第1章核反應堆的核物理基礎(chǔ).ppt

1、主講人：張 彪 2020年8月3日,核反應堆物理,核反應堆的核物理基礎(chǔ),第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),主要內(nèi)容,基本概念 中子與原子核的相互作用 中子截面和核反應率 共振吸收 核裂變過程 鏈式裂變反應,1. 基本概念,核素：一般把具有相同質(zhì)子數(shù)Z、中子數(shù)N的一類原子（或原子核）稱為一種核素。 同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的核素稱為同位素。 原子核的能級：能量最小的狀態(tài)稱為基態(tài)，能量較大的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)一般是不穩(wěn)定的（壽命很短）。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),1. 基本概念,半衰期：某種放射性核素數(shù)目減少一半所需要的時間，T1/2 = ln2/l。 豐度：設(shè)樣品中有一種元素，此元

2、素有若干種同位素，某種同位素的原子數(shù)目在該元素原子總數(shù)中所占的份額。 富集度：某種同位素的重量在該元素總重量中所占的份額，稱為這種同位素的富集度。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),2. 中子與原子核的相互作用,中子：中子是組成原子核的核子之一，中子不帶電，它與原子核不存在庫侖相互作用，它亦不能產(chǎn)生初級電離。 自由中子的不穩(wěn)定，可衰變轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，半衰期為10.6min，在熱中子反應堆中瞬發(fā)中子的壽命約為10-3 10-4 s。 中子靜止質(zhì)量為1.675E-27kg，工程計算中常取1u。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),2. 中子與原子核的相互作用,中子的波粒二象性：除非對于能量非常低的中子，一般在反

3、應堆中討論中子的運動和原子核的相互作用時，把中子作為一個粒子來描述。 中子按照能量劃分： 快中子：E1keV 超熱中子：1eVE1keV 熱中子：E1eV,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),2. 中子與原子核的相互作用,中子與原子核相互作用,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),2. 中子與原子核的相互作用,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,微觀截面：表示平均一個給定能量的入射中子與一個靶核發(fā)生作用的概率大小的一種度量。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),I = I - I = -INx,單位：m2，1 barn=10-28m2 下標：t, s, a, e, in, f, ,3. 中子截

4、面和核反應率,宏觀截面：表示平均一個給定能量的入射中子與單位體積內(nèi)所有原子核發(fā)生作用的概率大小的一種度量。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),dI = -INdx x = 0, I(x) = I0,3. 中子截面和核反應率,例：水的密度為103kg/m3，已知能量為0.0253eV的中子與氫核和氧核的微觀吸收截面分別為0.333b和0.0001b，請計算出水的宏觀吸收截面。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,例：設(shè)UO2的密度為10.42103kg/m3，235U的富集度=3%能量為0.0253eV中子與235U作用的微觀吸收截面為680.9b，238U為2.7b, O為2.

5、710-4b，試求UO2的宏觀吸收截面。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),穿行x仍未發(fā)生作用的幾率 首次發(fā)生作用的幾率 平均自由程,3. 中子截面和核反應率,平均自由程：中子在介質(zhì)中運動時，與原子核連續(xù)兩次相互作用之間穿過的平均距離。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,核反應率：每秒每單位體積內(nèi)中子與介質(zhì)原子核發(fā)生作用的總次數(shù)（統(tǒng)計平均值）。 中子通量密度：某點處中子密度與相應中子速度的乘積，表示單位體積內(nèi)所有中子在單位時間內(nèi)穿行距離的總和。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,由于實際計算中經(jīng)常是在某個能量區(qū)間的截面，因此引入平均截面的概念，需保證核反

6、應率守恒。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,反應截面隨中子能量的變化規(guī)律，大致可以分為三個區(qū)域。 低能區(qū)（E1keV）：截面較小，變化平緩,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,吸收截面： 低能區(qū)：對于多數(shù)輕核，在中子能量從熱能一直到幾個keV甚至MeV的范圍內(nèi)，其吸收截面都近似按照1/v規(guī)律變化；對于重核和中等質(zhì)量的核，在低能區(qū)其吸收截面偏離1/v規(guī)律，故要進行非1/v修正。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,吸收截面： 中能區(qū)：對于重核有強烈的共振吸收，對于輕核第一激發(fā)態(tài)能量高，在高能區(qū)發(fā)生共振。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ)

7、,高能區(qū)：共振峰間距變小，開始重疊以至于不能分辨，變化緩慢平滑。,3. 中子截面和核反應率,散射截面： 非彈性散射：有閾能特點，超過閾能后隨著中子能量的增加而增加。 彈性散射：多數(shù)元素在低能區(qū)都是彈性散射，基本為常數(shù)，在高能區(qū)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,裂變截面：沒有規(guī)律,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,俘獲裂變比：輻射俘獲截面與輻射裂變截面之比， = /f。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,有效裂變中子數(shù)：燃料核每吸收一個中子后平均放出的中子數(shù)， = f / a = / (1+) 。,第1章 核反應堆

8、的核物理基礎(chǔ),3. 中子截面和核反應率,核數(shù)據(jù)庫：核科學技術(shù)研究和核工程設(shè)計所必須的基本數(shù)據(jù)的集合。 評價核數(shù)據(jù)庫： 美國ENDF 歐洲JEF 日本JENDL 俄羅斯BROND 中國CENDL,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),隨堂練習,某壓水堆采用UO2作為燃料，235U富集度為2.43%，密度為104kg/m3，試計算能量為0.01eV時， UO2的宏觀吸收截面和宏觀裂變截面。（已知：在0.0253eV時， 235U 、 238U、 O的微觀吸收截面分別是680.9b、2.7b、0.00027b， 235U 的裂變截面為583.5b）,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),4. 共振吸收,共振現(xiàn)象：中

9、子從高能區(qū)逐步慢化到低能區(qū)，中間要通過中能區(qū)，有很多的窄而高的吸收峰。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),4. 共振吸收,如何描述共振： 1. 在曲線上的共振峰附近，逐點給出的截面值； 2. 用數(shù)學方法將上述數(shù)據(jù)擬合成公式；,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),3. 根據(jù)物理原理，推導出描述共振峰的公式；,4. 共振吸收,多普勒效應： 由于靶核的熱運動隨溫度的增加而增加，這時共振峰的寬度將隨著溫度的上升而展寬，同時峰值也在變小，這種效應稱為多普勒效應。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),5. 核裂變過程,裂變能的釋放：,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),5. 核裂變過程,反應堆的功率與中子通量密度之間的關(guān)系：,

10、第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),次235U核裂變放出的能量,堆芯任一點r處單位體積內(nèi)的功率密度q(r),只考慮熱中子引起的235U的裂變，反應堆的功率為,5. 核裂變過程,例：一座壓水堆的熱功率為2800MW，電站年負荷因子為0.85，235U的平均俘獲裂變比為0.169，試估算每年消耗的235U的質(zhì)量。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),5. 核裂變過程,裂變產(chǎn)物：裂變碎片以及他們的衰變產(chǎn)物叫做裂變產(chǎn)物。 80多種碎片，質(zhì)量數(shù)在72161之間， 有毒素也有半衰期很長和放射性很強的產(chǎn)物。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),5. 核裂變過程,裂變中子： 瞬發(fā)中子：裂變反應產(chǎn)生的99%以上的中子是在裂變瞬間

11、(10-14s)發(fā)射出來的。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),裂變中子數(shù)經(jīng)驗公式,裂變中子能譜,5. 核裂變過程,裂變中子： 緩發(fā)中子：裂變中還有不到1%（大約0.65%）的中子是在裂變碎片衰變過程中發(fā)射出來的。分成6組，它的中子特性見下表。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),6. 鏈式裂變反應,自持式裂變反應：不再依靠外界的作用而使裂變反應不斷進行下去的裂變反應。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),6. 鏈式裂變反應,有效增殖因數(shù)keff：對于給定系統(tǒng)，新生一代的中子數(shù)和產(chǎn)生它的直屬上代中子數(shù)之比。,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),實際問題中經(jīng)常用中子的平衡關(guān)系來定義系統(tǒng)的有效增殖因素。,6. 鏈式裂變反應,臨界系統(tǒng)： keff 1 ：超臨界系統(tǒng)； keff = 1 ：臨界系統(tǒng)； keff 1 ：次臨界系統(tǒng)；,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),不泄露概率： keff = k ,6. 鏈式裂變反應,熱堆的中子循環(huán)：,第1章 核反應堆的核物理基礎(chǔ),快中子增殖因素： = 105/100 = 1.05 慢化過程不泄露概率s： s = 100/105 = 0.952 逃脫共振俘獲概率p： p = 90/100 = 0.9,6. 鏈式裂變反應,熱堆的中子循環(huán)： 熱中子不泄