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第二章 核物理基础 核反应堆工程概论 一 原子与原子核 原子与原子核原子核的组成及属性 电 质量 尺寸 同位素及核素的表示符号原子核的能级状态 激发态原子核的稳定性 衰变与衰变规律Alpha Beta Gamma衰变衰变常数 半衰期 平均寿命放射性活度及其单位原子核内核子间的作用力结合能与比结合能质量亏损裂变能与聚变能 二 中子核反应 1 2 1弹性散射中子与靶核碰撞过程中 动能 动量守恒 靶核的能级状态没有改变 相当于两个弹性球的碰撞过程 碰撞后 中子的能量和运动方向均有所改变 中子的弹性散射更易于发生在与质量数较小的原子核的碰撞过程中 弹性散射是反应堆中 特别是热中子反应堆中的一种主要中子核反应类型 所谓热中子即运动速度慢的中子 热中子反应堆中主要是热中子引发裂变 中子从快中子到热中子的过程主要是依靠与轻核的弹性碰撞而损失能量 二 中子核反应 2 2 2非弹性散射类似于弹性散射 但是靶核的能级状态有所升高 碰撞后 中子的能量和运动方向均有所改变 伴随着靶核的 衰变 高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射 二 中子核反应 3 2 3中子俘获反应中子撞击靶核 被靶核所吸收 俘获 靶核的能级状态升高 因此通常伴随着 衰变 这类反应在反应堆中通常相当于损失中子 反应堆中一般情况下不希望看到中子损失 但是 通常是利用某些吸收中子能力很强的材料来实现反应堆的控制 另外 某些不裂变材料的靶核吸收中子后最终可以部分地转化为可裂变材料 转化比与增殖比 为人工制造可裂变材料提供了途径 238U n 239U 239Np 239Pu232Th n 233Th 233Pa 233U 二 中子核反应 4 2 4裂变反应 1 中子撞击靶核 被靶核所吸收 俘获之后 靶核变成了两个碎片 其他物质的原子核 同时释放出2 3个中子和能量 结合能 并非所有的物质与中子作用都可以发生裂变 自然界中存在的物质只有235U与中子作用可以发生裂变反应 人工制造的裂变材料包括233U 239U 241Pu等 通过比较裂变临界能 Ecr 与靶核吸收一个中子所释放的结合能 Eb 来认定易裂变核素 如235U 与可裂变核素 如238U 二 中子核反应 5 2 4裂变反应 2 裂变能量 每次裂变释放的能量约为200 210MeV 主要靠裂变碎片以动能的形式载带 85 其他15 都是通过各种射线载带的 n 所载带的能量基本都可以得到利用 二 中子核反应 6 2 4裂变反应 3 裂变释放的中子 每次裂变平均释放出2 3个中子 释放出的中子为快中子 平均能量约为2MeV 绝大部分中子是伴随着裂变而瞬时释放的 称为瞬发中子 很少一部分中子是裂变后延时释放出来的 称为缓发中子 缓发中子的份额虽然不到1 但它使得反应堆的控制成为可能 反应堆若维持临界 稳定地运行 每次裂变释放的中子中应有一个中子去引发下一次裂变 233U在热堆中有优越性 239Pu则更有利于快中子增殖堆 二 中子核反应 7 2 4裂变反应 4 裂变产物 裂变产物有很多种 裂变产物原子核在达到稳定状态之前 都伴随着 衰变 释放衰变热 反应堆停堆以后 与裂变直接相关的能量释放停止了 但裂变产物的衰变热继续存在 反应堆停堆后衰变热的冷却是反应堆安全最棘手的问题 与事故后衰变热冷却相关的系统要求具有非常高的可靠性 二 中子核反应 8 2 5中子核反应的数学描述 1 一般情况下 某种物质的原子核与中子发生核反应不仅限于一种可能性 如 235U即可发生裂变反应 也可发生俘获反应 H即可发生弹性散射 也可发生中子吸收 二 中子核反应 9 2 5中子核反应的数学描述 2 反应率 单位时间 单位体积内发生某种核反应的次数 是反应堆工程中最关心的量 R N nv cm 3sec 1 令 N 则R nv nv 1 nv N 物质原子核密度 cm 3n 中子密度 cm 3v 中子飞行速度 cm sec 微观截面 RN 1n 1v 1 cm2 宏观截面 cm 3cm2 cm 1 1 平均自由程 cm 二 中子核反应 10 2 5中子核反应的数学描述 3 截面 如上 中子核反应的截面有微观截面和宏观截面之分 重要的是微观截面 某种材料的微观截面是该材料的固有特性 相当于 物性 微观截面实际上是某种物质的原子核与中子发生某种核反应之概率的一种描述 一般情况下 微观截面与入射中子的能量有很强的复杂依赖关系 只能通过试验测得 例 C的散射截面 U 235的裂变截面 截面的共振特性 共振峰 入射中子取某些能量值时 发生某种核反应的概率明显增加 出现峰值 238U转化成239Pu主要依靠共振吸收 微观截面单位 靶 barn 1barn 10 24cm2 二 中子核反应 11