核反应堆物理-复习重点--答案

第一章核反应堆的核物理基础（6学时）1.什么是核能？包括哪两种类型？核能的优点和缺点是什么？核能：原子核结构发生变化时释放出的能量，主要包括裂变能和聚变能。优点：1）污染小：2）需要燃料少；3）重量轻、体积小、不需要空气，装一炉料可运行很长时间。缺点：1）次锕系核素具有几百万年的半衰期，且具有毒性，需要妥善保存；2）裂变产物带有强的放射性，但在300年之内可以衰变到和天然易裂变核素处于同一放射性水平上；3）需要考虑排除剩余发热。2.核反应堆的定义。核反应堆可按哪些进行分类，可划分为哪些类型？属于哪种类型的核反应堆？核反应堆：一种能以可控方式产生自持链式裂变反应的装置。核反应堆分类：分类的着眼点名称和特征A．用途A1动力堆：发电，供热，作为推进动力A2生产堆：生产钚－239或氚A3研究试验堆A4特殊用途堆3.原子核基本性质。核素：具有确定质子数Z和核子数A的原子核。同位素：质子数Z相同而中子数N不同的核素。同量素：质量数A相同，而质子数Z和中子数N各不相同的核素。同中子数：只有中子数N相同的核素。原子核能级：最低能量状态叫做基态，比基态高的能量状态称激发态。激发态是不稳定的，会自发跃迁到基态，并以放出射线的形式释放出多余的能量。核力的基本特点：1）核力的短程性2）核力的饱和性3）核力与电荷无关4.原子核的衰变。包括：放射性同位素、核衰变、衰变常数、半衰期、平均寿命的定义；理解衰变常数的物理意义；核衰变的主要类型、反应式、衰变过程，穿透能力和电离能力。放射性同位素：不稳定的同位素，会自发进行衰变，称为放射性同位素。核衰变：有些元素的原子核是不稳定的，它能自发而有规律地改变其结构转变为另一种原子核，这种现象称为核衰变，也称放射性衰变。衰变常数：它是单位时间内衰变几率的一种量度；物理意义是单位时间内的衰变几率，标志着衰变的快慢。半衰期：原子核衰变一半所需的平均时间。平均寿命：任一时刻存在的所有核的预期寿命的平均值。衰变类型细分前后变化射线性质ααZ减少2，A减少4电离本领强，穿透本领小ββ-Z增加1，A不变电离本领较弱，穿透本领较强β+Z减少1，A不变电子俘获Z减少1，A不变γγ激发态向基态跃迁电离本领几乎没有，穿透能力很强5.结合能与原子核的稳定性。包括：质量亏损、结合能和比结合能的定义；理解释放能量的两种途径。质量亏损：核子（质子和中子）结合构成原子后总质量减少。结合能：根据爱因斯坦质能公式，原子核形成过程中，质量减少了，减少的质量必然以能量的形式放了出来，这种能量称为结合能。比结合能：由单个核子（质子和中子）结合成该原子核时平均到每个核子所释放的能量。释放核能的两种途径：轻核聚变；重核裂变原因：相对于中等核来说，轻核和重核的比结合能较小；从比结合能定义，通过把结合能比较小的核素变成结合能比较大的中等核，就能放出一些能量，这正是目前通过重核裂变成中等核或轻核聚变成中等核等方式来利用原子核能的思路。6.中子与核发生相互作用。包括：理解特性；理解相互作用过程；熟悉作用最终结果；熟悉核反应式表达形式；熟悉主要反应类型。遵循的原则：核子数守恒，电荷数守恒，动量守恒，能量守恒（动能和质量能）中子的特性：不带电荷，与原子核相互作用不存在库伦垒力，可与核直接作用中子与核发生相互作用过程：势散射、直接相互作用、复合核的形成中子与核相互作用最终结果分两大类：散射：弹性散射和非弹性散射；吸收：包括（n，f）；（n，γ）；（n，α）；（n，p）等核反应式表达形式：主要反应类型：弹性散射：靶核内能不变即基态，经典力学适用（动量和动能都守恒），热中子反应堆内起主要作用，（n，n）非弹性散射：靶核内能发生变化（动量守恒，动能不守恒），处在激发态上，并返回基态，放出射线，阈能特点，（n，n’）辐射俘获（包括共振吸收）：复合核退激过程238U＋n→239U→→239Pu；232Th＋n→233Th→→233U；（n，γ）放出带电粒子的反应：10B＋n→7Li＋4He；16O＋n→16N+1H；（n，α），（n，p）放出n个中子的反应：（n，2n），（n，3n）裂变反应：235U+n→236U*→A1X+A2X+vn；（n，f）7.核截面和核反应率。包括：微观截面、宏观截面、平均自由程、核反应率和中子通量密度的定义并理解；掌握核反应截面随中子能量的变化规律。微观截面：σ，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。单位通常为barn（靶），10-28m2。宏观截面：；即核密度与该核的微观截面的乘积。单位m-1。习惯用cm-1。物理意义1：表征一个中子与单位体积内（1m3）内的原子核发生核反应的平均几率大小的一种度量。物理意义2：一个中子穿行单位距离与核发生反应的几率大小的一种度量。平均自由程：我们把宏观截面的倒数定义为平均自由程，记为λ。物理意义：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。截面随中子能量的变化规律：1）低能区（E1eV），吸收截面随中子能量减小而增大，大致与中子的速度成反比，亦称吸收截面的1/v区。2）中能区（1eVE10keV）,在此能区许多重元素核的截面出现了许多峰值，这些峰一般称为共振峰。3）快中子区（E10keV）,截面一般都很小，通常小于10靶，而且截面随能量变化也趋于平滑。核反应率：单位时间内在单位体积内发生核反应的次数。其中，中子通量密度φ：单位体积中（1m3）所有中子在单位时间（1s）内飞行的总路程。8.核反应的共振现象。包括：共振类型、特点和共振峰的典型参数；多普勒效应的定义；共振的性质；共振类型：俘获共振、散射共振、裂变共振特点：重核在低能区和中能区就存在；前段可分辨，后段逐渐难分辨共振峰的典型参数：共振能，峰值截面和能级宽度多普勒效应：因靶核的热运动，本来具有单一能量的中子，从它与核的相互作用看，与靶核的相对能量有一个范围展开，使共振峰展开而共振峰的峰值下降，称为多普勒效应。共振的性质：靶核的温度上升，①共振峰进一步加宽和②降低峰值，称为多普勒展宽。③积分值不变，即不随温度T变化而变化。9.核裂变反应。包括：理解易裂变核和可裂变核；理解裂变截面（微观截面和宏观截面）与哪些因素有关。微观裂变截面与哪些因素有关？掌握核反应堆内的主要放射性来源、瞬发中子和缓发中子、有效裂变中子数，裂变中子的能量分布规律及平均能量，裂变能量种类及可回收情况，反应堆功率和核裂变反应率的关系，停堆后的衰变热规律等。易裂变核：吸收动能为零的中子后就可以裂变的核。如。可裂变核：入射中子必须具有一定动能才能使之裂变的核，如。宏观截面大小影响因素：入射中子能量，靶核类别，靶核温度，靶核密度。微观截面大小影响因素：入射中子能量，靶核类别，靶核温度。堆内的主要放射性来源：裂变产物的放射性衰变。瞬发中子和缓发中子：有效裂变中子数：表征燃料核每吸收一个中子后平均放出的中子数，称为有效裂变中子数，用η表示。裂变中子的能量分布规律：瞬发裂变谱：瞬发中子的平均能量约为2MeV裂变能量种类及可回收情况：反应堆功率和核裂变反应率的关系:反应堆热功率：＝RV。其中，R为核裂变反应率。停堆后衰变热功率:1)部分裂变产物释放的缓发中子引起的核裂变产生的能量，只在停堆后几分钟内到几十分钟起作用。2）裂变产物和中子俘获物进行放射性衰变，释放出能量，是反应堆剩余功率的主要来源。第二章中子慢化和扩散（5学时）1)自持链式裂变反应的定义。从自持角度分析反应堆在哪些情况下分别属于哪几种状态？自持链式裂变反应：反应堆系统内发生的裂变反应在不依靠外界补充中子的情况下，能持续一代一代地发展下去，这样的链式反应叫做自持链式裂变反应。三种链式反应：2)中子循环的定义。中子消失的途径和位置。中子循环：就是指裂变中子经过慢化成为热中子，热中子击中燃料核引发裂变又放出裂变中子这一不断循环的过程。中子消失的途径和位置：3)在热中子反应堆中，中子的增减和平衡主要有哪些过程。增加过程：1）U-238的快中子增殖2）U-235的热中子裂变减少过程：1）慢化剂和结构材料等物质的辐射俘获。2）慢化过程中的共振吸收。3）中子的泄漏。包括：①慢化过程中的泄漏。Pf②热中子扩散过程中的泄漏。Pt4)六个因子的定义。四因子和六因子公式。快中子倍增系数ε：由一个初始裂变中子所得到的，慢化到U-238裂变阈能以下的平均中子数。逃脱共振几率P：慢化过程中逃脱共振吸收的中子所占的份额。快中子不泄漏几率Pf：快中子没有泄漏出堆芯的几率。热中子不泄漏几率PT：热中子在扩散过程中没有泄漏出堆芯的几率。热中子利用系数f:(燃料吸收的热中子数)/（被吸收的全部热中子数，包括被燃料，慢化剂，冷却剂，结构材料等所有物质吸收的热衷子数）有效裂变中子数η：燃料每吸收一个热中子所产生的平均裂变中子数。四因子公式：＝εPfη六因子公式：K＝εPfηPFPT5)慢化过程的定义。包括哪两种散射，特点是什么？堆内主要的散射是哪种？慢化过程:中子由于散射（包括弹性和非弹性）碰撞而降低速度的过程叫做慢化过程。弹性散射特点：此过程中，系统动能和动量均守恒。碰撞后中子因把自己一部分动能传递给介质核而减速，运动方向也发生变化。非弹性散射：该反应是阈能反应。过程中动能不守恒，动量守恒。为几千伏以上能量的中子与质量数较大的铀，铁等介质核相互作用而慢化的主要机理。堆内主要的慢化过程是弹性散射。6)理解弹性散射后的能量变化情况和规律。7)对数能降、对数能降增量和平均对数能降增量的定义。对数能降：中子在慢化过程中能量的减少可以用一个无量纲量u来表示，它的定义为，u＝㏑(E0/E);其中E0是由裂变产生的中子的平均能量，一般取10MeV。E为慢化后的中子能量。对数能降增量：u2－u1＝㏑(E0/E2)－㏑(E0/E1)＝㏑(E1/E2)平均对数能降增量：在中子慢化的过程中，每次碰撞中子的自然对数减少的平均值叫做每次碰撞的平均对数能量减小，记做ξ。8)试尝试计算裂变中子在与各种核的碰撞过程中，平均经过多少次碰撞成为热中子。N＝㏑(E0/E)/ξ；其中N为中子从初始能量慢化为热中子所需的平均碰撞次数；E0是由裂变产生的中子的平均能量，一般取2MeV；E是热中子的能量，一般取0.0253eV；ξ为要求的各种核素的平均对数能降增量,只与质量数A有关，与能量无关。对于氢核，N＝18；石墨，114；铀－238，2172。9)慢化能力和慢化比的定义。试解释为什么压水堆电站一般采用轻水为慢化剂和冷却剂。慢化比：任何一种核素，除了散射中子，也会吸收中子。如果其吸收截面过大，会引起堆内中子的过多损失而不适合作为慢化剂。因此另外定义下面一个量称为慢化比：10)无限均匀介质内的中子慢化能谱符合什么规律，一般反应堆中中子能谱可由哪三部分组成？无限均匀介质内的中子慢化能谱在慢化区符合1/E分布。一般反应堆中中子能谱：1）热中子区：Maxwell，麦克斯韦谱2）慢化区：1/E谱或费米谱3）快中子区：裂变谱11)中子的平均寿命一般多大？中子的平均寿命为慢化时间和扩散时间之和。热堆：主要由扩散时间确定，约为10-4s。快堆：主要是慢化时间中的一部分，约为10-7S。12)中子年龄、慢化长度、徙动长度、徙动面积、扩散长度的定义或物理意义是什么？中子年龄τ：无限介质点源发出的中子从源点慢化至年龄等于U或E所穿行的直线距离均方值的六分之一。注：并不具有时间的意义，它仅是一个空间上的意义。慢化长度：由于中子的费米年龄与慢化过程中所移动的均方距离有关，因此称费米年龄的平方根为慢化长度。徙动长度M：；M越大，中子不泄漏几率PL便越小。徙动面积：扩散面积（L2）与中子年龄（τ）之和，是中子由作为快（裂变）中子产生出来，直到它成为热中子并被吸收所穿行直线距离的均方值的六分之一（点源情况）。；式中rs是快中子自源点慢化到热中子时所穿行的平均直线距离，rd是中子成为热中子点起到被吸收为止所穿行的平均直线距离。扩散长度：；物理意义可以理解为热中子扩散长度的平方等于热中子从产生点（源点）到被吸收点的均方飞行距离的六分之一。13)中子输运方程和中子扩散方程的