第1章核反应堆的核物理基础.ppt

1、主讲人：张 彪 2020年8月3日,核反应堆物理,核反应堆的核物理基础,第1章 核反应堆的核物理基础,主要内容,基本概念 中子与原子核的相互作用 中子截面和核反应率 共振吸收 核裂变过程 链式裂变反应,1. 基本概念,核素：一般把具有相同质子数Z、中子数N的一类原子（或原子核）称为一种核素。 同位素：具有相同质子数，不同中子数的核素称为同位素。 原子核的能级：能量最小的状态称为基态，能量较大的状态称为激发态，激发态一般是不稳定的（寿命很短）。,第1章 核反应堆的核物理基础,1. 基本概念,半衰期：某种放射性核素数目减少一半所需要的时间，T1/2 = ln2/l。 丰度：设样品中有一种元素，此元

2、素有若干种同位素，某种同位素的原子数目在该元素原子总数中所占的份额。 富集度：某种同位素的重量在该元素总重量中所占的份额，称为这种同位素的富集度。,第1章 核反应堆的核物理基础,2. 中子与原子核的相互作用,中子：中子是组成原子核的核子之一，中子不带电，它与原子核不存在库仑相互作用，它亦不能产生初级电离。 自由中子的不稳定，可衰变转变成质子，半衰期为10.6min，在热中子反应堆中瞬发中子的寿命约为10-3 10-4 s。 中子静止质量为1.675E-27kg，工程计算中常取1u。,第1章 核反应堆的核物理基础,2. 中子与原子核的相互作用,中子的波粒二象性：除非对于能量非常低的中子，一般在反

3、应堆中讨论中子的运动和原子核的相互作用时，把中子作为一个粒子来描述。 中子按照能量划分： 快中子：E1keV 超热中子：1eVE1keV 热中子：E1eV,第1章 核反应堆的核物理基础,2. 中子与原子核的相互作用,中子与原子核相互作用,第1章 核反应堆的核物理基础,2. 中子与原子核的相互作用,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,微观截面：表示平均一个给定能量的入射中子与一个靶核发生作用的概率大小的一种度量。,第1章 核反应堆的核物理基础,I = I - I = -INx,单位：m2，1 barn=10-28m2 下标：t, s, a, e, in, f, ,3. 中子截

4、面和核反应率,宏观截面：表示平均一个给定能量的入射中子与单位体积内所有原子核发生作用的概率大小的一种度量。,第1章 核反应堆的核物理基础,dI = -INdx x = 0, I(x) = I0,3. 中子截面和核反应率,例：水的密度为103kg/m3，已知能量为0.0253eV的中子与氢核和氧核的微观吸收截面分别为0.333b和0.0001b，请计算出水的宏观吸收截面。,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,例：设UO2的密度为10.42103kg/m3，235U的富集度=3%能量为0.0253eV中子与235U作用的微观吸收截面为680.9b，238U为2.7b, O为2.

5、710-4b，试求UO2的宏观吸收截面。,第1章 核反应堆的核物理基础,穿行x仍未发生作用的几率 首次发生作用的几率 平均自由程,3. 中子截面和核反应率,平均自由程：中子在介质中运动时，与原子核连续两次相互作用之间穿过的平均距离。,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,核反应率：每秒每单位体积内中子与介质原子核发生作用的总次数（统计平均值）。 中子通量密度：某点处中子密度与相应中子速度的乘积，表示单位体积内所有中子在单位时间内穿行距离的总和。,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,由于实际计算中经常是在某个能量区间的截面，因此引入平均截面的概念，需保证核反

6、应率守恒。,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,反应截面随中子能量的变化规律，大致可以分为三个区域。 低能区（E1keV）：截面较小，变化平缓,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,吸收截面： 低能区：对于多数轻核，在中子能量从热能一直到几个keV甚至MeV的范围内，其吸收截面都近似按照1/v规律变化；对于重核和中等质量的核，在低能区其吸收截面偏离1/v规律，故要进行非1/v修正。,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,吸收截面： 中能区：对于重核有强烈的共振吸收，对于轻核第一激发态能量高，在高能区发生共振。,第1章 核反应堆的核物理基础

7、,高能区：共振峰间距变小，开始重叠以至于不能分辨，变化缓慢平滑。,3. 中子截面和核反应率,散射截面： 非弹性散射：有阈能特点，超过阈能后随着中子能量的增加而增加。 弹性散射：多数元素在低能区都是弹性散射，基本为常数，在高能区出现共振现象。,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,裂变截面：没有规律,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,俘获裂变比：辐射俘获截面与辐射裂变截面之比， = /f。,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,有效裂变中子数：燃料核每吸收一个中子后平均放出的中子数， = f / a = / (1+) 。,第1章 核反应堆

8、的核物理基础,3. 中子截面和核反应率,核数据库：核科学技术研究和核工程设计所必须的基本数据的集合。 评价核数据库： 美国ENDF 欧洲JEF 日本JENDL 俄罗斯BROND 中国CENDL,第1章 核反应堆的核物理基础,随堂练习,某压水堆采用UO2作为燃料，235U富集度为2.43%，密度为104kg/m3，试计算能量为0.01eV时， UO2的宏观吸收截面和宏观裂变截面。（已知：在0.0253eV时， 235U 、 238U、 O的微观吸收截面分别是680.9b、2.7b、0.00027b， 235U 的裂变截面为583.5b）,第1章 核反应堆的核物理基础,4. 共振吸收,共振现象：中

9、子从高能区逐步慢化到低能区，中间要通过中能区，有很多的窄而高的吸收峰。,第1章 核反应堆的核物理基础,4. 共振吸收,如何描述共振： 1. 在曲线上的共振峰附近，逐点给出的截面值； 2. 用数学方法将上述数据拟合成公式；,第1章 核反应堆的核物理基础,3. 根据物理原理，推导出描述共振峰的公式；,4. 共振吸收,多普勒效应： 由于靶核的热运动随温度的增加而增加，这时共振峰的宽度将随着温度的上升而展宽，同时峰值也在变小，这种效应称为多普勒效应。,第1章 核反应堆的核物理基础,5. 核裂变过程,裂变能的释放：,第1章 核反应堆的核物理基础,5. 核裂变过程,反应堆的功率与中子通量密度之间的关系：,

10、第1章 核反应堆的核物理基础,次235U核裂变放出的能量,堆芯任一点r处单位体积内的功率密度q(r),只考虑热中子引起的235U的裂变，反应堆的功率为,5. 核裂变过程,例：一座压水堆的热功率为2800MW，电站年负荷因子为0.85，235U的平均俘获裂变比为0.169，试估算每年消耗的235U的质量。,第1章 核反应堆的核物理基础,5. 核裂变过程,裂变产物：裂变碎片以及他们的衰变产物叫做裂变产物。 80多种碎片，质量数在72161之间， 有毒素也有半衰期很长和放射性很强的产物。,第1章 核反应堆的核物理基础,5. 核裂变过程,裂变中子： 瞬发中子：裂变反应产生的99%以上的中子是在裂变瞬间

11、(10-14s)发射出来的。,第1章 核反应堆的核物理基础,裂变中子数经验公式,裂变中子能谱,5. 核裂变过程,裂变中子： 缓发中子：裂变中还有不到1%（大约0.65%）的中子是在裂变碎片衰变过程中发射出来的。分成6组，它的中子特性见下表。,第1章 核反应堆的核物理基础,6. 链式裂变反应,自持式裂变反应：不再依靠外界的作用而使裂变反应不断进行下去的裂变反应。,第1章 核反应堆的核物理基础,6. 链式裂变反应,有效增殖因数keff：对于给定系统，新生一代的中子数和产生它的直属上代中子数之比。,第1章 核反应堆的核物理基础,实际问题中经常用中子的平衡关系来定义系统的有效增殖因素。,6. 链式裂变反应,临界系统： keff 1 ：超临界系统； keff = 1 ：临界系统； keff 1 ：次临界系统；,第1章 核反应堆的核物理基础,不泄露概率： keff = k ,6. 链式裂变反应,热堆的中子循环：,第1章 核反应堆的核物理基础,快中子增殖因素： = 105/100 = 1.05 慢化过程不泄露概率s： s = 100/105 = 0.952 逃脱共振俘获概率p： p = 90/100 = 0.9,6. 链式裂变反应,热堆的中子循环： 热中子不泄