第一章：核反应堆物理分析讲解

核反应堆物理分析专业:核工程与核技术目录第一章：核反应堆的核物理基础第二章：单速中子扩散理论第三章：中子慢化与慢化能谱第四章：均匀反应堆的临界理论第六章：反应性随时间的变化第七章：温度效应与反应性控制第八章：核反应堆动力学第一章: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。链式核反应（nuclearchainreaction）：核反应产物之一能引起同类的反应，从而使该反应能链式地进行的核反应。根据一次反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式反应可分为次临界的、临界的或超临界的三种。1.反应堆（reactor,nuclearreactor）0基本概念研究反应堆内中子行为的科学。有时称neutronics。或：研究、设计反应堆使得裂变反应所产生的中子与俘获反应及泄露所损失的中子相平衡。2.反应堆物理（reactorphysics）结合能(bindingenergy)(a)把一个粒子从一个系统中取出所需的净能量，有时称分离能。(b)把一个系统分解为它的组成粒子所需的净能量。(c)质量亏损的能量当量：3.原子核的特性核结合能除以质量数称为比结合能。核结合能和比结合能是原子核稳定程度的量度，比结合能越大，核越稳定。核的实际质量总是小于它所包含的核子的质量之和。第一节中子与原子核的相互作用中子的主要性质质量mn939.5731MeV寿命tn896s(p+e+n)磁矩mn-1.91304275mN自旋s1/2一.中子的产生分为三大类：同位素中子源，反应堆中子源，加速器中子源。1、同位素中子源：利用核素衰变放出的射线，经或核反应产生中子。优点是体积小，方便。缺点是强度低，能谱复杂。而且，必须注意其活度随时间指数减小：(,n)(,n)tIIe01）源(,n)特性源发射体半衰期发射率(n/)源强度(n/s)*Ra-Be1602y5.02×Po-Be138d6.9×Am-Be433y7.0×Pu-Be87,4y5.7×Cm-Be162d1.06×Ra226Po210Cm244Am241Pu239410510510510410610810源尺度：几cm源尺度：几cm一般8510~10Bq10*10常用的-Be源结构典型Be(,n)源的双层壳结构放射性反应芯发射体＋靶物质不锈钢双层钢壳防泄漏2）－中子源基于两个反应：发射体半衰期能量(MeV)靶n能量(keV)产额(n/s)*15.0h2.7541Be967340,000D263330,000107d1.8361Be152229,0002.73401092.7340D25316940.3h2.5217Be76010,200D1476,600Na24Y88La140MeV)1.666(nBeBehMeV)2.226(nHHh8912结合能结合能nn球型中子源发射芯(f2.38cm)中子发射靶壳(Be或D)(厚3.2cm)Al包裹壳235U+n→F1+F2+2n+E.3加速器中子源●利用核反应：7Li(p,n)7Be3H(p,n)3He2H(d,n)3He3H(d,n)4He●加速器：静电、回旋●靶：氘、氚气体靶，或固体靶Cu,Mo,Ta等，水冷或气冷Ti膜，0.1-0.4mg/cm2吸附气态氘或氚氚/钛原子比：1.7:1甚至2:1●中子能量：几KeV~20MeV（快中子）●随着吸附的氘、氚的消耗，中子产额下降，中子产额随时间而变●源强量级：1mAd(150keV)，3H(d,n)4He反应的中子产额（新鲜靶）：这在中子应用中已经算是高产额了。n/s105.111回旋加速器的限制能量：102MeV级束流：mA级反应产额(n/粒子)全部中子产额热淀积(MeV/n)T(d,n)(0.2MeV)8×10-51.3×1082500W(e,n)(35MeV)1.7×10-22.7×101020009Be(d,n)(15MeV)1.2×10-21.9×10101200●英国Harwell150MeV回旋加速器中子源(9.6mA)已关闭●美国Nevis385MeV回旋加速器中子源(1.2mA)已关闭p/s101.6μA112中子的能量不同，它与原子核相互作用的方式、几率也就不同。在反应堆物理分析中通常按中子能量把它们分为：（i）快中子（0.1兆电子伏以上）；（ii）超热中子（1电子伏到0.1兆电子伏）；（iii）热中子（1电子伏以下）。中子的分类常用的中子分类名称能量（eV）温度（K）波长（Å）速度（km/s）波矢（）11.29.04.433.55.27.611.2291.422.3202.055.8133.12236.46.23355.27.65584.09.82.593001.782.2671.23.489.31.03.911.20.94.422.30.22078.11.13.755.81.33.155.84.09.811.22.91.471071041041041031021021031011021041071081031031021021031041061081011101210210210210210310310510510310310110110110110110110210310410510超冷甚冷冷热超热快高能慢热中子波长为1～10ÅI~100meV4102.24108.33109.63108.92106.12101.32108.32109.411.017.020.022.098.0182106.13109.43109.6(Å-1)中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、直接相互作用和复合核的形成。在反应堆内，中子与原子核的相互作用可分为两大类：1.2中子与原子核相互作用的机理2.1中子的吸收通常不稳定，β衰变共振吸收U-238对超热中子的强烈吸收逃脱共振吸收？特点：少数轻核才能发生，为何？结合能+库仑势垒（3）核裂变铀－235核吸收中子后并不一定发生裂变，也可能发生俘获反应生成铀－236。因此反应堆中的铀－235有一部分并不能用来产生能量，裂变/吸收2.2中子的散射中子与原子核发生散射反应时，中子改变了飞行方向和飞行速度。能量比较高的中子经过与原子核的多次散射反应，其能量会逐步减少，这种过程称为中子的慢化。散射反应有两种不同的机制。一种称为弹性散射。在弹性散射前后，中子——原子核体系的能量和动量都是守恒的。任何能量的中子都可以与原子核发生弹性散射。另一种称为非弹性散射。中子与原子核发生非弹性散射，实际上包括两个过程。①中子被原子核吸收，形成一个复合核。②但这个复合核处于不稳定激发态,很快它就会又放出一个中子，并且放出射线，回到稳定的基态。非弹性散射提取核结构信息a+A→A*+a靶核：基态→激发态入射粒子→填满的能级价核子→↙受激核子核势阱复合核及预平衡非弹弹性散射第2节中子截面和核反应率2.1微观截面(microscopiccrosssection)I△XI'图1-2-1平行中子束穿过薄靶后的衰减探测器微观截面是表示平均一个入射中子与一个靶核发生相互作用的几率大小的一种度量，它的量纲是面积单位，平方米。截面符号带有下角标s、e、in、、f、a和t者，分别表示散射、弹性散射、非弹性散射、辐射俘获、裂变、吸收和总的作用截面。2.2宏观截面、平均自由程2.2.1宏观截面（∑:macroscopiccrosssection)1定义：一个中子与一立方米内的原子核发生核反应的平均几率大小。朴素的理解：一个中子的微观截面与单位体积内的靶原子核数的乘积：Nσ。2物理意义：未与靶核发生作用的平行中子束强度随进入靶内的深度增加按指数规律衰减.sN∑叫做宏观截面衰减速度与核密度和微观截面的乘积有关.一个中子与一立方米内的原子核发生核反应的平均几率大小的一种度量。dxIdINs它也是一个中子穿行单位距离与核发生相互作用的几率大小的一种度量。举例：某种材料的宏观吸收截面Σa＝0．25／cm，那么中子在其中穿过1cm，被该材料的原子核吸收的机会就是？0．25计算单位体积内原子核数N2.2.2平均自由程λ(meanfreepath)：如把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λ。显然：平均自由程表示的是中子在介质中运动时，平均要走多长路程才与介质的原子核发生一次相互作用。举例：某材料的Σa＝0．25／cm，中子在该材料中穿行1cm，被该材料的核吸收掉的机会是0．25，那么平均要在该介质中穿过多长距离才会发生一次吸收反应？中子在该材料中的平均吸收自由程λa＝1／Σa＝4cm。2.3核反应率、中子通量密度和平均截面2.3.1核反应率②物理意义2.3.2中子通量密度标准定义