核工程概論-第五章

二、閃爍計(jì)數(shù)器

盧瑟夫就是利用顯微鏡觀測(cè)ZnS的質(zhì)子閃光進(jìn)行的第一個(gè)人工核反應(yīng)的。五十年代后，隨著光電倍增管的出現(xiàn)，配合發(fā)光閃爍體形成了完整的閃爍計(jì)數(shù)器。

原理：

1.射線使晶體原子電離、激發(fā)退激時(shí)所發(fā)出的熒光。2.熒光進(jìn)入光電倍增管，在其陰極上打出光電子，經(jīng)多級(jí)放大，輸出脈沖信號(hào)，被二次儀表記錄、分析。12二、閃爍體

閃爍體分有機(jī)與無機(jī)體兩種。

1.有機(jī)閃爍體（CH化合物）。固體有：蒽、芪、萘、對(duì)聯(lián)三苯等。液體有：有機(jī)溶液加發(fā)光物質(zhì)及波長轉(zhuǎn)換劑（POPOP）。塑料：有機(jī)閃爍液聚合而成，可做得較大。如苯乙烯等。

32.無機(jī)閃爍體NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS（Ag）。前兩者可測(cè)γ射線，后者用來測(cè)量α粒子。其探測(cè)原理是：射線進(jìn)入晶體內(nèi)產(chǎn)生電子–空穴對(duì)，導(dǎo)帶上的自由電子經(jīng)雜質(zhì)帶填充空穴，放出熒光光子。4三、光電倍增管

光電倍增管是將光能轉(zhuǎn)換為電能的電子器件。其構(gòu)造的示意圖如右下：5三、半導(dǎo)體探測(cè)器：是六十年代發(fā)展起來的探測(cè)器，時(shí)間分辨和能量分辨很高的粒子探測(cè)器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，電壓低，使用方便，價(jià)廉。得到廣泛應(yīng)用。

1、原理：入射粒子在P-N結(jié)中，使價(jià)帶電子跳到導(dǎo)帶，形成電子–空穴對(duì)。在反向工作電壓的加速下分別向負(fù)、正電極漂移，在收集極形成輸出脈沖，輸出脈沖幅度為：6硅的禁帶寬鍺的禁帶寬：在射線與物質(zhì)相互作用過程中,氣體探測(cè)器的平均電離能約為30eV,而半導(dǎo)體探測(cè)器的平均電離能約為3eV.這樣,對(duì)于同樣入射能量的粒子,在半導(dǎo)體探測(cè)器中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)比氣體探測(cè)器產(chǎn)生的電子-離子對(duì)數(shù)要高一個(gè)量級(jí).它的信號(hào)幅度要大得多,所引起的幅度譜的能量分辨率要高得多,這是半導(dǎo)體探測(cè)器的突出優(yōu)點(diǎn).7

二、結(jié)構(gòu)：⒈金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器，是在N型半導(dǎo)體硅表面蒸一層金，形成P型半導(dǎo)體，因而形成了P—N結(jié)。金層約幾微米厚，適于α粒子探測(cè)。也可蒸鋁代金，更堅(jiān)固。結(jié)電容Cd與外加電壓有關(guān)，所以輸出端接電荷靈敏放大器以消除這一影響。

式中S為探測(cè)器面積，ρ為P–N結(jié)密度，V為外加反向偏壓。隨著V的增大，結(jié)電容變小，使輸出脈沖變大。8第五章核電站9核電站總體介紹核能的轉(zhuǎn)換與傳輸核能－熱能－機(jī)械能－電能10核電廠系統(tǒng)構(gòu)成核島系統(tǒng)一回路主系統(tǒng)專設(shè)安全設(shè)施核輔助系統(tǒng)三廢處理系統(tǒng)常規(guī)島系統(tǒng)汽輪機(jī)回路循環(huán)冷卻水回路電氣系統(tǒng)115.1核反應(yīng)堆原理與類型5.1.1核反應(yīng)堆原理1、中子和原子核的相互作用1）、散射反應(yīng)（彈性散射、非彈性散射）能量較高的中子經(jīng)過與原子核的多次散射反應(yīng)，其能量會(huì)逐步降低，這個(gè)過程稱為中子的慢化。

中子慢化主要通過彈性散射。2）、(n,γ)反應(yīng)，又稱輻射俘獲反應(yīng)3）、（n,f）裂變反應(yīng)122、核反應(yīng)截面和核反應(yīng)率1）、微觀反應(yīng)截面σ

表示一個(gè)入射粒子與單位面積靶上，一個(gè)核發(fā)生作用的幾率。單位是：巴(b)，1b=10-24cm213∑=-dI/Idx是一個(gè)入射粒子通過單位路徑，引起核反應(yīng)的幾率。也即：一個(gè)入射粒子與單位體積內(nèi)所有靶核發(fā)生核反應(yīng)的幾率。

單位：cm-12）、宏觀截面N為靶核密度，可用下式計(jì)算。143）、中子通量與核反應(yīng)率密度核反應(yīng)率密度：在單位時(shí)間內(nèi)(1s)單位體積(1cm3)物質(zhì)內(nèi)，發(fā)生核反應(yīng)的次數(shù)。用R來表示。中子通量（中子通量密度或中子注量率）：Φ=nvn-中子密度；v-中子飛行速度所以中子通量是單位體積內(nèi)所有中子在單位時(shí)間飛行的總路程。利用中子通量和宏觀反應(yīng)截面，則核反應(yīng)率密度為15核反應(yīng)截面取決于入射中子的能量和靶核性質(zhì)；大體分為三個(gè)區(qū)：低能區(qū)、中能區(qū)和快中子區(qū)。低能區(qū)滿足1/v定律；中能區(qū)存在共振峰；快中子區(qū)截面都很小。3、截面隨中子能量變化規(guī)律16核素233U235U238U239Puσ0f533.1582.2742.5幾種核素的熱中子截面174、中子的慢化重核對(duì)中子是透明的。而輕核可以使中子速度下降很快。常用慢化劑材料：輕水、重水、石墨、鈹?shù)?。在反?yīng)堆物理中，常用“慢化能力”和“慢化比”來衡量慢化劑。慢化能力是慢化劑的宏觀散射截面Σs與每次碰撞中子損失的能量ξ的乘積。Σs×ξ單憑慢化能力不能全面反應(yīng)慢化劑性能的好壞，還要看吸收截面Σa的大小。定義Σs×ξ/Σa為慢化比18常用慢化劑里水的慢化能力最強(qiáng)，堆芯小，但水的慢化比小，所以要用低濃縮鈾；重水和石墨的慢化比小大，所以可以采用天然鈾，但的重水和石墨慢化能力比水小得多，故堆芯尺寸較大。重水堆的堆芯體積比壓水堆大十倍左右。逃脫共振吸收中子的份額稱為逃脫共振吸收幾率，用P表示。慢化所需時(shí)間稱為慢化時(shí)間，熱中子從產(chǎn)生到被吸收經(jīng)歷的時(shí)間稱為擴(kuò)散時(shí)間，慢化時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間越長，中子越容易泄漏。19對(duì)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。5、核反應(yīng)堆臨界條件1）、有效增殖因數(shù)20實(shí)際上反應(yīng)堆的大小是有限的，也就是說中子有表面泄漏。21當(dāng)一個(gè)裂變核俘獲一個(gè)中子產(chǎn)生裂變以后，新產(chǎn)生的中子中，平均至少應(yīng)該再有一個(gè)中子去引起另外一個(gè)核的裂變。一個(gè)反應(yīng)堆能否實(shí)現(xiàn)自續(xù)的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，就取決于裂變、非裂變吸收和泄漏等過程中中子的產(chǎn)生率和消失率之間的平衡關(guān)系。2）、自續(xù)裂變反應(yīng)的條件k=1－臨界狀態(tài)k<1－次臨界狀態(tài)k>1－超臨界狀態(tài)自續(xù)裂變反應(yīng)的臨界條件：k=1－臨界狀態(tài)22臨界尺寸在堆芯幾何形狀、組成一定條件下，堆芯達(dá)到臨界的最小幾何尺寸核電廠反應(yīng)堆最初裝料，大于臨界尺寸。濃縮度越高，臨界尺寸越小。K=1情況下裝載的核燃料量叫做臨界質(zhì)量。

23核反應(yīng)的控制

核反應(yīng)堆是裂變反應(yīng)發(fā)生的地方,發(fā)生核反應(yīng)的關(guān)鍵是具有一定能量的中子。我們關(guān)注核反應(yīng)堆中的中子在兩個(gè)方面：1單位時(shí)間單位空間運(yùn)動(dòng)中子的數(shù)量——決定每時(shí)每刻核反應(yīng)的次數(shù)——反應(yīng)堆功率2中子數(shù)量的變化——決定核反應(yīng)次數(shù)的減少、持續(xù)還是增加24核反應(yīng)的控制：控制中子的數(shù)量中子增殖系數(shù)反應(yīng)性使中子數(shù)增加的過程稱為引入正反應(yīng)性使中子數(shù)減少的過程稱為引入負(fù)反應(yīng)性使反應(yīng)性變化的因素反應(yīng)堆控制方式－堆芯的溫度變化、冷卻劑的汽化（空泡）－裂變產(chǎn)物中的中子吸收物生成（碘、Xe\Sm）－投入或取出中子吸收物質(zhì)（硼、銀－銦－鎘）固體：控制棒（碳化硼、銀－銦－鎘）的插入和提升液體：冷卻劑中硼酸的濃度調(diào)節(jié)25消耗-U-235轉(zhuǎn)化-U-238→Pu-239增殖U-238→Pu-239燃耗深度：反應(yīng)堆中反應(yīng)核燃料燃燒的充分程度。堆芯中每噸鈾（U-235和

U-238）放出的能量，單位MW日/t鈾。每個(gè)鈾-235原子核的裂變會(huì)放出約200兆電子伏特的能量（相當(dāng)于3.210-11J）。這個(gè)能量看似很小，但由于每克鈾-235中含有大量的鈾-235原子，當(dāng)其全部發(fā)生裂變時(shí)可放出接近1MWd的能量（一個(gè)30萬KW電功率的核電廠，每天僅消耗約1.1Kg鈾-235）。6、核燃料的消耗、轉(zhuǎn)化與增殖26受兩方面因素影響：燃耗深時(shí)，K下降，容易導(dǎo)致次臨界。包殼元件壽命限制轉(zhuǎn)化比：在反應(yīng)堆中燃料通過轉(zhuǎn)化生成的易裂變核的生成率與消耗率之比。用CR表示。輕水堆CR=0.6，氣冷堆CR=0.8CR>1的反應(yīng)堆稱為增殖堆。CR稱作增殖比，用BR表示。275.1.2核反應(yīng)堆的類型

反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式是千姿百態(tài)的，它根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計(jì)需要等因素可建造成各種類型結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)堆。目前世界上有大小反應(yīng)堆上千座，其分類也是多種多樣。按能普分有由熱能中子和快速中子引起裂變的熱堆和快堆；按冷卻劑分有輕水堆，即普通水堆（又分為壓水堆和沸水堆）、重水堆、氣冷堆和鈉冷堆。28按用途分有：（1）研究試驗(yàn)堆：是用來研究中子特性，利用中子對(duì)物理學(xué)、生物學(xué)、輻照防護(hù)學(xué)以及材料學(xué)等方面進(jìn)行研究；（2）生產(chǎn)堆，主要是生產(chǎn)新的易裂變的材料鈾-233、钚-239；（3）動(dòng)力堆，利用核裂變所產(chǎn)生的熱能廣泛用于艦船的推進(jìn)動(dòng)力和核能發(fā)電。反應(yīng)堆分類情況見后。29核反應(yīng)堆的分類

熱堆快堆(FBR)輕水堆