核反應(yīng)堆工程概論第2章

1、核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院第二章：核物理基礎(chǔ)第二章：核物理基礎(chǔ)核反應(yīng)堆工程概論核反應(yīng)堆工程概論2第二章：核物理基礎(chǔ)第二章：核物理基礎(chǔ)一、原子與原子核一、原子與原子核二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)3一、原子與原子核一、原子與原子核 1.原子與原子核原子與原子核2.原子核的組成及屬性原子核的組成及屬性(電、質(zhì)量、尺寸電、質(zhì)量、尺寸)3.同位素及核素的表示符號(hào)同位素及核素的表示符號(hào)4.原子核的能級(jí)狀態(tài)，激發(fā)態(tài)原子核的能級(jí)狀態(tài)，激發(fā)態(tài)5.原子核的穩(wěn)定性，衰變與衰變規(guī)律原子核的穩(wěn)定性，衰變與衰變規(guī)律6.Alpha、Beta、Gamma衰變衰變7.衰變常數(shù)、半衰期、平均壽命衰變常數(shù)、半衰期、平均壽命8.放射性活度及

2、其單位放射性活度及其單位9.原子核內(nèi)核子間的作用力原子核內(nèi)核子間的作用力10.結(jié)合能與比結(jié)合能結(jié)合能與比結(jié)合能11.質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損12.裂變能與聚變能裂變能與聚變能4原子與原子核原子與原子核物質(zhì)存在的物理狀態(tài)物質(zhì)存在的物理狀態(tài)元素：元素：92種天然元素，種天然元素，12種人工元素。種人工元素。原子結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)：原子核：正電，半徑為原子核：正電，半徑為10-12 10-13 cm電子：負(fù)電，質(zhì)量為電子：負(fù)電，質(zhì)量為1/1840u 1u1.660538710-27kg5原子核的組成及屬性原子核的組成及屬性原子核組成：原子核組成：質(zhì)子：正電，質(zhì)量為質(zhì)子：正電，質(zhì)量為1u1u中子：不帶電，質(zhì)量為中

3、子：不帶電，質(zhì)量為1u1u6同位素及核素同位素及核素n質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同2 81 52 91 53 01 53 11 53 21 53 31 53 41 5PPPPPPP7原子核的能級(jí)狀態(tài)原子核的能級(jí)狀態(tài)n原子核內(nèi)部的能量是量子化的。原子核內(nèi)部的能量是量子化的。n原子核可以處于不同的分立的能級(jí)狀態(tài)原子核可以處于不同的分立的能級(jí)狀態(tài)n基態(tài)基態(tài)n激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)8原子核的能級(jí)狀態(tài)原子核的能級(jí)狀態(tài)9145Tb的高自旋態(tài)能級(jí)綱圖的高自旋態(tài)能級(jí)綱圖10衰變與衰變規(guī)律衰變與衰變規(guī)律n衰變：衰變： 原子核自發(fā)地放射出原子核自發(fā)地放射出和和等粒子而發(fā)生的轉(zhuǎn)等粒子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變變 Alpha

4、、Beta、Gamma衰變衰變n衰變規(guī)律：衰變規(guī)律： 指數(shù)規(guī)律：指數(shù)規(guī)律：0tNN e11放射性活度放射性活度 定義：定義：一定量放射性物質(zhì)（核素）單位時(shí)間內(nèi)發(fā)一定量放射性物質(zhì)（核素）單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)，稱為該物質(zhì)（核素）的放射性活度生的核衰變數(shù)，稱為該物質(zhì)（核素）的放射性活度。 單位（單位（SI）：貝克勒爾、貝克，）：貝克勒爾、貝克，Bq，任何放射性，任何放射性物質(zhì)每秒發(fā)生物質(zhì)每秒發(fā)生1次衰變的放射性活度為次衰變的放射性活度為1貝克。貝克。 1 Bq1 s-1 放射性活度老的專用單位是居里（放射性活度老的專用單位是居里（Ci），任何放射），任何放射性物質(zhì)每秒發(fā)生性物質(zhì)每秒發(fā)生3.710

5、10次衰變的放射性活度稱為次衰變的放射性活度稱為1居里。居里。 1 Ci 3.71010 Bq 注意：注意：貝克指的是衰變率，而不是每秒發(fā)射的粒子貝克指的是衰變率，而不是每秒發(fā)射的粒子數(shù)。數(shù)。(一次衰變未必只放出一個(gè)粒子一次衰變未必只放出一個(gè)粒子)12原子核內(nèi)核子間的作用力原子核內(nèi)核子間的作用力13結(jié)合能與比結(jié)合能結(jié)合能與比結(jié)合能n原子核的質(zhì)量比組成它的核子的總質(zhì)量小，原子核的質(zhì)量比組成它的核子的總質(zhì)量小，表明由自由核子結(jié)合而成原子核的時(shí)候，表明由自由核子結(jié)合而成原子核的時(shí)候，有能量釋放出來，有能量釋放出來，這種由自由核子組成原這種由自由核子組成原子核所釋放的能量稱為原子核的結(jié)合能子核所釋放的

6、能量稱為原子核的結(jié)合能。n原子核平均每個(gè)核子的結(jié)合能又稱比結(jié)合原子核平均每個(gè)核子的結(jié)合能又稱比結(jié)合能。能。n比結(jié)合能曲線。比結(jié)合能曲線。14比結(jié)合能曲線比結(jié)合能曲線15中子中子中子的靜止質(zhì)量：中子的靜止質(zhì)量： m=1.674954310-27kg =1.0086650 原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位 I 快中子（快中子（0.1MeV) II 超熱中子（超熱中子（1eV- 0.1MeV) III 熱中子（熱中子（1eV)中子和原子核的作用：中子和原子核的作用： 彈性散射彈性散射 非彈性散射非彈性散射 輻射俘獲輻射俘獲 核裂變核裂變( , )n( , )( , )nn p( , )n f162.1 彈性

7、散射彈性散射 中子與靶核碰撞過程中，動(dòng)能、動(dòng)量守恒，靶中子與靶核碰撞過程中，動(dòng)能、動(dòng)量守恒，靶核的能級(jí)狀態(tài)沒有改變。相當(dāng)于兩個(gè)彈性球的碰核的能級(jí)狀態(tài)沒有改變。相當(dāng)于兩個(gè)彈性球的碰撞過程。碰撞后，中子的能量和運(yùn)動(dòng)方向均有所撞過程。碰撞后，中子的能量和運(yùn)動(dòng)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。小的原子核的碰撞過程中。彈性散射是反應(yīng)堆中，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)類特別是熱中子反應(yīng)堆中的一種主要中子核反應(yīng)類型型。所謂熱中子即運(yùn)動(dòng)速度慢的中子。熱中子反。所謂熱中子即運(yùn)動(dòng)速度慢的中子。熱中子

8、反應(yīng)堆中主要是熱中子引發(fā)裂變。應(yīng)堆中主要是熱中子引發(fā)裂變。中子從快中子到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熱中子的過程主要是依靠與輕核的彈性碰撞而損失能量。失能量。二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)172.2 非彈性散射非彈性散射 類似于彈性散射，但是靶核的能級(jí)狀類似于彈性散射，但是靶核的能級(jí)狀態(tài)有所升高。碰撞后，中子的能量和運(yùn)態(tài)有所升高。碰撞后，中子的能量和運(yùn)動(dòng)方向均有所改變。伴隨著靶核的動(dòng)方向均有所改變。伴隨著靶核的衰衰變。變。高能中子與重核的散射反應(yīng)主要是高能中子與重核的散射反應(yīng)主要是非彈性散射非彈性散射。二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)182.3 中子俘獲反應(yīng)中子俘獲反應(yīng)

9、中子撞擊靶核，被靶核所吸收中子撞擊靶核，被靶核所吸收/俘獲。靶核俘獲。靶核的能級(jí)狀態(tài)升高，因此通常伴隨著的能級(jí)狀態(tài)升高，因此通常伴隨著、衰變。衰變。這類反應(yīng)在反應(yīng)堆中通常相當(dāng)于損失中子。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。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)的但是，通常是利用某些吸收中子能力很強(qiáng)的材料來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的控制。另外，某些不裂材料來實(shí)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)變材料的靶核吸收中子后最終可以部分地轉(zhuǎn)化為可裂變材料化為可裂變材料(轉(zhuǎn)化比與增殖比轉(zhuǎn)化比與增殖比)，為人工，為

10、人工制造可裂變材料提供了途徑：制造可裂變材料提供了途徑： 238U n 239U 239Np 239Pu 232Th n 233Th 233Pa 233U二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)192.4 裂變反應(yīng)裂變反應(yīng) (1) 中子撞擊靶核，被靶核所吸收中子撞擊靶核，被靶核所吸收/俘獲之后，俘獲之后，靶核變成了兩個(gè)碎片（其他物質(zhì)的原子核），靶核變成了兩個(gè)碎片（其他物質(zhì)的原子核），同時(shí)釋放出同時(shí)釋放出23個(gè)中子和能量（結(jié)合能）。并個(gè)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)只有然界中存在的物質(zhì)只有235U與中子作用可以發(fā)與中子

11、作用可以發(fā)生裂變反應(yīng)。人工制造的裂變材料包括生裂變反應(yīng)。人工制造的裂變材料包括233U、239Pu等。通過比較裂變臨界能等。通過比較裂變臨界能(Ecr)與靶核吸收與靶核吸收一個(gè)中子所釋放的結(jié)合能一個(gè)中子所釋放的結(jié)合能(Eb)來認(rèn)定易裂變核來認(rèn)定易裂變核素素(如如235U)與可裂變核素與可裂變核素(如如238U)。二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)20裂變碎片裂變碎片212.4 裂變反應(yīng)裂變反應(yīng) (2) 裂變能量：裂變能量：每次裂變釋放的能量約為每次裂變釋放的能量約為200210MeV，主要靠裂變碎片以動(dòng)能的，主要靠裂變碎片以動(dòng)能的形式載帶形式載帶(85%)。其他。其他15都是通過各都是通過各種射線載

12、帶的。種射線載帶的。n、所載帶的能量基所載帶的能量基本都可以得到利用。本都可以得到利用。 二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)222.4 裂變反應(yīng)裂變反應(yīng) (3) 裂變釋放的中子：裂變釋放的中子：每次裂變平均釋放出每次裂變平均釋放出23個(gè)中子。釋放出的中子為快中子，平均能量約為個(gè)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(shí)釋放。絕大部分中子是伴隨著裂變而瞬時(shí)釋放的，稱為瞬發(fā)中子。很少一部分中子是裂變后延的，稱為瞬發(fā)中子。很少一部分中子是裂變后延時(shí)釋放出來的，稱為緩發(fā)中子。時(shí)釋放出來的，稱為緩發(fā)中子。緩發(fā)中子的份額緩發(fā)中子的份額雖然不到雖然不到1，但它使得反應(yīng)堆的控制

13、成為可能。，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(yùn)行，每次裂變釋放反應(yīng)堆若維持臨界、穩(wěn)定地運(yùn)行，每次裂變釋放的中子中應(yīng)有一個(gè)中子去引發(fā)下一次裂變。的中子中應(yīng)有一個(gè)中子去引發(fā)下一次裂變。233U在熱堆中有優(yōu)越性，在熱堆中有優(yōu)越性，239Pu則更有利于快中子增殖則更有利于快中子增殖堆。堆。二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)232.4 裂變反應(yīng)裂變反應(yīng) (4) 裂變產(chǎn)物：裂變產(chǎn)物有很多種。裂變裂變產(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，都伴隨產(chǎn)物原子核在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，都伴隨著著、衰變，釋放衰變熱。反應(yīng)堆停堆以衰變，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

14、停止了，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)堆停但裂變產(chǎn)物的衰變熱繼續(xù)存在。反應(yīng)堆停堆后堆后衰變熱衰變熱的冷卻是反應(yīng)堆安全最棘手的的冷卻是反應(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。求具有非常高的可靠性。 二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)242.5 中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述中子核反應(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，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)生俘獲反即可發(fā)生裂變反應(yīng)，也可發(fā)生俘獲

15、反應(yīng)。應(yīng)。H即可發(fā)生彈性散射，也可發(fā)生中子即可發(fā)生彈性散射，也可發(fā)生中子吸收。吸收。 二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)252.5 中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述(2) 反應(yīng)率反應(yīng)率： 單位時(shí)間、單位體積內(nèi)發(fā)生某種核反單位時(shí)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。應(yīng)的次數(shù)，是反應(yīng)堆工程中最關(guān)心的量。R N n v (cm-3 sec-1) 令令 N ，則，則 R n v n v /-1 n v/ N：物質(zhì)原子核密度，：物質(zhì)原子核密度，cm-3n：中子密度，：中子密度，cm-3v：中子飛行速度，：中子飛行速度，cm/sec：微觀截面，：微觀截面， R N-1n-1v-1

16、 = cm2：宏觀截面，：宏觀截面， cm-3 cm2 = cm-1 =-1：平均自由程，：平均自由程， cm 二、中子核反應(yīng)二、中子核反應(yīng)262.5 2.5 中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述中子核反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述(3) (3) 截面截面: :中子核反應(yīng)的截面有微觀截面和宏觀截面之中子核反應(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)于是該材料的固有特性，相當(dāng)于“物性物性”。微觀。微觀截面實(shí)際上是某種物質(zhì)的原子核與中子發(fā)生某截面實(shí)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)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(yàn)測(cè)得。例：系，只能通過試驗(yàn)測(cè)得。例：C C的散射截面，的散射截面，U-U-235235的裂變截面。的裂變截面。截面的共振特性截面的共振特性( (共振峰共振峰) )：入：入射中子取某些能量值時(shí)，發(fā)生某種核反應(yīng)的概射中子取某些能量值時(shí)，發(fā)生某種核反應(yīng)的概率明顯增加，出現(xiàn)峰值。率明顯增加，出現(xiàn)峰值。238238U U轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化成239239PuPu主要依主要依靠共振吸收?？抗舱裎?。 微觀截面單位：微觀截面單位：靶靶(barn)(barn)，1 barn=101 barn=10-