核反应堆物理基础第1章.ppt

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核反应堆物理基础核反应堆物理基础第一章第一章核反应堆的核物理基础核反应堆的核物理基础核反应堆：

是一种能以可控方式产生自持链式裂变反应的装置，它由核燃料、冷却剂、慢化剂、结构材料和吸收剂等材料组成。

主要核过程：

中子与核反应堆内各种元素相互作用的过程1.4中子与原子核的相互作用中子与原子核的相互作用一、中子的散射一、中子的散射一、中子的散射一、中子的散射二、中子的吸收二、中子的吸收非弹性散射非弹性散射弹性散射弹性散射辐射俘获（辐射俘获（n,）（n.）、（）、（n,p）等反应）等反应核裂变一、中子的散射一、中子的散射定义：

定义：

入射中子与靶核作用后放出中子，入射中子的能量部分或全部给了靶核。

非弹性散射动能不守恒中子散射弹性散射动能守恒1、非弹性散射、非弹性散射物理过程：

中子首先被物理过程：

中子首先被靶核吸收靶核吸收而形成而形成复合核复合核，然后，然后复合核衰变出一个能量较低的中子，入射中子把它的复合核衰变出一个能量较低的中子，入射中子把它的一部分动能转变成靶核的内能，使靶核处于一部分动能转变成靶核的内能，使靶核处于激发态激发态，靶核通过发射靶核通过发射射线射线又返回又返回基态基态。

动能不守恒的原因非弹性散射的条件：

非弹性散射的条件：

非弹性散射的条件：

非弹性散射的条件：

人射中子的动能高于靶核第一激发态的能量。

人射中子的动能高于靶核第一激发态的能量。

人射中子的动能高于靶核第一激发态的能量。

人射中子的动能高于靶核第一激发态的能量。

因此非弹性散射有阈能的特点。

因此非弹性散射有阈能的特点。

因此非弹性散射有阈能的特点。

因此非弹性散射有阈能的特点。

核第一个激发态兆电子伏（MeV）第二个激发态兆电子伏（MeV）12C4.437.6516o6.066.1423Na0.452.027AL0.841.0156Fe0.842.1238U0.0450.1452、弹性散射、弹性散射共振共振弹性散射性散射物理过程：

物理过程：

中子首先被靶核吸收而形成中子首先被靶核吸收而形成复合核，然后复合核衰变出一个能量较低的中子，靶复合核，然后复合核衰变出一个能量较低的中子，靶核回到基态。

核回到基态。

分为分为共振共振弹性散射和性散射和势散射两种。

散射两种。

势散射散射物理过程：

物理过程：

不形成复合核的散射过程。

不形成复合核的散射过程。

弹性散射的特点：

弹性散射的特点：

1、共振弹性散射只对特定能量的、共振弹性散射只对特定能量的中子才能发生。

中子才能发生。

2、势散射势散射无阈能，对所有能量都无阈能，对所有能量都能发生。

能发生。

3、散射过程中、散射过程中势散射起主要作用势散射起主要作用一、中子的吸收一、中子的吸收定义：

定义：

入射中子与靶核作用中子消失的过程。

中子吸收中子吸收辐射俘获（辐射俘获（n,）（n,）、（n,p）等反应等反应核裂变核裂变1、辐射俘获（辐射俘获（n,）物理过程：

物理过程：

中子首先被靶核吸收而形成复合核，然后中子首先被靶核吸收而形成复合核，然后复合核衰变放出复合核衰变放出射射线的的过程程。

辐射俘获是最常见的吸收反应，它的一般反应式为辐射俘获是最常见的吸收反应，它的一般反应式为辐射俘获反应可以在所有的中子能区内发生，但低能中子与中等质量核、重核作用时更易于发生这种反应。

1、辐射俘获（辐射俘获（n,）堆内重要的俘获反应有：

堆内重要的俘获反应有：

23分2.3天22分27天辐射俘获反应产生放射性：

辐射俘获反应产生放射性：

（1）在用轻水作慢化剂、冷却剂、反射层或屏蔽材料时，就要考虑中子与氢核的辐射俘获反应

（2）还有空气中的氩-40在辐射浮获反应后，生成半衰期为1.82小时氩-41等1、（n,）、（）、（n,p）等反应）等反应（n,）反应的一般式为）反应的一般式为在低能区，硼在低能区，硼-10反应截面很大反应截面很大,被广泛用作反应堆控被广泛用作反应堆控制材料和热中子探测器。

制材料和热中子探测器。

例如，热中子与硼-10发生的（n,）反应为物理过程：

物理过程：

中子被靶核吸收而形成复合核，然后复合中子被靶核吸收而形成复合核，然后复合核衰变放出核衰变放出和P等粒子的的过程程。

1、（n,）、（）、（n,p）等反应）等反应（n,p）反应的一般反应式为氮氮-16的半衰期为的半衰期为7.3秒，它放出秒，它放出和和射线，这射线，这一反应是水中放射性的主要来源。

一反应是水中放射性的主要来源。

反应堆内重要的（n,p）反应有3、核裂变核裂变物理过程：

物理过程：

一个较重的原子核自发地或在外来粒子作一个较重的原子核自发地或在外来粒子作用下分裂为大小相当的两块或稍多于两块的过程。

前用下分裂为大小相当的两块或稍多于两块的过程。

前者称为自发裂变者称为自发裂变,后者称为诱发裂变。

自发裂变属于后者称为诱发裂变。

自发裂变属于核衰变的一种，核衰变的一种，铀和超铀元素具有自发裂变现象，铀和超铀元素具有自发裂变现象，252Cf为一重要自发裂变中子源；诱发裂变属于核反为一重要自发裂变中子源；诱发裂变属于核反应的一种，用符号应的一种，用符号A（a,f）表示，中子诱发裂变为最重表示，中子诱发裂变为最重要的一种诱发裂变。

裂变过程除了放出要的一种诱发裂变。

裂变过程除了放出2-3个中子外，个中子外，还释放出约还释放出约210MeV的能量。

的能量。

一些核，如铀一些核，如铀-233、铀、铀-235、钚、钚-239和钚和钚-241等在各种能量中子作用下都能发生诱发裂变，而且在等在各种能量中子作用下都能发生诱发裂变，而且在低能中子作用下更容易发生裂变，称这些核为易裂变低能中子作用下更容易发生裂变，称这些核为易裂变核，在自然界中唯一存在的易裂变核只有铀核，在自然界中唯一存在的易裂变核只有铀-235；核；核素钍素钍-232、铀、铀-238和钚和钚-240等只有在能量高于某一阀等只有在能量高于某一阀值能量的中子作用下才能发生裂变，通常把它们称为值能量的中子作用下才能发生裂变，通常把它们称为可裂变核。

可裂变核。

铀铀-235裂变一般表示为：

裂变一般表示为：

为中等质量数的核，叫做裂变碎片，为每次裂变放出的中子数。

1.5中子截面和核反应率中子截面和核反应率二、宏观截面与平均自由程二、宏观截面与平均自由程二、宏观截面与平均自由程二、宏观截面与平均自由程三、核反应率，中子通量密度和平均截面三、核反应率，中子通量密度和平均截面四、截面随中子能量的变化四、截面随中子能量的变化五、评价核数据库五、评价核数据库一、微观截面一、微观截面一、微观截面一、微观截面单位面积上的入射中子数neutrons/cm2；：

穿过薄靶后中子强度的改变量；：

单位面积的靶核数一、微观截面一、微观截面一、微观截面一、微观截面二、宏观截面与平均自由程二、宏观截面与平均自由程11、宏观截面、宏观截面定义定义:

单位体积内的原子核数N和微观截面的乘积。

宏宏观观截截面面表表示示一一个个中中子子与与单单位位体体积积内内所所有有原原子子核核发发生生某某种种核核反反应应的的几几率率；也也表表示示一一个个中中子子在在介介质质中中穿穿行行单单位位距距离离与与核核发发生生某某种种核核反反应应的的几几率率。

其单位是米其单位是米-1-1或厘米或厘米-1-1。

根据微观截面的不同，它可以是散射宏观截面或吸收宏观截面。

单位体积的原子核数N的计算NNAA为阿伏加德罗常数为阿伏加德罗常数:

为材料的为材料的质量密度；质量密度；AA为该核素的原子量。

为该核素的原子量。

由几种核素组成的均匀物质，宏由几种核素组成的均匀物质，宏观截面为各核素的宏观截面之和观截面为各核素的宏观截面之和对化合物，对化合物，NNii这样计算这样计算NNAA为阿伏加德罗常数为阿伏加德罗常数:

为化合物为化合物的质量密度；的质量密度；MM为分子量。

为分子量。

求能量为求能量为0.253eV0.253eV的中子在水中的宏的中子在水中的宏观吸收截面。

氢核和氧核的微观吸收观吸收截面。

氢核和氧核的微观吸收微面分别为微面分别为0.3320.332靶和靶和0.00020.0002靶。

靶。

例题：

水的分子量解：

解：

单位体积内水分子的个数单位体积内H和O的个数水的宏观吸收截面2、平均自由程中子在介质中运动时，与原子核连续两次相互作用之间穿行的平均距离叫做平均自由程，用表示相应的有散射平均自由程吸收平均自由程上面例题，中子在水中的平均自由程由于有可以证明：

三、核反应率、中子通量密度和平均截面三、核反应率、中子通量密度和平均截面1、核反应率（核反应率（R）定义定义:

单位时间内中子与单位体积内的原子核发生反应的总次数（统计平均值）n为单位体积内的中子数，也称中子密度；v为中子速率，为宏观截面。

核核核核反反反反应应应应率率率率是是是是反反反反应应应应堆堆堆堆物物物物理理理理分分分分析析析析中中中中常常常常用用用用到到到到一一一一个个个个重要的物理量重要的物理量重要的物理量重要的物理量（次/米3秒）可以有不同核反应率可以有不同核反应率吸收核反应率核反应率对多核素物质，核反应率为对多核素物质，核反应率为裂变核反应率核反应率2、中子通量密度、中子通量密度（中子注量率中子注量率）定义定义:

=nv在反应堆内，某点的中子通量密度等于该点的中子密度与该点中子速率的乘积，它表示单位体积内所有的中子在一秒钟内穿行距离的总和。

中子通量密度是核反应堆物理中一个重要的参数，它的大小反映出堆芯内核反应率的大小，因此也反映出堆的功率水平。

在热中子动力堆内，热中子通量密度的量级一般约为1013至1014中子/厘米2秒。

（中子（中子/厘米厘米22.秒）秒）采用中子通量密度，核反应率可以写成R=2、平均截面、平均截面考考虑虑到到截截面面是是中中子子速速度度的的函数，因此核反应率函数，因此核反应率RR应为应为为了计算方便，将上式积分号下的宏观截面用平均宏观截面代替，于是有得平均宏观截面总的中子通量密度四、截面随中子能量的变化四、截面随中子能量的变化考考考考察察察察截截截截面面面面随随随随能能能能量量量量的的的的变变变变化化化化关关关关系系系系,对对对对于于于于提提提提高高高高核核核核反反反反应应应应率率率率具具具具有有有有重重重重要要要要意意意意义义义义。

根根根根据据据据变变变变化化化化特特特特性性性性，可可可可以以以以划分三个中子能区。

划分三个中子能区。

划分三个中子能区。

划分三个中子能区。

低低低低能能能能区区区区或或或或热热热热能能能能区区区区（E1eV）（E1eV）（E1eV）（E1eV）；中中中中能能能能区区区区（1eVE101eVE101eVE101eVE104444eV）eV）eV）eV），许许许许多多多多重重重重核核核核在在在在该该该该区区区区截截截截面面面面出出出出现现现现共共共共振振振振峰峰峰峰，也称该区为共振区。

大于也称该区为共振区。

大于也称该区为共振区。

大于也称该区为共振区。

大于10keV10keV10keV10keV为快中子区，截面平滑变化，且较小（常长小于为快中子区，截面平滑变化，且较小（常长小于为快中子区，截面平滑变化，且较小（常长小于为快中子区，截面平滑变化，且较小（常长小于10b）10b）10b）10b）。

1、微观吸收截面在低能区在低能区En1eVEn1eV即即那么那么上标上标ii表第表第ii种核素种核素即只要知道即只要知道0.0253eV0.0253eV的截面（可查表，见附录），可的截面（可查表，见附录），可得其它能量的截面。

得其它能量的截面。

有有对多数轻核，在中子能量从热对多数轻核，在中子能量从热对多数轻核，在中子能量从热对多数轻核，在中子能量从热能能能能一直到几千电子伏一直到几千电子伏一直到几千电子伏一直到几千电子伏甚至兆电子伏的区间内，其吸收截面都近似地按甚至兆电子伏的区间内，其吸收截面都近似地按甚至兆电子伏的区间内，其吸收截面都近似地按甚至兆电子伏的区间内，其吸收截面都近似地按1/V1/V律变化律变化律变化律变化对于重核和中等质量核，其吸收截面会偏离对于重核和中等质量核，其吸收截面会偏离对于重核和中等质量核，其吸收截面会偏离对于重核和中等质量核，其吸收截面会偏离1/V