哈工程核反應(yīng)堆的核物理第1章核反應(yīng)堆的核物理基礎(chǔ)

第1章核反響堆的核物理

根底

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(jì)算中近似取1u。中子的電荷：中子不帶電，在接近原子核時(shí)不受核內(nèi)正電的排斥。中子的波粒二象性：除非對(duì)于能量非常低的中子，普通在反響堆中討論中子的運(yùn)動(dòng)和原子核的相互作用時(shí)，都把中子作為一個(gè)粒子來(lái)描畫。中子按能量分類：在反響堆物理中，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(shì)散射直接相互作用：入射中子直接與靶核內(nèi)的某個(gè)核子碰撞，使其從核里發(fā)射出來(lái)，而中子卻留在了靶核內(nèi)的核反響。復(fù)合核的構(gòu)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(即使中子的動(dòng)能減小)的主要核反響過(guò)程。非彈性散射：中子首先被靶核吸收而構(gòu)成處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，然后靶核經(jīng)過(guò)放出中子并發(fā)射γ射線而前往基態(tài)。彈性散射：分為共振彈性散射和勢(shì)散射。在熱中子反響堆中，對(duì)中子從高能慢化到低能的過(guò)程起主要作用的是彈性散射。輻射俘獲〔n，γ〕普通方式：反響堆內(nèi)典型反響：特點(diǎn)：輻射俘獲會(huì)產(chǎn)生放射性核，因此會(huì)給反響堆設(shè)備維護(hù)、三廢處置及人員防護(hù)等帶來(lái)不少問(wèn)題。中子的吸收〔n,p〕〔n,α〕等反響〔n,p〕反響普通方式：反響堆內(nèi)典型反響：〔n,α〕反響普通方式：核裂變235U裂變的普通方式：概念描畫：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)生裂變的能夠性較大，通常把它們稱為易裂變同位素；可裂變同位素：只需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：?jiǎn)挝唬害揖哂忻娣e的量綱。單位用“靶恩〞，記為barn或b。(圖)1.2中子截面和核反響率描畫：一個(gè)粒子入射到單位面積內(nèi)只含一個(gè)靶核的靶子上所發(fā)生的反響概率，或表示一個(gè)入射粒子同單位面積靶上一個(gè)靶核發(fā)生反響的概率。微觀截面描畫：表征一個(gè)中子與單位體積內(nèi)原子核發(fā)生核反響的平均概率大小的一種度量。也是一個(gè)中子穿行單位間隔與核發(fā)生相互作用的概率大小的一種度量。公式表示：計(jì)算方法：宏觀截面1.水的密度為103kg／m3，對(duì)能量為0.0253eV的中子，氫核和氧核的微觀吸收截面分別為0.332b和2.7×10-4b，計(jì)算水的宏觀吸收截面。2.UO2的密度為10.42×103kg／m3，235U的富集度ε=3％(分量百分比)。知在0.0253eV時(shí)，235U的微觀吸收截面為680.9b，238U為2.7b，氧為2.7×10-4b。確定UO2的宏觀吸收截面。例題：描畫：中子在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，與原子核延續(xù)兩次相互作用之間穿行的平均間隔叫作平均自在程。表示：對(duì)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在程，如定義散射平均自在程，吸收平均自在程等等。平均自在程描畫：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(jì)平均值)。表示：對(duì)于由多種元素組成的均勻混合的物質(zhì)，反響率應(yīng)為中子與各種元素核相互作用的反響率之和，即核反響率中子通量描畫：某點(diǎn)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)一切中子在單位時(shí)間內(nèi)穿行間隔的總和。表示：由于各個(gè)中子具有不同的運(yùn)動(dòng)方向，因此它和中子的流動(dòng)并沒(méi)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(shí)踐的反響堆內(nèi)中子并不具有同一速度或能量而是分布在一個(gè)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(jì)算平均截面或反響率，必需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調(diào)查元素反響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(gè)區(qū)域：低能區(qū)〔E≤1eV〕：在該區(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)〔1eV<E≤103eV〕：在這個(gè)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(diǎn)，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(shí)，σin為零；而當(dāng)中子能量大于閾能時(shí)，σin隨著中子能量的添加而增大。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。σs根本上為常數(shù)，截面值普通為幾b。對(duì)于輕核、中等核，中子能量從低能不斷到MeV左右范圍，σs都近似為常數(shù)。對(duì)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)描畫：共振能，峰值截面，能級(jí)寬度。單能級(jí)布賴特—維格納公式：共振截面——單能級(jí)布賴特—維格納公式描畫：由于靶核的熱運(yùn)動(dòng)隨溫度的添加而添加，所以這時(shí)共振峰的寬度將隨著溫度的上升而添加，同時(shí)峰值也逐漸減小，這種景象稱為多普勒效應(yīng)或多普勒展寬。多普勒效應(yīng)裂變能量的釋放，反響堆功率和中子通量密度1.4核裂變過(guò)程裂變能量的釋放能量形式能量，MeV裂變碎片的動(dòng)能168裂變中子的動(dòng)能5瞬發(fā)γ能量7裂變產(chǎn)物γ衰變-緩發(fā)γ能量7裂變產(chǎn)物β衰變-緩發(fā)β能量8中微子能量12總共207235U裂變釋放的能量核反響堆的功率與中子通量密度的關(guān)系堆內(nèi)任一點(diǎn)處單位體積內(nèi)的功率反響堆功率例題：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)所耗費(fèi)的235U質(zhì)量。裂變產(chǎn)物幾乎在一切的情況下，裂變碎片都具有過(guò)大的中子—質(zhì)子比。它們通常要經(jīng)過(guò)一系列β衰變，將過(guò)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Xe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)閱歷公式：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(lái)的，把這些中子叫瞬發(fā)中子；裂變中子中，還有小于1％的中子是在裂變碎片衰變過(guò)程中發(fā)射出來(lái)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)搅炎兎错懚x：假設(shè)每次裂變反響產(chǎn)生的中子數(shù)目大于引起核裂變所耗費(fèi)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響之后，就有能夠不再依托外界的作用而使裂變反響不斷地進(jìn)展下去。這樣的裂變反響稱作自持的鏈?zhǔn)搅炎兎错?。自續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎错懞团R界條件熱中子反響堆內(nèi)中子循環(huán)一代N個(gè)裂變中子Nε個(gè)快中子NεPF個(gè)快中子NεPFp個(gè)熱中子NεPFpPT個(gè)熱中子NεPFpPTf個(gè)被燃料核吸收的熱中子〔包括非裂變吸收〕新一代NεPFpPTfη個(gè)裂變中子在238U內(nèi)的快裂變快中子走漏Nε(1-PF)共振吸收NεPF(1-p)熱中子走漏NεPFp(1-PT)構(gòu)造資料等的非裂變吸收NεPFpPT(1-f)裂變參量快中子增殖因數(shù)：由一個(gè)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(guò)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)占被芯部中一切物質(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(gè)熱中子所產(chǎn)生的平均裂變中子數(shù)。不走漏幾率：中子在慢化過(guò)程和熱中子在分散過(guò)程中不走漏概率的乘積。有效增殖因數(shù)：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。實(shí)踐上從中子的平衡關(guān)系來(lái)定義系統(tǒng)的有效增殖因數(shù)當(dāng)有效增殖因數(shù)等于１時(shí)，中子的產(chǎn)生率恰好等于消逝率，系統(tǒng)處于臨界形狀，這種系統(tǒng)叫做臨界系統(tǒng)。有效增殖系數(shù)與系統(tǒng)的資料成分和構(gòu)造有關(guān)

四因子公式上面熱中子反響堆內(nèi)中子平衡的分析方法稱為“四因子模型〞。這個(gè)模型將堆內(nèi)中子平衡的關(guān)系經(jīng)過(guò)四個(gè)因子，對(duì)熱中子反響堆內(nèi)中子的循環(huán)過(guò)