第一章：核反應(yīng)堆物理分析

1、核反應(yīng)堆物理分析核反應(yīng)堆物理分析 專業(yè): 核工程與核技術(shù)目目 錄錄 第一章：核反應(yīng)堆的核物理基礎(chǔ) 第二章：單速中子擴(kuò)散理論 第三章：中子慢化與慢化能譜 第四章：均勻反應(yīng)堆的臨界理論 第六章：反應(yīng)性隨時間的變化 第七章：溫度效應(yīng)與反應(yīng)性控制 第八章：核反應(yīng)堆動力學(xué)第一章:核反應(yīng)堆的核物理基礎(chǔ) 核反應(yīng)堆是一種能以可控方式產(chǎn)生自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置。 它由核燃料、冷卻劑、慢化劑、結(jié)構(gòu)材料和吸收劑等材料組成。 鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)（nuclear chain reactionnuclear chain reaction）：核反應(yīng)產(chǎn)物之一能引起同類的反應(yīng)，從而使該反應(yīng)能鏈?zhǔn)降剡M(jìn)行的核反應(yīng)。根據(jù)一次反應(yīng)所直接引起的

2、反應(yīng)次數(shù)平均小于、等于或大于1，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可分為次臨界的、臨界的或超臨界的三種。 1. 1. 反應(yīng)堆（reactor , nuclear reactorreactor , nuclear reactor）0 基本概念 研究反應(yīng)堆內(nèi)中子行為的科學(xué)。有時稱neutronics?；颍貉芯?、設(shè)計(jì)反應(yīng)堆使得裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的中子與俘獲反應(yīng)及泄露所損失的中子相平衡。2. 2. 反應(yīng)堆物理（reactor physicsreactor physics）結(jié)合能(binding energy)(binding energy) (a)把一個粒子從一個系統(tǒng)中取出所需的凈能量，有時稱分離能。(b)把一個系統(tǒng)分解為它的組成

3、粒子所需的凈能量。 (c)質(zhì)量虧損的能量當(dāng)量：3. 3. 原子核的特性 核結(jié)合能除以質(zhì)量數(shù)稱為比結(jié)合能。核結(jié)合能和比結(jié)合能是原子核穩(wěn)定程度的量度，比結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定。核的實(shí)際質(zhì)量總是小于它所包含的核子的質(zhì)量之和。第一節(jié)第一節(jié) 中子與原子核的相互作用中子與原子核的相互作用n中子的主要性質(zhì)n質(zhì)量 mn 939.5731 MeVn壽命 tn896 s ( p + e + n )n磁矩 mn-1.91304275 mNn自旋 s 1/2一一. .中子的產(chǎn)生中子的產(chǎn)生 分為三大類：同位素中子源，反應(yīng)堆中子源，加速器中子源。 1 1、同位素中子源：、同位素中子源：利用核素衰變放出的射線，經(jīng) 或 核反應(yīng)

4、產(chǎn)生中子。優(yōu)點(diǎn)是體積小，方便。 缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，能譜復(fù)雜。而且，必須注意其活度隨時間指數(shù)減?。?,n)( ,n)tII e 01） 源源 (,n)n 特性n 源發(fā)射體 半衰期發(fā)射率(n/)源強(qiáng)度 (n/s)*nRa-Be 1602 y 5.02nPo-Be 138 d 6.9 n nAm-Be 433 y 7.0nPu-Be 87,4 y 5.7nCm-Be 162 d 1.06Ra226Po210Cm244Am241Pu239410510510510410610810源尺度：幾cm源尺度：幾cm一般851010Bq10*10n 常用的 -Be 源結(jié)構(gòu)典型 Be(,n) 源的雙層殼結(jié)構(gòu)放射性反應(yīng)

5、芯發(fā)射體靶物質(zhì)不銹鋼雙層鋼殼防泄漏n2） 中子源n 基于兩個反應(yīng)：n發(fā)射體 半衰期 能量(MeV) 靶n能量(keV)產(chǎn)額(n/s)*n 15.0 h 2.7541 Be 967340,000n D 263330,000n 107 d 1.8361 Be 152229,000n 2.7340 109n 2.7340 D 253 169 n 40.3 h 2.5217 Be 760 10,200n D 147 6,600Na24Y88La140MeV)1.666 (nBeBehMeV)2.226 (nHHh8912結(jié)合能結(jié)合能nnn球型 中子源 發(fā)射芯(f 2.38 cm) 中子發(fā)射靶殼 (Be

6、 或 D)( 厚 3.2 cm )Al 包裹殼235U + n F1 + F2 + 2n + E.n3 加速器中子源n 利用核反應(yīng)：n7Li ( p, n)7Be3H (p, n) 3He 2H (d, n) 3He 3H (d, n) 4Hen 加速器：靜電、回旋n 靶：氘、氚氣體靶，或固體靶Cu, Mo, Ta等，水冷或氣冷Ti 膜，0.1-0.4mg/cm2吸附氣態(tài)氘或氚氚/鈦原子比：1.7:1 甚至 2:1n 中子能量：幾 KeV 20 MeV （快中子）n 隨著吸附的氘、氚的消耗，中子產(chǎn)額下降，中子產(chǎn)額隨時間而變n 源強(qiáng)量級：1mA d (150 keV) ， 3H (d, n) 4

7、He 反應(yīng)的中子產(chǎn)額 （新鮮靶）：n 這在中子應(yīng)用中已經(jīng)算是高產(chǎn)額了。n/s105 . 111nn回旋加速器的限制n能量： 102 MeV 級n束流： mA 級n 反應(yīng)產(chǎn)額(n/粒子)全部中子產(chǎn)額熱淀積(MeV/n)nT(d,n) (0.2 MeV) 810-5 1.3108 2500nW(e,n) (35 MeV)1.7 10-2 2.71010 2000n9Be(d,n) (15 MeV)1.2 10-2 1.91010 1200n 英國 Harwell 150 MeV 回旋加速器中子源 (9.6 mA) 已關(guān)閉n 美國 Nevis 385 MeV 回旋加速器中子源 (1.2 mA) 已關(guān)

8、閉p/s101.6 A112 中子的能量不同，它與原子核相互作用的方式、幾率也就不同。 在反應(yīng)堆物理分析中通常按中子能量把它們分為：（i）快中子快中子（0.1兆電子伏以上）；（ii）超熱中子超熱中子（1電子伏到0.1兆電子伏）；（iii）熱中子熱中子（1電子伏以下）。中子的分類中子的分類n常用的中子分類n名稱能量（eV） 溫度（K）波長（） 速度（km/s）波矢（）n1 1.29.0 4.4n3 3.55.2 7.6n1 1.229 1.4n2 2.320 2.0n5 5.813 3.1n2 236.4 6.2n3 355.2 7.6n5 584.0 9.8n2.59 3001.78 2.2n

9、6 71.2 3.4n8 9.31.0 3.9n1 1.20.9 4.4n2 2.30.2 20n7 8.11.1 3.7n5 5.81.3 3.1n5 5.84.0 9.8n1 1.22.9 1.4 n71071041041041031021021031011021041071081031031021021031041061081011101210210210210210310310510510310310110110110110110110210310410510超冷甚冷冷熱超熱快高能慢熱中子波長為110I100meV4102 . 24108 . 33109 . 63108 . 92106

10、 . 12101 . 32108 . 32109 . 411. 017. 020. 022. 098. 0182106 . 1 3109 . 4 3109 . 6 (-1)n中子與原子核的相互作用過程有三種：勢散射勢散射、直接直接相互作用相互作用和復(fù)合核的形成復(fù)合核的形成。 在反應(yīng)堆內(nèi)，中子與原子核的相互作用可分為兩大類：1.21.2中子與原子核相互作用的機(jī)理中子與原子核相互作用的機(jī)理2.1 中子的吸收 通常不穩(wěn)定，衰變共振吸收共振吸收U-238U-238對超熱中子的強(qiáng)烈吸收對超熱中子的強(qiáng)烈吸收逃脫共逃脫共振吸收？振吸收？特點(diǎn)：特點(diǎn)：少數(shù)輕核才少數(shù)輕核才能發(fā)生，為能發(fā)生，為何？何？結(jié)合能結(jié)合能

11、+ +庫侖勢壘庫侖勢壘（3）核裂變 鈾鈾235235核吸收中子后并不一定核吸收中子后并不一定發(fā)生裂變，也可能發(fā)生俘獲反發(fā)生裂變，也可能發(fā)生俘獲反應(yīng)生成鈾應(yīng)生成鈾236236。因此反應(yīng)堆中。因此反應(yīng)堆中的鈾的鈾235235有一部分并不能用來有一部分并不能用來產(chǎn)生能量，產(chǎn)生能量，裂變裂變/ /吸收吸收 2.2 2.2 中子的散射中子的散射 中子與原子核發(fā)生散射反應(yīng)時，中子改變了飛行方向和飛行速度。 能量比較高的中子經(jīng)過與原子核的多次散射反應(yīng)，其能量會逐步減少，這種過程稱為中子的慢化。 散射反應(yīng)有兩種不同的機(jī)制。 一種稱為彈性散射。在彈性散射前后，中子原子核體系的能量和動量都是守恒的。任何能量的中子

12、都可以與原子核發(fā)生彈性散射。 另一種稱為非彈性散射。中子與原子核發(fā)生非彈性散射，實(shí)際上包括兩個過程。 中子被原子核吸收，形成一個復(fù)合核。 但這個復(fù)合核處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài),很快它就會又放出一個中子，并且放出射線，回到穩(wěn)定的基態(tài)。 非彈性散射非彈性散射 提取核結(jié)構(gòu)信息 a+AA*+a靶核：基態(tài)激發(fā)態(tài)入射粒子填滿的能級價核子受激核子核勢阱復(fù)合核及預(yù)平衡非彈彈性散射第2節(jié) 中子截面和核反應(yīng)率 2.1微觀截面 (microscopic cross section)IXI圖1-2-1 平行中子束穿過薄靶后的衰減探測器 微觀截面是表示微觀截面是表示平均一個入射中子與一個靶核發(fā)生相互作平均一個入射中子與一個靶核

13、發(fā)生相互作用的幾率大小的一種度量用的幾率大小的一種度量，它的量綱是面積單位，平方米。，它的量綱是面積單位，平方米。 截面符號帶有下角標(biāo)截面符號帶有下角標(biāo)s s、e e、inin、f f、a a和和t t者，分別表示者，分別表示散射、彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲、裂變、吸收和總的散射、彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲、裂變、吸收和總的作用截面。作用截面。 2.2 2.2 宏觀截面、平均自由程宏觀截面、平均自由程 2.2.1 宏觀截面（ :macroscopic cross section) 1 定義：一個中子與一立方米內(nèi)的原子核發(fā)生核反應(yīng)的平均幾率大小。 樸素的理解：一個中子的微觀截面與單位體積

14、內(nèi)的靶原子核數(shù)的乘積：N。 2 物理意義： 未與靶核發(fā)生作用的平行中子束未與靶核發(fā)生作用的平行中子束強(qiáng)度隨進(jìn)入靶內(nèi)的深度增加按強(qiáng)度隨進(jìn)入靶內(nèi)的深度增加按指指數(shù)規(guī)律衰減數(shù)規(guī)律衰減 . .sN叫做宏觀截面叫做宏觀截面 衰減速度與核密度和微觀截面的乘衰減速度與核密度和微觀截面的乘積有關(guān)積有關(guān) . . 一個中子與一立方米內(nèi)的原子核發(fā)生核反應(yīng)的一個中子與一立方米內(nèi)的原子核發(fā)生核反應(yīng)的平均平均幾率大小幾率大小的一種度量。的一種度量。 dxIdINs 它也是一個中子穿行單位距離與核發(fā)生相互作用的它也是一個中子穿行單位距離與核發(fā)生相互作用的幾率大小的一種度量。幾率大小的一種度量。 舉例：某種材料的宏觀吸收截面a025cm，那么中子在其中穿過1cm，被該材料的原子核吸收的機(jī)會就是？ 0 02525計(jì)算單位體積內(nèi)原子核數(shù)計(jì)算單位體積內(nèi)原子核數(shù)N N 2.2.22.2.2平均自由程平均自由程 (mean free path)： 如把中子在介質(zhì)中運(yùn)動時，與原子核連續(xù)兩次相互作如把中子在介質(zhì)中運(yùn)動時，與原子核連續(xù)兩次相互作用之間穿行的平均距離叫做用之間穿行的平均距離叫做平均自由程平均