第一章：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)（nuclearchainreaction）：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.反應(yīng)堆（reactor,nuclearreactor）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。或：研究、設(shè)計反應(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.反應(yīng)堆物理（reactorphysics）結(jié)合能(bindingenergy)

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。把一個系統(tǒng)分解為它的組成粒子所需的凈能量。(c)質(zhì)量虧損的能量當(dāng)量：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)中子與原子核的相互作用中子的主要性質(zhì)

質(zhì)量mn 939.5731MeV

壽命tn 896s(p+e+n)

磁矩mn -1.91304275mN

自旋s 1/2 一.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、同位素中子源：利用核素衰變放出的射線，經(jīng)或核反應(yīng)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?。?）源

特性

源 發(fā)射體 半衰期 發(fā)射率(n/a) 源強(qiáng)度(n/s)*

Ra-Be 1602y 5.02× Po-Be 138d 6.9×

Am-Be 433y 7.0× Pu-Be 87,4y 5.7× Cm-Be 162d 1.06× 源尺度：幾cm源尺度：幾cm一般

常用的a-Be源結(jié)構(gòu)典型Be(a,n)源的雙層殼結(jié)構(gòu)放射性反應(yīng)芯a發(fā)射體＋靶物質(zhì)不銹鋼雙層鋼殼防泄漏2）g－中子源

基于兩個反應(yīng)：g發(fā)射體半衰期g能量(MeV)靶 n能量(keV) 產(chǎn)額(n/s)* 15.0h2.7541 Be 967 340,000 D 263 330,000 107d1.8361 Be 152 229,000 2.7340 109 2.7340 D 253 169 40.3h2.5217 Be 760 10,200 D 147 6,600球型g中子源

發(fā)射芯(f

2.38cm)

中子發(fā)射靶殼(Be或D)(厚3.2cm)Al包裹殼235U+n→F1+F2+2n+E.3加速器中子源●利用核反應(yīng)：

7Li(p,n)7Be 3H(p,n)3He 2H(d,n)3He 3H(d,n)4He●加速器：靜電、回旋●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

2:1 ●中子能量：幾KeV~20MeV（快中子） ●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 ●源強(qiáng)量級：1mAd(150keV)，3H(d,n)4He反應(yīng)的中子產(chǎn)額 （新鮮靶）： 這在中子應(yīng)用中已經(jīng)算是高產(chǎn)額了。

回旋加速器的限制 能量：102MeV級 束流：mA級 反應(yīng) 產(chǎn)額(n/粒子) 全部中子產(chǎn)額 熱淀積(MeV/n)T(d,n) (0.2MeV) 8×10-5

1.3×108 2500W(e,n)(35MeV) 1.7×10-2

2.7×1010

20009Be(d,n)(15MeV) 1.2×10-2

1.9×1010 1200 ●英國Harwell150MeV回旋加速器中子源(9.6mA)已關(guān)閉 ●美國Nevis385MeV回旋加速器中子源(1.2mA)已關(guān)閉

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（0.1兆電子伏以上）；（ii）超熱中子（1電子伏到0.1兆電子伏）；（iii）熱中子（1電子伏以下）。中子的分類常用的中子分類 名稱 能量（eV）溫度（K） 波長（?） 速度（km/s）波矢（）

1 1.2 9.0 4.4 3 3.5 5.2 7.6 1 1.2 29 1.4 2 2.3 20 2.0 5 5.8 13 3.1 2 23 6.4 6.2 3 35 5.2 7.6 5 58 4.0 9.8

2.59

300

1.78 2.2 6 7 1.2 3.4 8 9.3 1.0 3.9 1 1.2 0.9 4.4 2 2.3 0.2 20 7 8.1 1.1 3.7 5 5.8 1.3 3.1 5 5.8 4.0 9.8 1 1.2 2.9 1.4

超冷甚冷冷熱超熱快高能慢熱中子波長為1～10?I~100meV(?-1)中子與原子核的相互作用過程有三種：勢散射、直接相互作用和復(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：1.2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，β衰變共振吸收U-238對超熱中子的強(qiáng)烈吸收逃脫共振吸收？特點(diǎn)：少數(shù)輕核才能發(fā)生，為何？結(jié)合能+庫侖勢壘（3）核裂變

鈾－235核吸收中子后并不一定發(fā)生裂變，也可能發(fā)生俘獲反應(yīng)生成鈾－236。因此反應(yīng)堆中的鈾－235有一部分并不能用來產(chǎn)生能量，裂變/吸收

2.2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。①中子被原子核吸收，形成一個復(fù)合核。②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

提取核結(jié)構(gòu)信息

a+A→A*+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

(microscopiccrosssection)I△XI'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度量，它的量綱是面積單位，平方米。

截面符號帶有下角標(biāo)s、e、in、、f、a和t者，分別表示散射、彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲、裂變、吸收和總的作用截面。2.2宏觀截面、平均自由程

2.2.1宏觀截面（∑:macroscopiccrosssection)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內(nèi)的靶原子核數(shù)的乘積：Nσ。

2物理意義：

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)的深度增加按指數(shù)規(guī)律衰減

.∑叫做宏觀截面衰減速度與核密度和微觀截面的乘積有關(guān).

一個中子與一立方米內(nèi)的原子核發(fā)生核反應(yīng)的平均幾率大小的一種度量。

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。

舉例：某種材料的宏觀吸收截面Σa＝0．25／cm，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？

0．25計算單位體積內(nèi)原子核數(shù)N2.2.2平均自由程λ(meanfreepath)：

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平均自由程λ。

顯然：平均自由程表示的是中子在介質(zhì)中運(yùn)動時，平均要走多長路程才與介質(zhì)的原子核