反應(yīng)堆材料學(xué)chapter01緒論part2

1、龍龍 斌斌 教授教授核工業(yè)研究生部核工業(yè)研究生部China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China反應(yīng)堆材料反應(yīng)堆材料總體安排總體安排p 授課對(duì)象：碩士、博士研究生基礎(chǔ)課授課對(duì)象：碩士、博士研究生基礎(chǔ)課

2、p 總課時(shí)總課時(shí)64課時(shí)課時(shí)p 每個(gè)課時(shí)為每個(gè)課時(shí)為50分鐘授課，每章結(jié)束進(jìn)行一分鐘授課，每章結(jié)束進(jìn)行一次課堂練習(xí)；做次課堂練習(xí)；做ppt學(xué)術(shù)報(bào)告學(xué)術(shù)報(bào)告p 考試方式：筆試考試方式：筆試 + 口試口試 （？）（？）p 實(shí)習(xí)和參觀：實(shí)習(xí)和參觀： 1）反應(yīng)堆（）反應(yīng)堆（CEFR，CAAR） 2）反應(yīng)堆材料試驗(yàn)裝置臺(tái)架）反應(yīng)堆材料試驗(yàn)裝置臺(tái)架 3）熱室）熱室 4）材料分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室）材料分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室掌握幾個(gè)概念掌握幾個(gè)概念p 中子是如何與材料（或原子核）發(fā)生反應(yīng)的？中子是如何與材料（或原子核）發(fā)生反應(yīng)的？- -散射和吸收散射和吸收p 中子與材料發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)（概率）有多大中子與材料發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)（

3、概率）有多大- -中子反應(yīng)截面中子反應(yīng)截面p 所有能量區(qū)間的中子都能材料原子發(fā)生反應(yīng)嗎？所有能量區(qū)間的中子都能材料原子發(fā)生反應(yīng)嗎？- -中子能譜中子能譜p 燃耗和輻照參數(shù)的關(guān)系燃耗和輻照參數(shù)的關(guān)系p 材料研究與輻射防護(hù)材料研究與輻射防護(hù)第一章第一章 緒論緒論第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用中子的質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量大約相等中子的質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量大約相等, ,并且中子與并且中子與射線一射線一樣也不帶電樣也不帶電. .因此因此, ,中子與原子核或電子之間沒有靜

4、電作用中子與原子核或電子之間沒有靜電作用. .當(dāng)中子與物質(zhì)相互作用時(shí)當(dāng)中子與物質(zhì)相互作用時(shí), ,主要是和原子核內(nèi)的核力相互主要是和原子核內(nèi)的核力相互作用作用, ,與外殼層的電子不會(huì)發(fā)生作用與外殼層的電子不會(huì)發(fā)生作用. .物質(zhì)是什么？物質(zhì)是什么？10-10m10-1510-14m1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用作用機(jī)制：作用機(jī)制：I. I. 勢(shì)散射；勢(shì)散射；II.II.直接相互作用；直接相互作用；III. II

5、I. 形成復(fù)合核形成復(fù)合核 作用機(jī)制作用機(jī)制I-勢(shì)散射：勢(shì)散射：是中子與原子核表面勢(shì)相互作用的結(jié)果。在整個(gè)作用過程中，中子并未進(jìn)入原子核內(nèi)部。-能量能量交換交換入射中子入射中子原子核原子核勢(shì)散射前后中子與靶核系統(tǒng)的勢(shì)散射前后中子與靶核系統(tǒng)的動(dòng)能和動(dòng)量守恒，所以動(dòng)能和動(dòng)量守恒，所以勢(shì)散射勢(shì)散射是是一種一種彈性散射彈性散射1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用作用機(jī)制：作用機(jī)制：I. I. 勢(shì)散射；勢(shì)散射；II.II.直接相互作用；直接相互作用；III. III. 形成復(fù)合核形成復(fù)合核 作用機(jī)制作用機(jī)制II-直接相互作用：直接

6、相互作用：當(dāng)入射中子能量很高時(shí)，中子將進(jìn)入原子核內(nèi)部，直接與原子核內(nèi)的某個(gè)核子發(fā)生碰撞，并將其從原子核中打出，而入射中子則留在原子核內(nèi)。直接相互作用對(duì)中子能量要求直接相互作用對(duì)中子能量要求較高，較高，對(duì)于反應(yīng)堆中的材料，對(duì)于反應(yīng)堆中的材料，可忽略此反應(yīng)類型可忽略此反應(yīng)類型1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用作用機(jī)制：作用機(jī)制：I. I. 勢(shì)散射；勢(shì)散射；II.II.直接相互作用；直接相互作用；III. III. 形成復(fù)合核形成復(fù)合核 作用機(jī)制作用機(jī)制III-形成復(fù)合核：形成復(fù)合核：對(duì)于低能核反應(yīng)，該模型認(rèn)為，中子與原子核

7、的反應(yīng)分為兩個(gè)獨(dú)立的過程： 中子先與靶核作用后，融合成一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的新核，即形成復(fù)合核； 復(fù)合核按照不同的方式進(jìn)行衰變，分解為出射粒子和剩余核a + A C*B + b 反應(yīng)堆中，中子與材料原子（除燃料）的相互作用簡(jiǎn)單地反應(yīng)堆中，中子與材料原子（除燃料）的相互作用簡(jiǎn)單地分為：分為：散射散射和和吸收吸收1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用散射和吸收散射和吸收 散射：散射：根據(jù)入射粒子a和出射粒子b是同一種粒子（中子），則稱之為散射。 根據(jù)在散射過程中能量的轉(zhuǎn)換，可將散射分為彈性散射彈性散射和非彈性散射非彈性散射。 彈性散

8、射彈性散射：總動(dòng)能保持不變，即散射前后動(dòng)能和動(dòng)量守恒a + A C*B + b 根據(jù)該公式，按照中子與靶核反應(yīng)后出射粒子根據(jù)該公式，按照中子與靶核反應(yīng)后出射粒子b的種類，的種類，可以將核反應(yīng)分為散射和吸收可以將核反應(yīng)分為散射和吸收1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用散射和吸收散射和吸收非彈性散射非彈性散射：中子和靶核發(fā)生作用后，1）靶核處于激發(fā)態(tài)，需要吸收一部分能量；2）體系的動(dòng)量守恒，動(dòng)能不守恒反應(yīng)式為：反應(yīng)式為：1.1.中子與原子核的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互

9、作用吸收吸收p (n,(n, ),),成為輻射俘獲成為輻射俘獲反應(yīng)。反應(yīng)。 比如比如5858Fe(n,Fe(n, ) )5959Fe, Fe, 5555MnMn(n,(n, ) )5656MnMn 113113Cd Cd (n,(n, ) ) 114114Cd Cd （控制棒）（控制棒）p (n,(n,c):c):核轉(zhuǎn)化生成異種原子的反應(yīng)，即中子被靶核吸收后，核轉(zhuǎn)化生成異種原子的反應(yīng)，即中子被靶核吸收后，生成新核并放出質(zhì)子生成新核并放出質(zhì)子(p)(p)或或a a粒子（粒子（He)He)的反應(yīng)的反應(yīng)如果出射粒子中沒有中子，則成為如果出射粒子中沒有中子，則成為吸收吸收分為：分為：(n,(n, ),

10、 (n,c), (n,c)和和(n,f)(n,f)10 5B + n 73Li + 42He16 8O + n 167N + 11H167N + n 16 8O + -1 + 2.2.中子反應(yīng)截面中子反應(yīng)截面第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用用中子與物質(zhì)的相互作用用反應(yīng)截面反應(yīng)截面來度量，它的物理意義來度量，它的物理意義是是發(fā)生某種核反應(yīng)的概率發(fā)生某種核反應(yīng)的概率 微觀截面微觀截面：其物理意義是一個(gè)中子入射到單位面積內(nèi)：其物理意義是一個(gè)中子入射到單位面積內(nèi)只含一個(gè)靶核的靶子上所發(fā)生的反應(yīng)概率，它是一個(gè)中子只含一個(gè)靶核的靶子上所發(fā)生的反應(yīng)概率，

11、它是一個(gè)中子與一個(gè)靶核發(fā)生相互作用概率大小的一種度量。與一個(gè)靶核發(fā)生相互作用概率大小的一種度量。的量綱的量綱是面積的量綱。是面積的量綱。是一個(gè)是一個(gè)很小的量，為此用很小的量，為此用 1010-24-24cmcm2 2 作為微觀截面的單位，稱作為微觀截面的單位，稱為為“靶恩（靶恩（barnbarn）”。微觀。微觀截面截面是中子能量的函數(shù)。是中子能量的函數(shù)。微觀截面表征了一個(gè)中子和一個(gè)原子核微觀截面表征了一個(gè)中子和一個(gè)原子核相互作用（發(fā)生核反應(yīng)）的概率大小相互作用（發(fā)生核反應(yīng)）的概率大小微觀截面工程中常用的單位：靶恩微觀截面工程中常用的單位：靶恩(barn), 1barn = 10-24cm22.

12、2.中子反應(yīng)截面中子反應(yīng)截面第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用用中子與物質(zhì)的相互作用用反應(yīng)截面反應(yīng)截面來度量，它的物理意義來度量，它的物理意義是是發(fā)生某種核反應(yīng)的概率發(fā)生某種核反應(yīng)的概率每種類型的核反應(yīng)都有相應(yīng)的截面，用不同的下標(biāo)表示。每種類型的核反應(yīng)都有相應(yīng)的截面，用不同的下標(biāo)表示。散射（散射（scattering）：）： s輻射俘獲：輻射俘獲： 裂變（裂變（fraction）：）： f吸收（吸收（absorption）：）： a微觀截面工程中常用的單位：靶恩微觀截面工程中常用的單位：靶恩(barn), 1barn = 10-24cm22.

13、2.中子反應(yīng)截面中子反應(yīng)截面第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用 宏觀截面宏觀截面 ：它是微觀截面和單位體積的靶原子核數(shù)的乘積：它是微觀截面和單位體積的靶原子核數(shù)的乘積 = N N為單位體積內(nèi)原子核的數(shù)目為單位體積內(nèi)原子核的數(shù)目其物理意義：其物理意義： 表征了一個(gè)中子和單位體積內(nèi)所有的原子核發(fā)生反應(yīng)的概率大小表征了一個(gè)中子和單位體積內(nèi)所有的原子核發(fā)生反應(yīng)的概率大小； 一個(gè)中子在介質(zhì)內(nèi)穿行單位距離與原子核發(fā)生反應(yīng)的概率大小一個(gè)中子在介質(zhì)內(nèi)穿行單位距離與原子核發(fā)生反應(yīng)的概率大小微觀截面（微觀截面（ ）表示一個(gè)中子去轟擊一個(gè)核時(shí)的有效截面，）表示一個(gè)中子去轟擊一個(gè)核時(shí)的

14、有效截面，其單位是其單位是cmcm2 2；宏觀截面（；宏觀截面（ ）表示在）表示在1cm1cm3 3的物質(zhì)所含有的全的物質(zhì)所含有的全部核的有效靶面積，其單位是部核的有效靶面積，其單位是cmcm-1-1. .3.3.中子能譜中子能譜第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用在實(shí)際的反應(yīng)堆中，中子并不是具有同一速度或者能量，在實(shí)際的反應(yīng)堆中，中子并不是具有同一速度或者能量，它是它是分布在一個(gè)很寬的能量范圍內(nèi)分布在一個(gè)很寬的能量范圍內(nèi)的的p 中子數(shù)按能量的分布中子數(shù)按能量的分布n(E)n(E)稱為稱為中子能譜中子能譜p 在反應(yīng)堆物理中習(xí)慣把中子通量密度按能量的分在反應(yīng)堆物理中

15、習(xí)慣把中子通量密度按能量的分布布 （E)E)稱為中子能譜稱為中子能譜3.3.中子能譜中子能譜第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用熱堆和快堆的堆芯中子能譜熱堆和快堆的堆芯中子能譜4.4.燃耗和輻照參數(shù)燃耗和輻照參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用燃耗（燃耗（burnupburnup）：反應(yīng)堆運(yùn)行過程中核燃料的消耗程度，即：反應(yīng)堆運(yùn)行過程中核燃料的消耗程度，即消耗掉的燃料數(shù)量?；蛘呓邢牡舻娜剂蠑?shù)量?；蛘呓腥己纳疃热己纳疃?。燃耗達(dá)到一定限度后，燃料元件就應(yīng)該更換，否則元件將破燃耗達(dá)到一定限度后，燃料元件就應(yīng)該更換，否則元件將破損或者反

16、應(yīng)堆的反應(yīng)性因裂變產(chǎn)生的中子毒物不能維持反應(yīng)損或者反應(yīng)堆的反應(yīng)性因裂變產(chǎn)生的中子毒物不能維持反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。堆的正常運(yùn)行。4.4.燃耗和輻照參數(shù)燃耗和輻照參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用燃耗的表示方法燃耗的表示方法核燃料的燃耗有三種表示方法：核燃料的燃耗有三種表示方法：p 單位重量的核燃料所釋放的能量單位重量的核燃料所釋放的能量( (兆瓦兆瓦 日日/ /噸噸 MWMW d/t(U)d/t(U)）p 用消耗掉的易裂變同位素核子數(shù)與初裝該核子數(shù)之比用消耗掉的易裂變同位素核子數(shù)與初裝該核子數(shù)之比（ at.%at.%）（多用于研究堆）（多用于研究堆）p 工程上，

17、采用工程上，采用“等效滿功率天（等效滿功率天（EFPDEFPD）”或或“等效滿功率等效滿功率小時(shí)（小時(shí)（EFPHEFPH）”來表示燃耗深度，來表示燃耗深度，1EFPD1EFPD等于在等于在100%100%滿功率下滿功率下運(yùn)行運(yùn)行1 1天天4.4.燃耗和輻照參數(shù)燃耗和輻照參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用中子通量密度（中子通量密度（neutron fluxneutron flux）中子通量密度是中子物理中一個(gè)應(yīng)用廣泛的物理量（中子通量密度是中子物理中一個(gè)應(yīng)用廣泛的物理量（ ）。（1 1）單一速度平行中子束的通量密度）單一速度平行中子束的通量密度 沿一固定方向有

18、一束沿一固定方向有一束密度為密度為n n，速度為，速度為 的的中子中子密度：密度：n速度：速度： 單位時(shí)間內(nèi)通過與中子運(yùn)動(dòng)方向垂直的單位面積的中子數(shù)單位時(shí)間內(nèi)通過與中子運(yùn)動(dòng)方向垂直的單位面積的中子數(shù) =n=n 中子中子/(cm/(cm2 2 s s）即中子通量密度，也叫中子注量密）即中子通量密度，也叫中子注量密度度物理意義物理意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過與中子運(yùn)動(dòng)方向垂直的單位面積的單位時(shí)間內(nèi)通過與中子運(yùn)動(dòng)方向垂直的單位面積的中子數(shù)量中子數(shù)量4.4.燃耗和輻照參數(shù)燃耗和輻照參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用中子通量密度（中子通量密度（neutron fluxneut

19、ron flux）中子通量密度是中子物理中一個(gè)應(yīng)用廣泛的物理量。中子通量密度是中子物理中一個(gè)應(yīng)用廣泛的物理量。（2 2）非平行束單速中子的通量密度）非平行束單速中子的通量密度 中子運(yùn)動(dòng)的方向四面八方，此時(shí)中子運(yùn)動(dòng)的方向四面八方，此時(shí)某點(diǎn)的中子通量密度定義為：以某點(diǎn)的中子通量密度定義為：以此點(diǎn)為中心迎著各個(gè)方向射來的此點(diǎn)為中心迎著各個(gè)方向射來的中子做許多垂直的單位面積，然中子做許多垂直的單位面積，然后把在單位時(shí)間內(nèi)通過這些面積后把在單位時(shí)間內(nèi)通過這些面積的中子統(tǒng)統(tǒng)加起來，就是該點(diǎn)的的中子統(tǒng)統(tǒng)加起來，就是該點(diǎn)的中子通量密度中子通量密度4.4.燃耗和輻照參數(shù)燃耗和輻照參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中

20、子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用中子注量（中子注量（neutron fluenceneutron fluence）中子通量密度也稱為中子注量率中子通量密度也稱為中子注量率 = = 0 0t t dt dt （n/cmn/cm2 2) )中子注量率對(duì)時(shí)間的積分即為中子注量，它表征：中子注量率對(duì)時(shí)間的積分即為中子注量，它表征：在整個(gè)在整個(gè)輻照時(shí)間輻照時(shí)間t t內(nèi)，通過單位面積的中子總數(shù)內(nèi)，通過單位面積的中子總數(shù)。當(dāng)中子通量密度不隨時(shí)間當(dāng)中子通量密度不隨時(shí)間t t變化時(shí)，中子注量變化時(shí)，中子注量 = = t t （n/cmn/cm2 2) )5.5.放射性元素的衰變放射性元素的衰變第二節(jié)第二節(jié)

21、 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用原子核的衰變（原子核的衰變（decaydecay）原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓性雍说乃プ冊(cè)雍擞捎诜懦瞿撤N粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓性雍说乃プ?.5.放射性元素的衰變放射性元素的衰變第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用p 衰變：衰變：原子核自發(fā)地放射出原子核自發(fā)地放射出粒子而轉(zhuǎn)變成另一種核的過粒子而轉(zhuǎn)變成另一種核的過 程叫做程叫做衰變。衰變。例如例如對(duì)于天然放射性同位素而對(duì)于天然放射性同位素而言，只有質(zhì)量數(shù)言，只有質(zhì)量數(shù)A A大于大于140140的重原子核才能產(chǎn)生的重原子核才能產(chǎn)生衰衰變變5.5

22、.放射性元素的衰變放射性元素的衰變第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用p 衰變：衰變：原子核自發(fā)地放射出原子核自發(fā)地放射出粒子或俘獲一個(gè)軌道電子而粒子或俘獲一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變叫做發(fā)生的轉(zhuǎn)變叫做 衰變。衰變。例如例如在在 衰變中，原子核的衰變中，原子核的質(zhì)量數(shù)不變，只是電荷數(shù)質(zhì)量數(shù)不變，只是電荷數(shù)改變了一個(gè)單位改變了一個(gè)單位5.5.放射性元素的衰變放射性元素的衰變第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用p 衰變：衰變：放射性原子核在發(fā)生放射性原子核在發(fā)生衰變、衰變、衰變后產(chǎn)生的新核衰變后產(chǎn)生的新核往往處于高能量級(jí)，要向低能級(jí)躍遷，輻射

23、出往往處于高能量級(jí)，要向低能級(jí)躍遷，輻射出光子光子例如例如21084Po20682Pb + 42He20682Pb + + 5.5.放射性元素的衰變放射性元素的衰變第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用5.5.放射性元素的衰變放射性元素的衰變第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用1/10光速光速接近光速接近光速光速光速6.6.放射性活度及劑量監(jiān)測(cè)放射性活度及劑量監(jiān)測(cè)第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)堆材料與中子的相互作用反應(yīng)堆材料與中子的相互作用p 輻射量輻射量：1 1）描述輻射源的量；）描述輻射源的量；2 2）描述輻射場(chǎng)的量；以及）描述輻射場(chǎng)的量；以及3 3）輻射劑量和輻射與物質(zhì)相互作用的量）輻射劑量和輻射與物質(zhì)相互作用的量主機(jī)主機(jī)鉛罐鉛罐探頭探頭輻射源放射性強(qiáng)弱或放射性輻射源放射性強(qiáng)弱或放射性物質(zhì)數(shù)量的度量用物質(zhì)數(shù)量的度量用放射性活放射性活度度來表示來表示放射性活度：指放射性元素放射性活度：指放射性元素或同位素每秒衰變的原子數(shù)，或同位素每秒衰變的原子數(shù)，目前放射性活度的國(guó)際單位目前放射性活度的國(guó)際單位為貝克勒（為貝克勒（BqBq），也就是每），也就是每秒有一個(gè)原子衰變，一克的秒有一個(gè)原子衰變，一克的鐳放射性活度有鐳放射性活度有3.73.710101010BqBq。1 1居里（居里（CiCi）=3.7E+10=3.7E+10貝