反应堆物理分析.pdf

4 0 14 0 1核裂变过程与材料核裂变过程与材料 a a 液滴模型液滴模型 b b 裂变过程裂变过程 4 4 核裂变过程核裂变过程 靶核俘获中子靶核俘获中子形成复合核形成复合核 复合核退激复合核退激 核裂变核裂变 图2 7 液滴裂变机制示意图 原子核液滴分裂模型原子核液滴分裂模型 裂变临界能 核裂变是中子轰击核裂变是中子轰击 原子核 原子核接原子核 原子核接 受中子后变得不稳受中子后变得不稳 定 从而分裂 定 从而分裂 复合核从变形到分复合核从变形到分 裂需要能量 所需裂需要能量 所需 的最小能量称为裂的最小能量称为裂 变临界能量 变临界能量 材料材料 外部入射的外部入射的 自由中子自由中子 材料的裂变临界材料的裂变临界 能量小于入射中能量小于入射中 子的能量子的能量 复合核复合核 临界能临界能 发生核裂变的最小激发能发生核裂变的最小激发能Ecr critical energy 靶原子核靶原子核复合核的临界裂变能复合核的临界裂变能 Mev 中子的结合能 中子的结合能 Mev 钍钍 2326 55 1 铀铀 2385 54 9 铀铀 2355 36 4 铀铀 2334 66 6 钚钚 2394 06 4 几种核素的临界裂变能几种核素的临界裂变能 易易 裂裂 变变 材材 料料 重核的裂变重核的裂变 临界能量小临界能量小 天然的核燃料天然的核燃料 可转换核素可转换核素 燃料裂变时能量的释放燃料裂变时能量的释放 MeV MeV 易裂变燃料易裂变燃料 233U 190 0 0 5 235U 192 9 0 5 239Pu 198 5 0 8 241Pu 200 3 0 8 可裂变燃料可裂变燃料 232Th 184 2 0 9 234U 188 9 1 0 236U 191 4 0 9 238U 193 9 0 8 237Np 193 6 1 0 238Pu 196 9 0 8 240Pu 196 9 1 0 242Pu 200 0 1 9 天然存在天然存在 裂变能量释放裂变能量释放 nBaKrUnU2 139 56 45 36 236 92 235 92 反应前后的质量变化反应前后的质量变化 裂变前裂变前质量质量 u 裂变后裂变后质量质量 u 235U 235 124 95Kr 94 945 n1 00867 139Ba 138 955 2n2 01734 总计总计236 13267235 917 质量亏损 质量亏损 236 132 67 235 917 0 215 u 200Mev 200Mev 1u的总能量为的总能量为931兆电子伏兆电子伏 4 1 1 4 1 1 235 235铀核裂变裂变能量的释放 铀核裂变裂变能量的释放 Energy MeV Fission fragment kinetic energy80168 Prompt gamma rays47 Neutrons35 Fission product gamma rays47 Beta particles48 Neutrinos512 Total100 207 80 3 4 4 4 5 neutrinos 裂变中放出的能量分布裂变中放出的能量分布 停堆余热计算停堆余热计算 堆芯长期冷却堆芯长期冷却 平均每次裂变的衰变功率与延迟时间的关系 平均每次裂变的衰变功率与延迟时间的关系 2 1 66 2 ttP d Mev s t t为裂变发生后的时间为裂变发生后的时间 若反应堆在功率水平若反应堆在功率水平P P运行了运行了T T秒 则停堆后秒 则停堆后 秒时刻裂秒时刻裂 变产物变产物 射线和射线和 射线释放的总功率为射线释放的总功率为 P P 堆功率水平 堆功率水平 停堆后停堆后 时刻 时刻 10s 100d10s 0 1Mev 热中子热中子 1K 1 超临界 功率增加超临界 功率增加 K 1K 1 临界 临界 功率恒定功率恒定 K 1K 1 次临界 功率降低次临界 功率降低 设计时的保守估计设计时的保守估计 反应堆有限大 定义为反应堆有限大 定义为Keff 可见 可见 Keff k PL PL PL 临界尺寸临界尺寸 临界质量临界质量 几何形状几何形状 中子寿命循环 Neutron life cycle Fission neutron Leak out of system Absorbed in system Absorbed in non fuel Absorbed in fuel Radiative capture Fission PNL PAF Pf n new fission neutrons 1 1 反应堆内中子数目的增减与平衡浓度的决定过程反应堆内中子数目的增减与平衡浓度的决定过程 1 1 铀铀 238238的快中子倍增 的快中子倍增 2 2 燃料吸收热中子引起的裂变 燃料吸收热中子引起的裂变 3 3 慢化剂以及结构材料等物质的辐射俘获 慢化剂以及结构材料等物质的辐射俘获 4 4 慢化过程中的共振吸收 慢化过程中的共振吸收 5 5 中子的泄漏 中子的泄漏 I I 慢化过程中的泄漏慢化过程中的泄漏 II II 热中子扩散过程中的泄漏热中子扩散过程中的泄漏 竞争竞争 2 2 热中子反应堆热中子反应堆 内的中子平衡图内的中子平衡图 举一个例子 循环往复循环往复 20 包括铀包括铀238238核裂变在内所有裂变产生的快中子总数与铀核裂变在内所有裂变产生的快中子总数与铀235235 核热中子裂变产生的快中子数之比核热中子裂变产生的快中子数之比 4 4 逃脱共振吸收几率 逃脱共振吸收几率 在慢化过程中逃脱共振吸收的中子份额就称作逃脱共振在慢化过程中逃脱共振吸收的中子份额就称作逃脱共振 吸收几率吸收几率 慢化到热能区中子数与慢化到热能区中子数与1 1Mev1 1Mev以下以下且留在堆内的快中子且留在堆内的快中子 数之比数之比 5 5 不泄漏几率 不泄漏几率 L L NL NL FN TN 6 6 热中子利用系数热中子利用系数f f 7 7 有效裂变中子数有效裂变中子数 四因子公式四因子公式 快中子倍增因子快中子倍增因子 p p 逃脱共振吸收几率逃脱共振吸收几率 f f 热中子利用系数热中子利用系数 有效裂变中子数有效裂变中子数 热中子裂变产生的快中子数 热中子裂变产生的快中子数 快中子裂变产生的净快中子数 快中子裂变产生的净快中子数 热中子裂变产生的快中子数热中子裂变产生的快中子数 p p 通过共振吸收能量间隔而进入通过共振吸收能量间隔而进入 热能区的中子数热能区的中子数 进入共振能量间进入共振能量间 隔的快中子数隔的快中子数 核燃料吸收热中子所产生的裂核燃料吸收热中子所产生的裂 变中子数变中子数 核燃料吸收的热中子数核燃料吸收的热中子数 无限介质增殖系数无限介质增殖系数 k pf 四因子公式四因子公式 f f 核燃料吸收的热中子数核燃料吸收的热中子数 核燃 核燃 料吸收的热中子数料吸收的热中子数 其它材料吸收其它材料吸收 的热中子数 的热中子数 六因子公式六因子公式 k 无限介质增殖 系数 k pf PL PsPd k keff eff k k P PL L pf P pf Ps sP Pd d 系统内中子的吸收率 系统内中子的产生率 k 不泄漏几率不泄漏几率 系统内中子的泄漏率系统内中子的吸收率 系统内中子的吸收率 L P PNL 63 Six factors formula for a typical thermal reactor 典型的一个热中子反应堆六因子的数值典型的一个热中子反应堆六因子的数值 1 65 0 71 1 02 0 87 0 97 0 99 FNL TNL f p P P 1k 核裂变原理 核裂变原理 裂变能量分配 裂变能量分配 裂变产生的中子 裂变产生的