热中子反应堆与核电

 一、 前言
1939 年德国科学家哈恩发现了重核的自发裂变,从此开始了原子能时代的新纪元。这个发现证实了核裂变伴随着大量能量释放的预言,此后又发现每个原子核裂变会放出几个中子。使得自持链式反应成为可能。如²³⁵U 吸收一个中子后,铀核的激发能增高而变得极不稳定,很快裂变成几个碎片,以碎片动能的方式放出能量。核裂变除放出碎片外,还放出2～3 个中子,例如²³⁵U 平均放出2.43 个中子,²³⁹Pu 平均放出2.92 个中子。如果这些中子中至少有一个中子去轰击铀核或钚核,就实现了所谓的自持链式反应。     

核武器的物理基础

 利用能自持进行的核裂变或核聚变反应释放的能量,产生爆炸作用并具有大规模杀伤破坏效应的武器,总称为核武器。其中,利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式反应原理制成的武器,叫裂变武器,通常称为原子弹。利用重氢（（₁²）H,即氘）或超重氢（（₁³）H,即氚）等轻原子核的热核反应原理制成的武器,叫热核武器或聚变武器,通常称为氢弹。以高能中子辐射为主要杀伤因素的低当量小型氢弹,称为中子弹。 一、原子弹 铀235、钚239这类重原子核在中子轰击下,会分裂为两个中等质量数的核（称为裂变碎片）,同时放出2-3个中子和约2.9×10^-11J的核能。     

广岛长崎原子弹爆炸的回顾与反思

 1945年8月6日,美国一架B-29战略轰炸机在日本广岛上空投下了第一颗原子弹,8月9日又在长崎投下第二颗原子弹,至今已整整60年了。原子弹的使用尽管迫使日本于1945年8月15日宣布无条件投降,结束了第二次世界大战。但是并未为人类赢得永久的和平,相反地却把世界带进了原子战争的时代,笼罩在广岛长崎上空的原子弹烟云,绵延到整个世界,核武器从此开始威胁全人类。一、原子弹的物理基础原子弹是利用原子核裂变反应瞬时释放巨大能量的核武器。其基本原理是:铀235、钚239等重核在中子轰击下发生裂变反应,这一过程同时放出2～3个中子和200MeV的能量（相当于3.2×10¹¹焦耳）。     

铀氢锆脉冲反应堆

 1989年4月6日,我国核工业第一研究设计院,在铀氢锆脉冲反应堆零功率装置上,成功地实现了首次临界.标志我国在研制开发这一新型反应堆方面,迈出了重要的一步.什么是脉冲反应堆脉冲反应堆,是一种具有稳态和脉冲运行特殊功能的核反应堆.核反应堆,是中子使原子核发生链式反应,并伴随放出大量粒子和巨大能量的可控核反应器.     

谈谈贫铀和贫铀弹

 自“贫铀弹”事件在欧洲被披露出来后,引起国际社会的极大关注,整个世界几乎都在评论着贫铀弹的是是非非。那么,一个看来本不起眼的“贫铀弹”为何会掀起如此轩然大波呢?在这里我们来谈谈贫铀和贫铀弹。一、铀铀是一种重金属元素,天然铀中有3种同位素:铀238、铀235和铀234,其中铀235是一种核裂变材料,常用于制造原子弹。根据铀裂变反应式可知,一个铀核裂变就能释放原子能201ＭｅＶ,1ｋｇ铀核能够释放原子能为8.2×10¹³Ｊ,而1ｋｇ无烟煤燃烧时释放化学能为3.35×10⁷Ｊ。     

原子核的裂变

1938年左右,哈恩(Hahn)和斯特拉斯曼(Strassman)等首先发現了鈾核俘获中子后,产生了比原来鈾輕很多的、放射性很強的元素。后来經过仔細的分析才知道原来是鈾吸收中子后,分裂成了两个差不多大小的原子核。在这过程中还释放出大量的能量,并伴随着放出中子、γ射綫和β射綫等。此后这一現象就得到了很大的重视,并利用过程的鏈鎖性,制成了反应堆,利用核裂变过程中所释放的能量为人类服务。     

核能存储及释放的新机制

 1938年,德国科学家奥托·哈恩等人发现铀裂变现象1939年8月2日,爱因斯坦在写给美国总统罗斯福的信中指出铀裂变可能导致新型重要能源的产生和武器的建造,由此导致了1942年美国研制原子弹的“曼哈顿”计划和1945年7月16日在美国新墨西哥州的沙漠里进行的世界上第一颗原子弹试验,从而使得核能成为可供利用的主要能源之一。通常所说的核能包括原子核的裂变能和聚变能。裂变能是重原子核通过裂变而释放的能量而聚变能是由两个轻原子核聚合成一个较重核而释放能量。除了核武器外,裂变能主要用于发电,目前世界的核电已达总电量的16%。     

能量放大器——加速器驱动反应堆获得干净核能的新思路

 不久前,西欧核子中心主任、诺贝尔奖金获得者鲁比亚（C.Rubbia）领导的一个小组从高能物理实验中常用的量能器概念出发,提出了一个提供干净核能的新概念:利用高能强流质子加速器（能量0.8-1.5GeV,平均流强～7mA）产生的高能质子束,在物质中形成核级联过程而产生大量的中子,天然钍(²³²Th)俘获中子而转变为裂变元素²³³U,²³³U又裂变产生中子维持链式反应,他们将这个装置称为能量放大器,装置启动后,裂变元素在天然钍中的比例很快可以达到相对稳定,形成一个长期稳定的能量产出,装置运行于次临界状态和相当低的中子通量下(～10¹⁴cm^-2·s^-1)以确保增值过程的稳定持续和设备无临界危险。     

邮票上的物理学史(50)——费米和原子能

一个铀235原子核裂变时放出的能量约为200MeV,是一个碳原子氧化时放出的能量（4.1eV）的 5×（10）7倍.1905年爱因斯坦在《物体的惯性决定于它所含的能量吗?》的论文里推导出公式E=mc2,之后指出:“借助于一种能量可以作很大变化的物体（例如镭盐）,这个理论的验证不是绝对不可能的”.但是他没有谈到开发和利用原子能（正确的名称是核能）的可能性.而卢瑟福直到1933年还明确宣称:“通过毁灭原于产生能量是一个馊主意.任何指望从转变这些原子得到能源的人都是在空口说白话.”“我们无法控制原子能,使其具有任何商业价值,并且我相信我们永远也做不到这一点.”就他已知的核反应而言,这种论断也是有事实根据的.但是,就在他去世的次年发现了核裂变,而     

邮票上的物理学史（49）——核裂变

发现核裂变的故事应当接着发现中子往下讲 .在发现中子之前 ,用得最多的轰击原子核的炮弹是α粒子 .例如 ,历史上的第一个人工核蜕变就是卢瑟福用钋源发出的α射线轰击氮核 ,把它嬗变成氧原子 .约里奥-居里夫妇用钋源α射线轰击各种原子核 ,轰击铍发现了中子 ,轰击铝发现了人工放射性 ,但对Ｚ >2 0的原子核 ,α粒子轰击却不能引起核反应 .这是因为 ,原子核的正电荷的推斥力使α粒子不能进入原子核 .发现中子后 ,1 93 4年 ,意大利物理学家费米 (邮票见下节 )和他的研究集体试着用中子而不是α粒子来轰击原子核以产生人工放射现象 .费米认为 ,…     

中子诱发232Th裂变初始碎片质量及动能分布Monte-Carlo研究

随着第四代反应堆以及先进核能利用系统的发展,对中子核数据提出了高精度、多核素、宽能区的新要求.目前,中国核数据评价库(CENDL库)中相关核裂变的数据较缺失,不足以满足当前核能发展的需求.因此,建立面向中子核数据需求的可靠计算方法和工具变得极为重要.本文基于Monte-Carlo方法建立了裂变碎片质量动能计算模型,研究了中低能中子诱发²³²Th(n,f)反应发射中子前裂变碎片的分布特性.对于裂变碎片质量分布,本模型计算结果与实验值最大偏差约1%,与GEF, TALYS程序计算结果 (与实验值最大偏差约2%)相比具有一定优势.对于发射中子前裂变碎片动能分布,本模型计算结果与实验数据一致.结果表明,所发展的计算模型能够较好地预测²³²Th(n,f)反应发射中子前裂变碎片数据,为中子诱发锕系核裂变反应计算提供一种新思路.     

核科学百年讲座第三讲核 能与核武器

核能有两个最具影响的应用：一是它的和平利用——核电(第四讲介绍)，另一是它的军事应用——核武器．文章将介绍核能和核武器基本原理以及核燃料生产方法．首先简要介绍核裂变能与聚变能；然后比较详细地说明原子弹的基本原理，包括中子增殖、自持裂变链式反应条件、临界质量和两种形式原子弹的结构原理等，对于氢弹、中子弹的原理仅作简单介绍；最后，对核燃料的生产：铀同位素分离和钚—239的反应堆生产作了原理性的介绍。     

1938 年12 月:核分裂的发现

 1938 年12 月的圣诞假期间,物理学家迈特纳(Lise Meitner)和弗里施(Otto Frisch)做出了惊人的发现,立即引起核物理的革命,进而促成了原子弹的制造。迈特纳和弗里施为了要解释在柏林的核化学家哈恩(OttoHahn)所做出令人费解的发现,他们领悟到的确发生了以前认为不可能的事情:一个铀原子核分裂为二。     

邮票上的物理学史53——曼哈顿计划·核武器的发展

核裂变链式反应首先用于军事用途:制造原子弹. 发现核裂变时,欧洲正处于二战前夕.许多犹太科学家受纳粹迫害,从德国、意大利流亡到英国和美国.这些人对法西斯的凶残有切身的体验,他们了解独裁国家的体制和组织效率,知道在德国一切科学研究都被纳入战争努力.他们对德国可能把核裂变用于军事用途无不忧心忡忡.     

蒙卡程序计算临界基准题测试检验ENDF/B-Ⅷ.0核数据库

采用MCNP程序和ENDF/B-Ⅶ.1,ENDF/B-Ⅷ.0核数据库,对119个模型构成的临界基准题进行了临界计算测试检验。此临界基准题模型包含²³³U、高浓铀、中浓铀、低浓铀和钚材料的临界实验系统,中子能量覆盖了快中子、中能中子和热中子能谱。采用ENDF/B-Ⅷ.0核数据库的计算有效增殖因子keff结果与基准实验结果相对偏差的均值和标准差分别为-68.98×10^-5和407.88×10^-5,检验计算keff结果与基准实验结果的偏差与基准实验不确定度比值在1σ（σ为标准不确定度）以内、1σ～3σ区间和大于3σ的数量分别为107,9和3个;将此结果与相同条件下ENDF/B-Ⅶ.1核数据库的计算结果进行了比较,表明ENDF/B-Ⅷ.0核数据库对临界计算更准确,与实验模型结果符合更好。     

关于借助于气体放电得到可控制的热核反应的可能性

原子物理学和核子物理学的理论与实验工作,近年来,一直在寻求和平利用原子能的新途径。我所指的就是热核反应,在这种反应里,潜在于原子核内的能量的放出,不是靠铀或钍的重原子核的裂变,而是由于某些物质的轻原子核的合成的结果,譬如氘和氚,它们都是氢的稀有异形物。_氘发现于自然界里,并且能从水中用电解方法大量地提取。氚是放射性物质,在原子锅炉里用中子轰击锂可得到它。我们现在已经能够在氢弹里创造出把氘转变为氦的条件。这就是热核反应。但是,为使它成为可控制的,就必须找到办法,使它不具有强力的爆炸性质。解决了这一问题,才能使人类免除关于生存于地球上所必须的能量贮藏量的经常的切身的忧虑。不言而喻,控制热核反应过程这一异常有趣、同时又异常艰巨的任务,吸引了世界上一切国家的物理学家的注意。     

高能量γ射线刻度源装置

在核物理实验和γ剂量探测中,γ射线探测器,如 Ge(Li),HpGe,Nal(T1)和 BGO等都需要刻度能量线性和相对效率.在兆电子伏能区,在加速器上可以利用不同的核反应获得不同能量γ射线.但在没有加速器的地方则无法进行.我们利用一个～105中子/s的Am-Be中子源制成了高能量γ射线刻度源装置.实验装置见图1.这个装置简单、方便.对于没有加速器的地方尤为实用. 一个原子核俘获一个热中子后,由于中子结合能,复合核将处在较高的激发态,它在退激时放出特征的单色γ射线,其能量由激发态的能级决定.一般来说,俘获γ射线谱是多线结构的,但是在高能部分,…     

第一座自持核链式反应堆的建立

 1933年卢瑟福(E.Rutherford)曾断言,核能的利用是空谈的幻想。然而,西拉德(L.Szilard)在1934年获得了与核链式反应有关的专利。1942年,在美国芝加哥大学体育场的大看台下面,费米(E.Fermi)论证了第一座自持铀反应堆,标志着核能时代的诞生。     

于敏和氢弹原理突破的百日会战

<正>于敏院士是当代中国杰出的科学家,20世纪50年代开始在近代物理所(1956年改为原子能研究所,即现在原子能研究院和高能物理研究所的前身)从事原子核理论的研究工作,1961年调到中国工程物理研究院从事核武器的研制。从第一颗原子弹爆炸成功到氢弹原理爆炸试验成功仅用了两年零两个月,那是我国核武器发展最为     

重核裂变瞬发中子能谱的蒸发模型理论

本文用蒸发模型计算了重核裂变碎片的瞬发中子能谱,发现在约化后基本上是普适谱.用算得的碎片蒸发中子谱计算了^235,238U、^239,240Pu 的裂变瞬发中子谱,平均中子数及中子平均能量,得出了计算平均中子数及中子平均能量的普遍近似公式。入射中子能量为0—18 MeV,计算结果一般在5％以内与实验符合.在较严格的蒸发模型计算的基础上重新推出了 Terrell 公式.本工作表明蒸发模型的概念运用于裂变瞬发中子的情形基本上是成功的,但需要引入约10％的断裂前中子。