核反应堆工程概论第2章

1、核能技术设计研究院第二章：核物理基础第二章：核物理基础核反应堆工程概论核反应堆工程概论2第二章：核物理基础第二章：核物理基础一、原子与原子核一、原子与原子核二、中子核反应二、中子核反应3一、原子与原子核一、原子与原子核 1.原子与原子核原子与原子核2.原子核的组成及属性原子核的组成及属性(电、质量、尺寸电、质量、尺寸)3.同位素及核素的表示符号同位素及核素的表示符号4.原子核的能级状态，激发态原子核的能级状态，激发态5.原子核的稳定性，衰变与衰变规律原子核的稳定性，衰变与衰变规律6.Alpha、Beta、Gamma衰变衰变7.衰变常数、半衰期、平均寿命衰变常数、半衰期、平均寿命8.放射性活度及

2、其单位放射性活度及其单位9.原子核内核子间的作用力原子核内核子间的作用力10.结合能与比结合能结合能与比结合能11.质量亏损质量亏损12.裂变能与聚变能裂变能与聚变能4原子与原子核原子与原子核物质存在的物理状态物质存在的物理状态元素：元素：92种天然元素，种天然元素，12种人工元素。种人工元素。原子结构：原子结构：原子核：正电，半径为原子核：正电，半径为10-12 10-13 cm电子：负电，质量为电子：负电，质量为1/1840u 1u1.660538710-27kg5原子核的组成及属性原子核的组成及属性原子核组成：原子核组成：质子：正电，质量为质子：正电，质量为1u1u中子：不带电，质量为中

3、子：不带电，质量为1u1u6同位素及核素同位素及核素n质子数相同而中子数不同质子数相同而中子数不同2 81 52 91 53 01 53 11 53 21 53 31 53 41 5PPPPPPP7原子核的能级状态原子核的能级状态n原子核内部的能量是量子化的。原子核内部的能量是量子化的。n原子核可以处于不同的分立的能级状态原子核可以处于不同的分立的能级状态n基态基态n激发态激发态8原子核的能级状态原子核的能级状态9145Tb的高自旋态能级纲图的高自旋态能级纲图10衰变与衰变规律衰变与衰变规律n衰变：衰变： 原子核自发地放射出原子核自发地放射出和和等粒子而发生的转等粒子而发生的转变变 Alpha

4、、Beta、Gamma衰变衰变n衰变规律：衰变规律： 指数规律：指数规律：0tNN e11放射性活度放射性活度 定义：定义：一定量放射性物质（核素）单位时间内发一定量放射性物质（核素）单位时间内发生的核衰变数，称为该物质（核素）的放射性活度生的核衰变数，称为该物质（核素）的放射性活度。 单位（单位（SI）：贝克勒尔、贝克，）：贝克勒尔、贝克，Bq，任何放射性，任何放射性物质每秒发生物质每秒发生1次衰变的放射性活度为次衰变的放射性活度为1贝克。贝克。 1 Bq1 s-1 放射性活度老的专用单位是居里（放射性活度老的专用单位是居里（Ci），任何放射），任何放射性物质每秒发生性物质每秒发生3.710

5、10次衰变的放射性活度称为次衰变的放射性活度称为1居里。居里。 1 Ci 3.71010 Bq 注意：注意：贝克指的是衰变率，而不是每秒发射的粒子贝克指的是衰变率，而不是每秒发射的粒子数。数。(一次衰变未必只放出一个粒子一次衰变未必只放出一个粒子)12原子核内核子间的作用力原子核内核子间的作用力13结合能与比结合能结合能与比结合能n原子核的质量比组成它的核子的总质量小，原子核的质量比组成它的核子的总质量小，表明由自由核子结合而成原子核的时候，表明由自由核子结合而成原子核的时候，有能量释放出来，有能量释放出来，这种由自由核子组成原这种由自由核子组成原子核所释放的能量称为原子核的结合能子核所释放的

6、能量称为原子核的结合能。n原子核平均每个核子的结合能又称比结合原子核平均每个核子的结合能又称比结合能。能。n比结合能曲线。比结合能曲线。14比结合能曲线比结合能曲线15中子中子中子的静止质量：中子的静止质量： m=1.674954310-27kg =1.0086650 原子质量单位原子质量单位 I 快中子（快中子（0.1MeV) II 超热中子（超热中子（1eV- 0.1MeV) III 热中子（热中子（1eV)中子和原子核的作用：中子和原子核的作用： 弹性散射弹性散射 非弹性散射非弹性散射 辐射俘获辐射俘获 核裂变核裂变( , )n( , )( , )nn p( , )n f162.1 弹性

7、散射弹性散射 中子与靶核碰撞过程中，动能、动量守恒，靶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。小的原子核的碰撞过程中。弹性散射是反应堆中，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特别是热中子反应堆中的一种主要中子核反应类型型。所谓热中子即运动速度慢的中子。热中子反。所谓热中子即运动速度慢的中子。热中子

8、反应堆中主要是热中子引发裂变。应堆中主要是热中子引发裂变。中子从快中子到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热中子的过程主要是依靠与轻核的弹性碰撞而损失能量。失能量。二、中子核反应二、中子核反应172.2 非弹性散射非弹性散射 类似于弹性散射，但是靶核的能级状类似于弹性散射，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。伴随着靶核的动方向均有所改变。伴随着靶核的衰衰变。变。高能中子与重核的散射反应主要是高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射非弹性散射。二、中子核反应二、中子核反应182.3 中子俘获反应中子俘获反应

9、中子撞击靶核，被靶核所吸收中子撞击靶核，被靶核所吸收/俘获。靶核俘获。靶核的能级状态升高，因此通常伴随着的能级状态升高，因此通常伴随着、衰变。衰变。这类反应在反应堆中通常相当于损失中子。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。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化为可裂变材料(转化比与增殖比转化比与增殖比)，为人工，为

10、人工制造可裂变材料提供了途径：制造可裂变材料提供了途径： 238U n 239U 239Np 239Pu 232Th n 233Th 233Pa 233U二、中子核反应二、中子核反应192.4 裂变反应裂变反应 (1) 中子撞击靶核，被靶核所吸收中子撞击靶核，被靶核所吸收/俘获之后，俘获之后，靶核变成了两个碎片（其他物质的原子核），靶核变成了两个碎片（其他物质的原子核），同时释放出同时释放出23个中子和能量（结合能）。并个中子和能量（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然界中存在的物质只有235U与中子作用可以发与中子

11、作用可以发生裂变反应。人工制造的裂变材料包括生裂变反应。人工制造的裂变材料包括233U、239Pu等。通过比较裂变临界能等。通过比较裂变临界能(Ecr)与靶核吸收与靶核吸收一个中子所释放的结合能一个中子所释放的结合能(Eb)来认定易裂变核来认定易裂变核素素(如如235U)与可裂变核素与可裂变核素(如如238U)。二、中子核反应二、中子核反应20裂变碎片裂变碎片212.4 裂变反应裂变反应 (2) 裂变能量：裂变能量：每次裂变释放的能量约为每次裂变释放的能量约为200210MeV，主要靠裂变碎片以动能的，主要靠裂变碎片以动能的形式载带形式载带(85%)。其他。其他15都是通过各都是通过各种射线载

12、带的。种射线载带的。n、所载带的能量基所载带的能量基本都可以得到利用。本都可以得到利用。 二、中子核反应二、中子核反应222.4 裂变反应裂变反应 (3) 裂变释放的中子：裂变释放的中子：每次裂变平均释放出每次裂变平均释放出23个中子。释放出的中子为快中子，平均能量约为个中子。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。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。时释放出来的，称为缓发中子。缓发中子的份额缓发中子的份额虽然不到虽然不到1，但它使得反应堆的控制

13、成为可能。，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。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，在热堆中有优越性，239Pu则更有利于快中子增殖则更有利于快中子增殖堆。堆。二、中子核反应二、中子核反应232.4 裂变反应裂变反应 (4) 裂变产物：裂变产物有很多种。裂变裂变产物：裂变产物有很多种。裂变产物原子核在达到稳定状态之前，都伴随产物原子核在达到稳定状态之前，都伴随着着、衰变，释放衰变热。反应堆停堆以衰变，释放衰变热。反应堆停堆以后，与裂变直接相关的能量释放

14、停止了，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。反应堆停但裂变产物的衰变热继续存在。反应堆停堆后堆后衰变热衰变热的冷却是反应堆安全最棘手的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。求具有非常高的可靠性。 二、中子核反应二、中子核反应242.5 中子核反应的数学描述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，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，也可发生俘获反即可发生裂变反应，也可发生俘获

15、反应。应。H即可发生弹性散射，也可发生中子即可发生弹性散射，也可发生中子吸收。吸收。 二、中子核反应二、中子核反应252.5 中子核反应的数学描述中子核反应的数学描述(2) 反应率反应率： 单位时间、单位体积内发生某种核反单位时间、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。应的次数，是反应堆工程中最关心的量。R N n v (cm-3 sec-1) 令令 N ，则，则 R n v n v /-1 n v/ N：物质原子核密度，：物质原子核密度，cm-3n：中子密度，：中子密度，cm-3v：中子飞行速度，：中子飞行速度，cm/sec：微观截面，：微观截面， R N-1n-1v-1

16、 = cm2：宏观截面，：宏观截面， cm-3 cm2 = cm-1 =-1：平均自由程，：平均自由程， cm 二、中子核反应二、中子核反应262.5 2.5 中子核反应的数学描述中子核反应的数学描述(3) (3) 截面截面: :中子核反应的截面有微观截面和宏观截面之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，相当于是该材料的固有特性，相当于“物性物性”。微观。微观截面实际上是某种物质的原子核与中子发生某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：系，只能通过试验测得。例：C C的散射截面，的散射截面，U-U-235235的裂变截面。的裂变截面。截面的共振特性截面的共振特性( (共振峰共振峰) )：入：入射中子取某些能量值时，发生某种核反应的概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。率明显增加，出现峰值。238238U U转化成转化成239239PuPu主要依主要依靠共振吸收。靠共振吸收。 微观截面单位：微观截面单位：靶靶(barn)(barn)，1 barn=101 barn=10-