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1、2000年第2期CARBONTECHNIQUES20002总第107期炭素技术SUM107核工程中的石墨和炭素材料(第二讲)徐世江(清华大学核能技术设计研究所,北京102201)GRAPHITEANDCARBONACEOUSMATERIALINNUCLEARENGINEERINGXUSh-ijiang(InstituteofNuclearEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing102201,China)单个核子的结合能与原子核质量数的关系如图[1]2核反应堆简介1。从图1中可以看出,
2、质量数低的原子核中的核子的结合能比较低,随着质量数的增加,核子的结合21核反应堆工程原理能增加,在质量数为50~70之间达到最大值,随后211原子核的结合能又下降。这表明轻核聚合成重核,或重核分裂成中质量数为A的原子核由Z个质子和(A-Z)个等质量数的两个原子核时,都可以释放出蕴藏在原中子组成,靠核力维系在一起。质子和中子都称为子核中的巨大能量;轻核聚变释放出来的能量大于核子。原子核(或同位素)的质量测量表明:原子核重核裂变释放出来的能量。的质量总比组成它的核子的质量之和要低,其差值212核裂变和核聚变称之为质量亏损。组
3、成原子核时的质量亏损转化为理论上重核裂变成两个中等质量的原子核时都维系核子在一起的结合能,即把单个核子结合成原可以释放出蕴藏在原子核中的巨大能量,但实际上,子核时释放出来的能量,或把原子核拆散成单个核自然界中只有占天然铀0.71%的同位素铀-235吸子时需要提供的能量。根据爱因斯坦的相对论原收中子后发生裂变时释放巨大的净能量。理,质量和能量的转换关系为:U-235+n2F+(2~3)n+200MeV(3)2E=mc(1)从式(3)中我们可以看到:铀-235分裂,除生8式(1)中c是光速,c=2.99810m/s。如果质量m以原
4、子质量单位u、能量E以兆电子伏特(MeV)表示,则:E=m931MeV组成原子核时每个核子的结合能为:式(2)中:BE原子核的结合能;M原子核的质量。图1每个核子的结合能与质量数的关系第2期徐世江核工程中的石墨和炭素材料(第二讲)45成两个裂变碎片(F)和释放出200MeV的能量外,keff<1时,每代核裂变产生的中子数少于损失还产生2~3个中子。这些中子再与铀-235发生反掉的中子数,即参与核裂变反应的中子数,逐代减应时,产生下一代核裂变,形成链式反应。根据不同少,核链式反应不能自持,最终熄灭。我们称反应堆条
5、件,核裂变链式反应可以是自持的或断裂的(爆炸处于亚临界状态或次临界状态。或熄灭掉)。keff=1时,每代核裂变产生的中子数与损失掉[2]在地球环境中,可以用于核聚变的反应有:的中子数相等,参与核裂变反应的中子数不变,核裂31D-D反应:D+DHe(0.82)+n(2.45)变链式反应自持,反应堆处于临界状态。31D+DT(1.01)+p(3.02)keff>1时,每代核裂变产生的中子数大于损失41D-T反应:D+THe(3.5)+n(14.1)掉的中子数,参与核裂变链式反应的中子数逐代增341D+HeHe(3.6)+2p(
6、14.7)加,反应堆处于超临界状态。411总反应:6D2He+2n+2p(43.3)核裂变反应增加的速度取决于keff偏离1的程式中D为氘;T为氚;p为质子;n为中子;括号度。由于每代核裂变的时间很短(水慢化的反应堆为-4-2[3]内的数字为相应粒子或反应的能量,MeV。2.110s,石墨慢化的反应堆为1.610s),从上述数据可以看出:单位质量核聚变释放出过大的偏离易使核反应堆失控,造成事故。因为裂来的能量约为核裂变释放出来的能量的4倍,释放变速度增加意味着能量释出的速度增加,如果反应出来的中子数比核裂变释放数高约15倍(
7、D-D反堆冷却系统不能及时地把裂变能载带出去,反应堆应)~18倍(D-T反应)。因此核聚变反应堆不仅是堆芯温度会越来越高,造成堆心熔化,甚至爆炸。能源装置,也是提供强大的中子源、转化可裂变材keff可以用下式定量地描述:料、生产易裂变材料的装置。引发核聚变反应需要keff=p1p2f极高的温度,D-D反应约为6亿度,D-T反应约式中有效裂变中子数;为2亿度。人类目前还只能实现不可控核聚变快中子倍增因子;氢弹,其需要的高温由裂变原子弹爆炸提供。可控p1逃脱共振吸收的几率;核聚变的研究已经取得了巨大的进
8、展,但工业规模p2逃脱泄漏的几率;利用核聚变能,尚需时日。其中材料是实现可控核f热中子利用系数。聚变反应的关键技术之一(由于材料在核聚变反应下面简要地介绍一下上述各参数的物理意义:堆中的工作条件十分苛刻,有些实验条件只有在实有效裂变中子
