原子能I.docx
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原子能I
裂变能及其最新进展
一、原子核的发现
1.原子(atom)概念的确立
19世纪:
化学:
测各种化学元素之原子量
物理学:
①确定atom的大小;②测NA
dH=1.4×10-10m
atom-译为“莫破尘”(严复),“尘”—佛经中最微小的灰尘。
2.电子(electron)的发现
1897年,J.J.汤姆孙从放电管中发现了电子
me≈2×10-3mH
Model:
原子=电子+正离子
电子在带正电的离子中“漂浮”。
电子的经典半径:
re≈2.82×10-15m
1980年7月,丁肇中,实验测得re≤1.0×10-18m
3.原子核式结构
1896年,贝克勒尔发现铀元素有穿透本领很强的射线放出
1899年,卢瑟福发现铀放射线中,有α射线(穿透弱),β射线(穿透强)
1903年,卢瑟福证实,α射线——氦元素之离子
1908年,卢瑟福α粒子对金泊散射实验,有相当多的α粒子被弹射回去
1911年,卢瑟福建立了原子的核式结构,rN≈3×10-15m
电子回旋半径约10-10m(orbitalelectron)
二、原子核的质子、中子模型
1.原子核电荷纠正了门捷列夫周期律里元素以原子质量排序的旧观念
例:
氩(Ar)18,原子量39.944(39.948)
钾(K)19,原子量39.096(39.0983)
德国合成107,109号元素,理论推算,元素周期表可排至164号。
2.卢瑟福发现了质子(proton)
H原子核—proton,电荷e
原子核:
m核≈NmpN—整数
Q核=Nep
稳定核:
263个(已知)
准稳定核:
6000个(预计),只合成2200个(目前)
3.1932年,中子的发现解除了电子束缚于原子核的理论困难。
量子力学指出,电子不可能束缚于约10-14m大小的半径之内!
1930年,约里奥·居里夫妇用高速α粒子轰击铍(Be)原子核,发现了穿透本领极强的中性射线,能量40~50MeV。
查得威克(卢瑟福之学生)证实中性射线为中子(neutron),质量略大于质子。
4.依万宁柯—海森堡原子核质子、中子model
Atomnucleus=Zprotons+Nneutrons
质量数A=Z+N
A-核子(nucleon)
表示式:
A元素如:
238U
三、原子能和原子核的结合能
MA p与n之间存在强大的核力,p与n结合放出能量: B={ZMH+(A-Z)Mn–MA}C2 每个核子的结合能: (B/A)max=8.8MeV→A=60 (B/A)min=1.113MeV →2H (向A=60趋近之核必释放原子能) 四、原子能的可能释放模式 1.衰变(Decay) Half-lifeperiod: 87.84y 用途: 小型发电装置,卫星能源 2.裂变(Fission) ①自发裂变(Spontaneousfission) 235U→两个成分不相同的碎块+200MeV Half-lifeperiod: 1.8×1018y ②中子引发裂变(Fissioncausedbyneutrons) n+235U→twofragments+2or3n+200MeV n+239Pu→twofragments+2or3n+200MeV n+233U→twofragments+2or3n+200MeV n: 入射中子(incomingneutron) 3.聚变(Fusion) Forexample: 2H+2H→3H+1H+4.0MeV →3He+n+3.3MeV 3H+2H→α+n+17.6MeV 2H+3He→α+1H+18.4MeV 注: 超重氢原子的发现(Phys.Rew.Lett.27(8),2001) 以Korsheninnikov为首的俄罗斯、法国、日本科学家,在莫斯科联合核子研究所(JINR)制成超重氢: 超重氢=一个质子+四个中子 0个中子氢(H)Hydrogen 1个中子氘(D)Deuterium 2个中子氚(T)Triton(Tritium) ? ? 4个中子? Pentium? (奔腾) 据欧洲联合核子中心报道,反氢原子已能大量生产(以前只能发现有反H)数量约为5万个以上。 4.高能质子使核碎裂 p(质子,1GeV)+238U→碎裂成许多其它核+45n+200MeV 属吸热反应,但有大量中子放出,这给原子能利用起到重要作用。 结论: 化学反应——释放1eV 原子能(单个)——释放1-100MeV,相差106-108倍! 五、和平利用原子能的又一新建议(近10年来) p(1Gev)+238U(or232Th)→碎裂+45n+200MeV (238U,232Th自然界大量存在不宜用作核燃料) 新产生的45个中子可进一步为238U或232Th所吸收,再经两次β衰变,可变成核燃料239Pu或233U n(平均为3.1MeV)+238U→239U+γ→239Pu n(平均为3.1MeV)+232Th→233Th+γ→233U 核燃料: 235U(天然)仅占天然铀的0.72%(地面样品,月球岩石,陨石);西非加蓬铀矿0.44%。 239Pu,232U(人工) 优点: 能生产出核燃料,加速器易控制,安全性好。 缺点: 要有链式反应堆,要规模庞大的加速器。 六、核反应堆or核电站(Nuclearpowerplant) 1.原子核的诱发裂变 一个中子入射,对239Pu,235U,233U的诱发裂变,是人类迄今为止,大量释放原子能的主要方式。 增殖链式反应会释放更多的能量(原子弹原理) 1kg核燃料相当于20000吨TNT黄色炸药的爆炸当量。 增殖因数K=(这一代中子总数)/(前一代中子总数)≥1 这种反应不可控制! 2.核反应堆(Nuclearreactor) 设法控制链式反应中子的增殖率或增长率,使其永远维持在某一数量上,达到控制能量缓慢释放目的。 (1)慢中子堆 反应堆中放置减速剂,中子与减速剂不断碰撞逐渐低速度,最后与减速剂达到热平衡,变为热中子,其能量(室温)kT~0.025eV 减速剂: (moderator)石墨(碳核),重水(氘核)等(镉or硼对慢中子有很大吸引作用) (2)快中子堆(1MeV左右) 控制问题是一个十分复杂的技术问题。 不用慢化剂,直接应用裂变产生的快中子引发裂变——快堆。 注: ①卢瑟福首先实现人工核反应 ②约里奥·居里和查德维克用α粒子轰击Be核: 中子被发现。 ③第一个核反应堆是由费米及其合作者在芝加哥大学组装的。 1942年12月2日达到临界状态。 ④一个自然的裂变反应堆 大约2×109年前,西非加蓬一个铀矿,一个自然的裂变反应堆也许曾运行了105年。 例证: 产生中的同位素比,235U丰度(abundance)在加蓬0.44%,其他地区、月球或磒石中占0.72%。 235U: 半衰期t1/2=0.704×109a 238U: 半衰期t1/2=4.47×109a 2×109年前: 同位素丰度为235U/238U=3.78% 4.5×109年前: 同位素丰度为235U/238U=30% ⑤轻水堆、重水堆和气冷堆 轻水(普通水)在反应堆内作慢化剂和冷却剂,将堆内热能带出发电。 重水堆利用重水作慢化剂和冷却剂,也有个别慢化剂用重水,冷却剂用轻水。 气冷堆用石墨作慢化剂,二氧化碳或氦等气体作为冷却剂。 轻水堆中水不沸腾,则称压水堆,若轻水沸腾,则为沸水堆,压水堆占世界装机容量的70%。 ⑥我国1958年开始运用原子反应堆,1991年12月秦山30万kw核电站(压水堆)运行发电,15亿kwh/y,1993年广东大亚湾90万kw(两套)从法国引进,1994年投产运行,100亿kwh/y,目前我国有8座核电站(包括台湾)。 ⑦目前世界上已有7座快堆电站投入运行,我国也在积极研究快堆电站。 至2002年,美国共有103座核电站。 ⑧原子弹 235U: 制成球形,临界体积直径4.8cm(外加中子反射层)。 临界质量1kg左右,结构简单的由两半球形组成,每块235U质量不得超过1kg,也不得小于0.5kg,平日分开贮藏。 1942年12月,美国建立了世界上第一座试验性反应堆。 1945年7月,美国试爆第一颗原子弹(239Pu),接着在8月6日和8月9日先后在日本广岛和长崎投下两颗各以235U和239Pu为燃料的,重分别为4.5t和5t的原子弹。 1964年10月16日,我国爆炸以235U为燃料的第一颗原子弹。 1967年6月17日完成百万吨级氢弹空投试验。
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