温的方法。于是，氢弹找到了“引爆”的能源――核裂变。1952年，美国用原子弹爆炸产生的高温，第一次实现了大量氘、氚材料的聚变。原来氢弹的爆炸还要用原子弹来“合爆”。 可是核反应堆和核武器不一样，可不能使用原子弹来“点火”。目前主要有磁约束、惯性约束和μ介子催化等途径可以实现聚变。经过半个多世纪的努力，虽然有些途径已显示出胜利的曙光，但