核反應(yīng)堆的核物理第1章基礎(chǔ)

1、第1章 核反應(yīng)堆的核物理基礎(chǔ) 1.1 中子與原子核的相互作用中子性質(zhì) 中子質(zhì)量：原子核的核子之一，靜止質(zhì)量在工程計算中近似取1u。中子的電荷：中子不帶電，在靠近原子核時不受核內(nèi)正電的排斥。中子的波粒二象性：除非對于能量非常低的中子，一般在反應(yīng)堆中討論中子的運(yùn)動和原子核的相互作用時，都把中子作為一個粒子來描述。中子按能量分類：在反應(yīng)堆物理中，通常按能量大小把中子分成3類：快中子；中能中子；熱中子。三種相互作用方式 勢散射直接相互作用：入射中子直接與靶核內(nèi)的某個核子碰撞，使其從核里發(fā)射出來，而中子卻留在了靶核內(nèi)的核反應(yīng)。 復(fù)合核的形成：中子與原子核相互作用機(jī)理中子的散射散射是使中于慢化(即使中子的

2、動能減小)的主要核反應(yīng)過程。非彈性散射：中子首先被靶核吸收而形成處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，然后靶核通過放出中子并發(fā)射射線而返回基態(tài)。彈性散射：分為共振彈性散射和勢散射。在熱中子反應(yīng)堆中，對中子從高能慢化到低能的過程起主要作用的是彈性散射。輻射俘獲（n，）一般形式：反應(yīng)堆內(nèi)典型反應(yīng)：特點：輻射俘獲會產(chǎn)生放射性核，因此會給反應(yīng)堆設(shè)備維護(hù)、三廢處理及人員防護(hù)等帶來不少問題。中子的吸收（n,p）（n,）等反應(yīng)（n,p）反應(yīng)一般形式：反應(yīng)堆內(nèi)典型反應(yīng)：（n,）反應(yīng)一般形式：核裂變235U裂變的一般形式：概念描述：易裂變同位素：在各種能量的中子作用下均能發(fā)生裂變，但在低能中于作用下發(fā)生裂變的可能性較大，通常把它

3、們稱為易裂變同位素；可裂變同位素：只有在能量高于某一閾值的中子作用下才發(fā)生裂變，通常把它們稱為可裂變同位素。公式表示：單位：具有面積的量綱。 單位用“靶恩”，記為barn或b。(圖)1.2 中子截面和核反應(yīng)率描述：一個粒子入射到單位面積內(nèi)只含一個靶核的靶子上所發(fā)生的反應(yīng)概率，或表示一個入射粒子同單位面積靶上一個靶核發(fā)生反應(yīng)的概率。 微觀截面描述：表征一個中子與單位體積內(nèi)原子核發(fā)生核反應(yīng)的平均概率大小的一種度量。也是一個中子穿行單位距離與核發(fā)生相互作用的概率大小的一種度量。公式表示：計算方法：宏觀截面1. 水的密度為103kgm3，對能量為0.0253eV的中子，氫核和氧核的微觀吸收截面分別為0

4、.332b和2.710-4b，計算水的宏觀吸收截面。2. UO2的密度為10.42103kgm3，235U的富集度=3(重量百分比)。已知在0.0253eV時， 235U的微觀吸收截面為680.9b，238U為2.7b，氧為2.710-4b。確定UO2的宏觀吸收截面。例題：描述：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作平均自由程。表示：對于中子與靶核不同類型的相互作用可定義不同類型的平均自由程，如定義散射平均自由程，吸收平均自由程等等。平均自由程描述：每秒每單位體積內(nèi)的中子與介質(zhì)原子核發(fā)生作用的總次數(shù)(統(tǒng)計平均值)。表示： 對于由多種元素組成的均勻混合的物質(zhì)，反應(yīng)率應(yīng)

5、為中子與各種元素核相互作用的反應(yīng)率之和，即核反應(yīng)率中子通量描述：某點處中子密度與相應(yīng)的中子速度的乘積，表示單位體積內(nèi)所有中子在單位時間內(nèi)穿行距離的總和。表示：由于各個中子具有不同的運(yùn)動方向，因而它和中子的流動并沒有直接的關(guān)系，它是標(biāo)量而不是矢量，所以引入中子通量密度。中子通量密度在實際的反應(yīng)堆內(nèi)中子并不具有同一速度或能量而是分布在一個很寬的能量范圍內(nèi)。中子數(shù)關(guān)于能量的分布稱為中子能譜分布。平均截面又稱為等效截面。要計算平均截面或反應(yīng)率，必須首先知道中子通量密度按能量的分布平均截面截面隨中子能量的變化考察元素反應(yīng)截面隨入射中子能量E變化的特性，可以發(fā)現(xiàn)大體上存在著三個區(qū)域：低能區(qū)（E1eV）：在

6、該區(qū)吸收截面隨中子能量的減小而逐漸增大，即與中子的速度成反比，該區(qū)域也叫做1/v區(qū)；中能區(qū)（ 1eVE103 eV）：在這個區(qū)域，相當(dāng)一部分重元素核的截面出現(xiàn)了許多共振蜂，因此該區(qū)也稱為共振區(qū)；快中子區(qū)：該區(qū)的截面通常很小。在大多數(shù)情況下小于10b，而且截面隨能量的變化比較平滑。微觀吸收截面非彈性散射截面：非彈性散射有閾能特點，且這閾能的大小與核的質(zhì)量數(shù)有關(guān)，質(zhì)量數(shù)愈大的核，其閾能愈小。當(dāng)中子能量小于閾能時，in為零；而當(dāng)中子能量大于閾能時， in隨著中子能量的增加而增大。彈性散射截面：多數(shù)元素與較低能量中子的散射都是彈性的。s基本上為常數(shù)，截面值一般為幾b。對于輕核、中等核，中子能量從低能一

7、直到MeV左右范圍， s 都近似為常數(shù)。對于重核在共振能區(qū)將出現(xiàn)共振彈性散射。微觀散射截面微觀裂變截面1.3 共振吸收共振分類：可分辨共振，不可分辨共振。共振參數(shù)描述：共振能，峰值截面，能級寬度。單能級布賴特維格納公式：共振截面單能級布賴特維格納公式描述：由于靶核的熱運(yùn)動隨溫度的增加而增加，所以這時共振峰的寬度將隨著溫度的上升而增加，同時峰值也逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)或多普勒展寬。多普勒效應(yīng)裂變能量的釋放，反應(yīng)堆功率和中子通量密度1.4 核裂變過程裂變能量的釋放能量形式能量，MeV裂變碎片的動能168裂變中子的動能5瞬發(fā)能量7裂變產(chǎn)物衰變-緩發(fā)能量7裂變產(chǎn)物衰變-緩發(fā)能量8中微子能量1

8、2總共207235U裂變釋放的能量核反應(yīng)堆的功率與中子通量密度的關(guān)系堆內(nèi)任一點處單位體積內(nèi)的功率反應(yīng)堆功率例題：一核電站壓水堆的熱功率為2800MW，電站年負(fù)荷因子為0.85，試估算該電站1年(365天)所消耗的235U質(zhì)量。裂變產(chǎn)物幾乎在所有的情況下，裂變碎片都具有過大的中子質(zhì)子比。它們通常要經(jīng)過一系列衰變，將過剩中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子才成為穩(wěn)定核。毒物：裂變產(chǎn)物中中子吸收截面較大的叫做毒物。典型的有135Xe和149Sm裂變產(chǎn)物與裂變中子的發(fā)射裂變中子裂變中子數(shù)經(jīng)驗公式：瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子：裂變中，99以上的中子是在裂變的瞬間(約10-14s)發(fā)射出來的，把這些中子叫瞬發(fā)中子；裂變中子中，還有小于

9、1的中子是在裂變碎片衰變過程中發(fā)射出來的，把這些中子叫緩發(fā)中子。裂變中子能譜裂變中子平均能量1.5 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)定義：如果每次裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)目大于引起核裂變所消耗的中子數(shù)目，那么一旦在少數(shù)的原子核中引起了裂變反應(yīng)之后，就有可能不再依靠外界的作用而使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去。這樣的裂變反應(yīng)稱作自持的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。自續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)和臨界條件熱中子反應(yīng)堆內(nèi)中子循環(huán)一代N個裂變中子N個快中子NPF個快中子NPFp個熱中子NPFpPT個熱中子NPFpPTf個被燃料核吸收的熱中子（包括非裂變吸收）新一代NPFpPTf個裂變中子在238U內(nèi)的快裂變快中子泄漏N(1-PF)共振吸收NPF(1-p)熱中子泄

10、漏NPFp(1-PT)結(jié)構(gòu)材料等的非裂變吸收NPFpPT(1-f)裂變參量快中子增殖因數(shù)：由一個初始裂變中子所得到的、慢化到238U裂變閾能以下的平均中子數(shù)。逃脫共振俘獲概率：在慢化過程中逃脫共振俘獲的中子份額就稱作逃脫共振俘獲概率。熱中子利用系數(shù)：被燃料吸收的熱中子數(shù)占被芯部中所有物質(zhì)(包括燃料在內(nèi))吸收的熱中子總數(shù)的份額。有效裂變中子數(shù)：核燃料每吸收一個熱中子所產(chǎn)生的平均裂變中子數(shù)。不泄漏幾率：中子在慢化過程和熱中子在擴(kuò)散過程中不泄漏概率的乘積。有效增殖因數(shù)：對給定系統(tǒng)，新生一代的中子數(shù)和產(chǎn)生它的直屬上一代中子數(shù)之比。實際上從中子的平衡關(guān)系來定義系統(tǒng)的有效增殖因數(shù)當(dāng)有效增殖因數(shù)等于時，中子的產(chǎn)生率恰好等于消失率，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，這種系統(tǒng)叫做臨界系統(tǒng)。有效增殖系數(shù)與系統(tǒng)的材料成分和結(jié)構(gòu)有關(guān) 四因子公式上面熱中子反應(yīng)堆內(nèi)中子平衡的分析方法稱為“四因子模型”。這個模型將堆內(nèi)中子平衡的關(guān)系通過四個因子，對熱中子反應(yīng)堆內(nèi)中子的循環(huán)過程給出了清晰的物理概念