成都理工電法勘探第一章

1、核反應堆物理基礎核反應堆物理基礎教師：劉曉輝成都理工大學核技術與自動化工程學院第一章第一章 反應堆的核物理基礎反應堆的核物理基礎第第1節(jié)節(jié) 基本概念基本概念1. 反應堆（反應堆（reactor , nuclear reactor） 能能以以可控可控方式實現(xiàn)方式實現(xiàn)自持自持（續(xù)）（續(xù)）式式鏈式鏈式核核反應反應的裝置的裝置。2. 反應堆物理（反應堆物理（reactor physics） 研究反應堆內(nèi)研究反應堆內(nèi)中子行為中子行為的科學。的科學。 目的目的研究、設計反應堆使得研究、設計反應堆使得裂變反應裂變反應所產(chǎn)生的中所產(chǎn)生的中子與子與俘獲反應俘獲反應及及泄漏泄漏所損失的中子相平衡。所損失的中子相平

2、衡。 3. 核反應核反應(nuclear reaction) 粒子粒子(包括原子核包括原子核)與與原子核原子核碰撞導致原子核的碰撞導致原子核的質(zhì)質(zhì)量量、電荷電荷或或能量狀態(tài)能量狀態(tài)改變的現(xiàn)象的統(tǒng)稱。改變的現(xiàn)象的統(tǒng)稱。 核反應過程中，核反應過程中，核子數(shù)核子數(shù)、電荷電荷、動量動量與與角動量角動量、能量能量均守恒。均守恒。 4. 核衰變核衰變(nuclear decay) A B+ 主要參數(shù)：主要參數(shù)：半衰期半衰期、放射性活度放射性活度、射線種類射線種類、 射線能量射線能量等等5. （1）核裂變核裂變(nuclear fission) 一個一個重原子核重原子核分裂成兩個（在少數(shù)情況下，可分分裂成兩

3、個（在少數(shù)情況下，可分裂成裂成3個或多個）個或多個）中等質(zhì)量原子核中等質(zhì)量原子核（碎片）同時放出（碎片）同時放出能量的現(xiàn)象能量的現(xiàn)象。 核裂變通常伴隨著發(fā)射中子及核裂變通常伴隨著發(fā)射中子及射線，在少數(shù)情射線，在少數(shù)情況下也發(fā)射輕帶電粒子（況下也發(fā)射輕帶電粒子（射線）。射線）。 誘發(fā)裂變誘發(fā)裂變 自發(fā)裂變自發(fā)裂變 （2）原子核的結(jié)合能（）原子核的結(jié)合能（binding energy) 核子間存在著強大的核力，核子間存在著強大的核力，核子結(jié)合成原子核核子結(jié)合成原子核時時放出的能量放出的能量或或原子核分解為核子原子核分解為核子時時吸收的能量吸收的能量。 原子核的結(jié)合能平均分配給核內(nèi)的每個核子，稱原子

4、核的結(jié)合能平均分配給核內(nèi)的每個核子，稱為核子的為核子的平均結(jié)合能平均結(jié)合能。 （3）核裂變過程核裂變過程質(zhì)量虧損放出結(jié)合能質(zhì)量虧損放出結(jié)合能23592U+ 10n 14156Ba+ 9236Kr+3 10n （4）易裂變核素（易裂變核素（fissile nuclide) 與各種能量的中子作用均能發(fā)生裂變的核素。與各種能量的中子作用均能發(fā)生裂變的核素。 233U、 235U、 239Pu、 241Pu 可裂變核素（可裂變核素（fissionable nuclide) 只能與能量高于某一閾值的中子作用才發(fā)生裂變只能與能量高于某一閾值的中子作用才發(fā)生裂變的核素。的核素。 238U、 232Th、 2

5、40Pu 可轉(zhuǎn)換核素（可轉(zhuǎn)換核素（fertile nuclide) 俘獲中子后能直接或間接地轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兒怂氐姆@中子后能直接或間接地轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兒怂氐暮怂?。核素?238U、 232Th、 240Pu6. 鏈式反應鏈式反應 (chain reaction) 當一個中子引起一個裂變核素原子核裂變后，裂當一個中子引起一個裂變核素原子核裂變后，裂變中放出的中子繼續(xù)能引起其它裂變核素原子核裂變中放出的中子繼續(xù)能引起其它裂變核素原子核裂變，并且能不斷繼續(xù)下去。變，并且能不斷繼續(xù)下去。 自（持）續(xù)自（持）續(xù)鏈式反應鏈式反應 可控可控 不可控不可控7. （1）核聚變核聚變 (nuclear fusion)

6、 兩個兩個輕核輕核結(jié)合成結(jié)合成質(zhì)量較大的核質(zhì)量較大的核，釋放出核能的現(xiàn)，釋放出核能的現(xiàn)象。象。（2）核聚變的控制核聚變的控制 等離子體等離子體 高溫高溫 激光聚變激光聚變第第2節(jié)節(jié) 中子與原子核的相互作用中子與原子核的相互作用一、原子核組成一、原子核組成=1.007u=1.0087u質(zhì)子質(zhì)子穩(wěn)定、帶一個正電荷；穩(wěn)定、帶一個正電荷；中子中子自由中子不穩(wěn)定（自由中子不穩(wěn)定（T1/2=10.3m），不帶電，），不帶電，具有波粒二重性。具有波粒二重性。pn中子按能量分類：中子按能量分類：二、中子與原子核的相互作用二、中子與原子核的相互作用1. 彈性散射彈性散射(elastic scattering)

7、（n, n）2. 非彈性散射非彈性散射(inelastic scattering) （n, n ）3. 輻射俘獲輻射俘獲(irradiation(radiative) capture) （n, ）4. 放出帶電粒子的反應放出帶電粒子的反應(charged-particle reaction) （n, p） （n, ）5. 裂變反應裂變反應(nuclear fission) （n, f）6. 放出幾個中子的反應放出幾個中子的反應(multi-neutron reaction) （n, 2n） （n, 3n）第第3節(jié)節(jié) 中子截面和核反應率中子截面和核反應率一、中子截面一、中子截面 1. 微觀截面微

8、觀截面 （microscopic cross section） 薄靶微觀截面微觀截面表示平均一個入射中子與一個靶表示平均一個入射中子與一個靶核發(fā)生相互作用的幾率大小的一種量度。核發(fā)生相互作用的幾率大小的一種量度。 單位：單位：m2, barnttotal , sscattering , a absorption 2. 宏觀截面宏觀截面 (macroscopic cross section) 厚靶宏觀截面宏觀截面 表征一個中子與單位體積內(nèi)所有原子核發(fā)表征一個中子與單位體積內(nèi)所有原子核發(fā)生核反應的平均概率大小的一種度量。生核反應的平均概率大小的一種度量。 表征一個中子在介質(zhì)中穿行單位距離與核表征一

9、個中子在介質(zhì)中穿行單位距離與核發(fā)生相互作用的概率大小。發(fā)生相互作用的概率大小。單位：單位：m-1 ， cm-13. 平均自由程平均自由程(mean free path) 中子在介質(zhì)運動時，與原子核連續(xù)兩次相互中子在介質(zhì)運動時，與原子核連續(xù)兩次相互作用之間穿行的平均距離。作用之間穿行的平均距離。 中子在介質(zhì)中發(fā)生一種或幾種核反應之前所中子在介質(zhì)中發(fā)生一種或幾種核反應之前所平均移動的距離。平均移動的距離。 單位：單位： m 二、核反應率二、核反應率 1. 核反應率核反應率（reation rate ） R 單位時間、單位體積內(nèi)中子與原子核發(fā)生單位時間、單位體積內(nèi)中子與原子核發(fā)生反應的總次數(shù)反應的總

10、次數(shù) 。單位：單位：n / (m3s) 2. 中子通量密度中子通量密度（neutron flux ） 在單位時間內(nèi)進入以空間某點為中心的適在單位時間內(nèi)進入以空間某點為中心的適當小球的中子數(shù)除以該球體的最大截面所得當小球的中子數(shù)除以該球體的最大截面所得的商的商 。單位：單位：n / (m2s)3. 平均截面平均截面 三、截面隨中子能量的變化三、截面隨中子能量的變化低能區(qū)（低能區(qū)（E1eV）：）： 中能區(qū)（中能區(qū)（ 1eV E1keV ）: 共振吸收共振吸收快中子區(qū)（快中子區(qū)（ E1keV ）: 截面小，變化不大截面小，變化不大va1第第4節(jié)節(jié) 共振吸收共振吸收一、共振截面一、共振截面單能級俘獲共振單能級俘獲共振不賴特不賴特維格納公式維格納公式二、多普勒效應二、多普勒效應238U在在6.67eV處共振俘獲截面的多普勒展寬處共振俘獲截面的多普勒展寬第第5節(jié)節(jié) 核裂變與鏈式反應核裂變與鏈式反應一、裂變能的釋放一、裂變能的釋放（1）可利用能，約）可利用能，約200MeV（除中微子能量之外）。（除中微子能量之外）。 （2） 裂變總能量中，裂變總能量中，80%為裂變碎片的動能，為裂變碎片的動能，90%在堆內(nèi)，約在堆內(nèi)，約5%在反射層、屏蔽層內(nèi)。在反射層、屏蔽層內(nèi)。 （3）可利用能量，可利用能量，97%在燃料內(nèi)，不到在燃料內(nèi)，不到1%在屏蔽在屏蔽層內(nèi)，其余在冷卻劑