核反应堆物理分析第2章中子慢化和慢化能谱

1、第二章中子慢化和慢化能谱 ,学习要求： 本章中公式推导较多，只要求掌握或熟悉部分结论，对过程不做要求。如中子与靶核碰撞后的能量范围、散射函数、平均对数能降、实验室坐标系下的平均散射角余弦、中子温度、热中子的平均吸收截面 需要掌握或熟悉的概念：慢化能力/慢化比、慢化时间/扩散时间、能力自屏效应、能谱硬化,第二章中子慢化和慢化能谱 ,反应堆内裂变中子的平均能量为2 MeV。 由于中子散射碰撞而降低速度的过程成为慢化过程。 热堆内，弹性散射对慢化过程起主要作用。 在慢化过程，热堆内中子密度按能量具有稳定的分布，称之为中子慢化能谱,2.1中子的弹性散射过程,2.1.1 弹性散射时能量的变化,在实验室（

2、L系）和质心系（C系）内中子与核的弹性散射,利用碰撞前后动量和动能守恒： 可得：,实验室系和质心系内散射角的关系,有以上结果可以看出： （1） 碰撞前后中子能量没有损失。 （2） 一次碰撞中中子的最大能量损失为 （3）中子在一次碰撞中损失的最大能量与靶核的质量有关。 A=1，则 =0，Emin=0，即中子与氢碰撞后能量全部 损失掉。 A=235，则 =0.983，Emin=0.02E，即中子与235U碰撞 后能量最大损失约为碰撞前中子能量的2%。所以应该 选择轻核元素作为慢化剂。,2.1.2 散射后中子能量的分布,实验和理论计算（量子力学）表明，对一般的轻元素，当能量E 小于几个MeV时，在质

3、心系内中子的散射是各向同性的，即碰撞后中子在任一立体角内出现的概率相等。 射后能量是均匀分布的，与碰撞后能量无关。,C系内散射角分布,2.1.3 平均对数能降,对数能降 u 定义为： 或 E=E0e-u 其中 E0为选定的参考能量，一般选 E0=2 MeV 或 E0=10 MeV。随中子能量的减小，中子的对数能降在增大，其 变化与能量相反。 一次碰撞后对数能降的增加量为： 由（2-14）式可知，一次碰撞最大的对数能降为,在研究中子的慢化过程时，有一个常用的量，就是每次 碰撞中子能量的自然对数的平均变化值，叫做平均对数能降 在质心系内各向同性的情况下： 积分后可得： 当 A 10,如用Nc 表示

4、中子从能量E1 慢化到能量E2平均碰撞次数，则 使中子能量由2 MeV慢化到0.0253 eV时分别所需要的与H核、 石墨核以及235U核的平均碰撞次数为:,2.1.4 平均散射角余弦,在质心系中中子每次碰撞平均散射角余弦为： 这是预期结果，因为在质心系中中子散射是各向同性。 在实验室系中中子每次碰撞平均散射角余弦为： 由于中子在实验室系和质心系中有对应关系，因此,由（2-16）和（2-19）可得 因而，尽管在质心系是各向同性的，但在实验室系确是 各向异性的，而且在实验室系中子散射后沿它原来运动 方向的概率较大。平均散射角余弦的大小表示了各向异 性的程度。在实验室系平均散射角余弦随着靶核质量数

5、 的减小而增大，靶核的质量越小，中子散射后各向异性 （向前运动）的概率就越大。,2.1.5 慢化剂的选择,反应堆中要求慢化剂具有较大宏观散射截面s和平均对 数能降 。通常把乘积s叫做慢化剂的慢化能力。 我们还要求慢化剂有较小的吸收截面，定义s / a 叫做慢化比。,2.1.6 中子的平均寿命,在无限介质中，裂变中子慢化到热中子所需要的平均时间称为慢化时间。 ts 一般在10-4 到10-6秒量级。 介质中的热中子在自产生至被俘获以前所经历的平均时间，称为扩散时间，热中子的平均寿命。对于1/v介质热中子的平均寿命与中子能量无关。 td 一般在10-2 到10-4秒量级。,Table 2-2 几种

6、慢化剂的慢化和扩散时间 快中子自裂变产生到慢化成为热中子，直到最后被俘获的平均时间，称为中子的平均寿命。,2.3 均匀介质中的共振吸收,当中子能量慢化到100 keV以下中能区，反应堆内的很多 重要的材料如U， Pu， Th 等多表现出强烈的共振吸收 特征，具有很高并且很密集的共振峰。在慢化过程中必 然有一部分中子被共振吸收。共振吸收对反应堆内的链 式反应过程有非常重要的影响。 能量自屏效应：当中子截面呈共振峰形状时，在共振能量附近有很大的增大和剧变，这就导致了中子通量密度急剧下降畸变，出现很大的凹陷，这种现象称为共振的“能量自屏效应”,2.4 热中子能谱和热中子平均截面,2.4 .1 热中子

7、能谱 在压水堆中通常将Ec=0.625 eV定义为分界能或缝合能, Ec能量以下的中子称为热中子。所谓热中子是指中子与所在的介质的原子或分子处于热平衡状态的中子。处于热平衡状态的热中子，它们的能量分布也服从麦克斯韦-波耳兹曼分布，即,T=300K时的麦克斯韦-玻尔兹曼分布示意图,实际上，热中子的能谱分布与介质原子核的麦克斯韦并不完全相同。因为： 在反应堆中，所有的热中子都是从高能慢化而来，然后与介质达到热平衡，这样子较高能区的中子数就较多。 由于介质也要吸收中子，因此必然有一部分中子还没有 慢化成热中子以前就被介质吸收了，其结果又造成了能量较低部分的中子份额减少，高能中子的份额较大。 这一现象

8、称为热中子能谱的“硬化”。 精确计算热中子能谱是比较复杂问题，因为在处理能量低于1电子伏的中子与慢化剂核的散射时已不能把慢化剂核看成静止的，自由的，必须考虑到慢化剂核的热运动等因素。,在实际计算中，可以近似认为热中子能谱仍然具有麦克斯韦的分布的形式只是热中子最概然能量En=kTn/2比介质原子核的最概然Em=kTm/2要高。 这相当于把介质的麦克斯韦分布谱向右移动，使Tm 增大到Tn。 Tn称为中子温度，中子温度的数值一般要比介质温度高。 中子温度高于介质温度的差值将随着介质慢化能力的减少和吸收截面的增加而增大，Tn 与Tm的关系可近似地 用以下公式表达：,热中子能谱的“硬化” 1温度为TM时

9、介质原子核的能谱 （麦克斯韦谱）； 2实际的热中子谱； 3中子温度为Tn时的麦克斯韦谱,s 为栅元或介质的慢化能力；a(kTm) 为中子能量等于 kTm的栅元或介质的宏观吸收截面；Tm 为介质温度。假定 栅元或介质内各元素核的吸收截面服从1/v率，则： 对于一些弱吸收的纯慢化剂，中子温度可以用以下近似公 式计算： 当 A25时，0 25时， 其中,热中子反应堆内中子能谱分布,高能区（能量大于0.1 MeV）, 中子能谱近似地可以用裂变中 子谱来描述。 在慢化区，中子能量密度的能 谱近似按照1/E规律变化。 在热能区，中子的能谱可以用 麦克斯韦分布谱近似描述。,反应堆中子能谱示意图,2.4 .2 热中子的平均截面,为了便于计算,我们需要将处于热能区得中子视为一群, 需 要计算出热中子的平均截面, 我们认为热中子的能谱是硬 化后的麦克斯韦分布,由(