chapter.01.中子与物质的相互作用哈工程李伟

中子与物质的相互作用岗前培训（70学时）2020/4/300哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7.反应堆简介⑴核能的利用形式2020/4/301哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟核电火电能量本质核反应放出的能量燃料燃烧放出的化学能能量表现形式热能（裂变碎片的动能）热能（燃料原子的动能）利用形式冷却剂将热量传递给二回路的水，使二回路的水受热产生蒸汽，带动汽轮机做功。（由于放射性）锅炉；直接加热水，产生蒸汽，带动汽轮机做功。7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2⑵反应堆的概念快中子反应堆气体重水热中子反应堆冷却剂水沸水堆轻水压水堆7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3⑶反应堆的工作流程7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4⑷反应堆结构①堆芯整体结构与压力容器Ⅰ.压力容器的作用压力容器的作用为：压力边界与安全屏障。为了保证冷却冷却剂在较高的温度下仍然不沸腾，需要对其加压；在反应堆安全中，压力容器和一回路压力边界还起着第二道安全屏障的作用。7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟57.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6Ⅱ.吊篮整个堆芯通过吊篮吊装在压力容器筒身法兰的内凸缘上。吊篮还起到冷却剂分流的作用。堆芯冷却剂的温度分布是由底部到顶部逐渐增加的。Ⅲ.组件堆芯的核燃料以组件的形式固定在吊篮内。7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟77.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟8+7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟9②核燃料的结构Ⅰ.燃料芯块一般压水堆中，均采用铀作为核燃料。其中：235U富集度为3%～5%；一般采用铀的氧化物UO2作为核燃料（陶瓷材料）；UO2燃料芯块的样子为圆柱形，两端为浅碟状。7.反应堆简介2020/4/3010哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟11Ⅱ.燃料棒将UO2燃料芯块装在一根薄管中，做成一根密封的燃料棒：在燃料棒两端设有弹簧，用于压紧其中的燃料芯块，弹簧所占据的空间可用于容纳裂变气体；燃料棒包壳的材料一般采用锆（Zr4）合金；包壳与燃料芯块之间有一层非常薄的间隙；燃料包壳在反应堆安全中起着第一层屏障的作用，防止裂变产生的放射性产物进入到一回路的冷却剂中。7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟127.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟13将多根燃料棒按照一定的方式排列并用定位格架加以固定，便构成了燃料组件。在燃料组件中，一般需要空出其中的若干个位置用于放置其它设备，如：控制棒；可燃毒物；外中子源（初级源和次级源）；阻力塞棒；中子测量管道。7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟147.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟157.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟167.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟177.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟18⑸研究方法①中子与物质的相互作用在反应堆内的核子数密度为：中子数密度：～1016/m3；介质核密度：～1028/m3。中子和介质之间发生相互作用的几率要比中子之间的相互作用大得多。因此在反应堆物理中，仅考虑中子与介质原子核的相互作用。7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟19②相对论和量子效应在反应堆中，中子能量一般小于10MeV，最高也很难超过20MeV。如果取中子能量为20MeV，那么此时有：可见，β＝v/c＝0.207，其值比较小，因此可不考虑相对论效应。2400.207931.5MeVvcMeVc7.反应堆简介2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟20若取中子能量为0.01ev（热中子的最可几能量为0.0253eV），则：此时λ仍然比原子间距（10-10m）小一个数量级，可不考虑量子效应。12114.55104.5510hmpE8.中子与物质的相互作用机制2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟21⑴作用机制Ⅰ：势散射势散射是中子与原子核表面势相互作用的结果。在整个作用过程中，中子并未进入原子核内部。在整个过程中，能量与动量的变化为：散射前后原子核的内能并未发生变化；整个过程中动能、动量守恒。8.中子与物质的相互作用机制2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟22⑵作用机制Ⅱ：直接相互作用当入射中子的能量很高时，中子将直接进入原子核内部，直接与原子核内的某个核子发生碰撞，将其从原子核中打出；而入射中子留在原子核内。称这个反应过程的机制为中子和原子核发生了直接相互作用。该作用类型对中子能量要求较高，反应堆中可以忽略此反应类型。8.中子与物质的相互作用机制2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟23⑶作用机制Ⅲ：形成复合核对于低能核反应，复合核模型认为：反应过程可以分为两个独立无关的阶段：中子先与靶核作用后融合成一个处于激发态的新核，即形成复合核；复合核按照不同的方式进行衰变，分解为出射粒子和剩余核。具体反应式可以写为下式的形式：上式中C便是复合核，其处于激发态。*aACBb8.中子与物质的相互作用机制2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟24下面是一个复合核的例子：这里的(64Zn)*便是复合核（处于激发态）。6330*63646229303062302ZnnCupZnZnnCupn8.中子与物质的相互作用机制2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟25【定义】反应道每一种核反应的过程称为一个反应道。【定义】出射道复合核的每一种衰变方式称为一个出射道。当核反应发生、并形成复合核后，同一个复合核可能有多个出射道。8.中子与物质的相互作用机制2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟26与出射道相应的，还有入射道的概念。【定义】入射道反应前的道称为入射道。6231714431227140LiDLipHeHeBen9.复合核模型考虑以下核反应：假设入射时，入射粒子a的动能为EK,a，靶核A静止。当入射粒子和靶核形成复合核时，有：入射粒子a具有一定的动能EK,a；入射粒子a和A形成复合核[aA]*，需要放出结合能BaA；形成复合核后，复合核将会处于一定的激发能级，其能量为E*；a和A形成复合核，复合核将会以一定的动能EK,C运动。2020/4/3027哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟*aAaAdecay9.复合核模型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟28根据能量守恒可得：EK,a＋BaA＝E*＋EK,C根据经典力学的知识，复合核的动能EK,C就等于质心的运动动能。因此，复合核形成后所具的激发能E*的大小为：E*＝EK,a＋BaA－EK,C9.复合核模型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟29在整个过程中，能量的转换（传递）方式如下图所示：入射粒子的动能EK,a复合核的动能EK,C复合核的激发能E*形成复合核时放出的结合能BaA9.复合核模型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟30实际上，能够转化为复合核激发能的能量为：E*＝Er＋BaA其中，Er为相对运动动能，即在质心系中，入射粒子和靶核的动能之和。其表达式为：,,,ArKaKCKaaAmEEEEmm10.中子与核的反应类型考虑如下核反应：按照中子与靶核反应后出射粒子b的种类，可以将核反应分为散射和吸收。⑴散射【定义】散射如果入射粒子a和出射粒子b是同一种粒子，则称之为散射反应。根据在散射过程中能量的转换，可以将散射分为：弹性散射和非弹性散射。2020/4/3031哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟*aACBb10.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟32①弹性散射(n,n)对于弹性散射，在散射过程中：靶核的内能不发生变化；体系的动能和动量均守恒。其反应式可以写为：【问题】散射后，能量的分配如何？中子的能量取值范围是否是任意的？*11100AAAZZZXnXXn10.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟33②非弹性散射(n,n′)对于非弹性散射，中子和靶核X发生作用后：靶核处于激发态，需要吸收一部分能量；体系的动量守恒，动能不守恒。其反应式可以写为：**11100AAAZZZAZXnXXndeexcitationX10.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟34由于原子核的能级是离散的（不连续），因此，要想发生非弹性散射，入射粒子的动能需要满足一定的条件：*,minrAEE10.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3510.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟36在反应堆中，为了增加裂变反应发生的可能性，需要将中子的能量降到很低（0.625eV，即变为热中子）。这个过程我们称为中子的慢化。中子经过几次（弹性、或非弹性）散射后，能量很快便降到非弹性散射的阈值(102～103KeV)）以下。接下来便主要靠弹性散射来慢化中子。10.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟37⑵吸收【定义】吸收反应如果出射粒子中没有中子，则称之为吸收反应。根据吸收反应中，出射中子的种类，可将吸收反应可分为：(n,γ)、(n,c)和(n,f)等。①(n,γ)(n,γ)反应也称为γ俘获（共振俘获）反应。其反应式可写为：*1110AAAZZZXnXX2381239239239920929394UnUNpPu10.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟38②(n,c)(n,c)反应中的c表示出射粒子为荷电粒子，其包括：p、α等。其反应式可写为：101AAZZXnYp1302AAZZXnY161687OnNp10753BnLi10.中子与核的反应类型2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟39③(n,f)(n,f)反应即为裂变反应。其表达式可写为：上式中，Y和Y′为两个中等质量的原子核，称为裂变碎片。即使对于同一靶核和相同能量的入射中子，其裂变碎片也并非是确定的。这里的ν值一般并不是整数。12121100AAAZZZXnYYn23511341001920543802UnXeSrn11.裂变反应⑴原子核的裂变【定义】裂变重核分裂为几个中等质量原子核的现象称为原子核裂变。按照原子核裂变式外界的影响，可以分为：自发裂变和诱发裂变。2020/4/3040哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟11.裂变反应2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟41①自发裂变【定义】自发裂变没外界的作用下，原子核自发裂变为两个中等质量的核。如果仅从能量的角度来看，只要在自发裂变前后，原子核的比结合能增加，那么便可能发生自发裂变。因此对于质量数比较大的原子核，其都可能发生自发裂变。但是实验发现并非如此。11.裂变反应2020/4/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟42【定义】裂变势垒原子核自发裂变所需要