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第二章 核物理基礎(chǔ) 核反應(yīng)堆工程概論 一 原子與原子核 原子與原子核原子核的組成及屬性 電 質(zhì)量 尺寸 同位素及核素的表示符號原子核的能級狀態(tài) 激發(fā)態(tài)原子核的穩(wěn)定性 衰變與衰變規(guī)律Alpha Beta Gamma衰變衰變常數(shù) 半衰期 平均壽命放射性活度及其單位原子核內(nèi)核子間的作用力結(jié)合能與比結(jié)合能質(zhì)量虧損裂變能與聚變能 二 中子核反應(yīng) 1 2 1彈性散射中子與靶核碰撞過程中 動能 動量守恒 靶核的能級狀態(tài)沒有改變 相當(dāng)于兩個彈性球的碰撞過程 碰撞后 中子的能量和運動方向均有所改變 中子的彈性散射更易于發(fā)生在與質(zhì)量數(shù)較小的原子核的碰撞過程中 彈性散射是反應(yīng)堆中 特別是熱中子反應(yīng)堆中的一種主要中子核反應(yīng)類型 所謂熱中子即運動速度慢的中子 熱中子反應(yīng)堆中主要是熱中子引發(fā)裂變 中子從快中子到熱中子的過程主要是依靠與輕核的彈性碰撞而損失能量 二 中子核反應(yīng) 2 2 2非彈性散射類似于彈性散射 但是靶核的能級狀態(tài)有所升高 碰撞后 中子的能量和運動方向均有所改變 伴隨著靶核的 衰變 高能中子與重核的散射反應(yīng)主要是非彈性散射 二 中子核反應(yīng) 3 2 3中子俘獲反應(yīng)中子撞擊靶核 被靶核所吸收 俘獲 靶核的能級狀態(tài)升高 因此通常伴隨著 衰變 這類反應(yīng)在反應(yīng)堆中通常相當(dāng)于損失中子 反應(yīng)堆中一般情況下不希望看到中子損失 但是 通常是利用某些吸收中子能力很強(qiáng)的材料來實現(xiàn)反應(yīng)堆的控制 另外 某些不裂變材料的靶核吸收中子后最終可以部分地轉(zhuǎn)化為可裂變材料 轉(zhuǎn)化比與增殖比 為人工制造可裂變材料提供了途徑 238U n 239U 239Np 239Pu232Th n 233Th 233Pa 233U 二 中子核反應(yīng) 4 2 4裂變反應(yīng) 1 中子撞擊靶核 被靶核所吸收 俘獲之后 靶核變成了兩個碎片 其他物質(zhì)的原子核 同時釋放出2 3個中子和能量 結(jié)合能 并非所有的物質(zhì)與中子作用都可以發(fā)生裂變 自然界中存在的物質(zhì)只有235U與中子作用可以發(fā)生裂變反應(yīng) 人工制造的裂變材料包括233U 239U 241Pu等 通過比較裂變臨界能 Ecr 與靶核吸收一個中子所釋放的結(jié)合能 Eb 來認(rèn)定易裂變核素 如235U 與可裂變核素 如238U 二 中子核反應(yīng) 5 2 4裂變反應(yīng) 2 裂變能量 每次裂變釋放的能量約為200 210MeV 主要靠裂變碎片以動能的形式載帶 85 其他15 都是通過各種射線載帶的 n 所載帶的能量基本都可以得到利用 二 中子核反應(yīng) 6 2 4裂變反應(yīng) 3 裂變釋放的中子 每次裂變平均釋放出2 3個中子 釋放出的中子為快中子 平均能量約為2MeV 絕大部分中子是伴隨著裂變而瞬時釋放的 稱為瞬發(fā)中子 很少一部分中子是裂變后延時釋放出來的 稱為緩發(fā)中子 緩發(fā)中子的份額雖然不到1 但它使得反應(yīng)堆的控制成為可能 反應(yīng)堆若維持臨界 穩(wěn)定地運行 每次裂變釋放的中子中應(yīng)有一個中子去引發(fā)下一次裂變 233U在熱堆中有優(yōu)越性 239Pu則更有利于快中子增殖堆 二 中子核反應(yīng) 7 2 4裂變反應(yīng) 4 裂變產(chǎn)物 裂變產(chǎn)物有很多種 裂變產(chǎn)物原子核在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前 都伴隨著 衰變 釋放衰變熱 反應(yīng)堆停堆以后 與裂變直接相關(guān)的能量釋放停止了 但裂變產(chǎn)物的衰變熱繼續(xù)存在 反應(yīng)堆停堆后衰變熱的冷卻是反應(yīng)堆安全最棘手的問題 與事故后衰變熱冷卻相關(guān)的系統(tǒng)要求具有非常高的可靠性 二 中子核反應(yīng) 8 2 5中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述 1 一般情況下 某種物質(zhì)的原子核與中子發(fā)生核反應(yīng)不僅限于一種可能性 如 235U即可發(fā)生裂變反應(yīng) 也可發(fā)生俘獲反應(yīng) H即可發(fā)生彈性散射 也可發(fā)生中子吸收 二 中子核反應(yīng) 9 2 5中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述 2 反應(yīng)率 單位時間 單位體積內(nèi)發(fā)生某種核反應(yīng)的次數(shù) 是反應(yīng)堆工程中最關(guān)心的量 R N nv cm 3sec 1 令 N 則R nv nv 1 nv N 物質(zhì)原子核密度 cm 3n 中子密度 cm 3v 中子飛行速度 cm sec 微觀截面 RN 1n 1v 1 cm2 宏觀截面 cm 3cm2 cm 1 1 平均自由程 cm 二 中子核反應(yīng) 10 2 5中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述 3 截面 如上 中子核反應(yīng)的截面有微觀截面和宏觀截面之分 重要的是微觀截面 某種材料的微觀截面是該材料的固有特性 相當(dāng)于 物性 微觀截面實際上是某種物質(zhì)的原子核與中子發(fā)生某種核反應(yīng)之概率的一種描述 一般情況下 微觀截面與入射中子的能量有很強(qiáng)的復(fù)雜依賴關(guān)系 只能通過試驗測得 例 C的散射截面 U 235的裂變截面 截面的共振特性 共振峰 入射中子取某些能量值時 發(fā)生某種核反應(yīng)的概率明顯增加 出現(xiàn)峰值 238U轉(zhuǎn)化成239Pu主要依靠共振吸收 微觀截面單位 靶 barn 1barn 10 24cm2 二 中子核反應(yīng) 11