核反应堆物理分析第一章(11-13)

核反应堆物理分析专业:核工程与核技术[e-mail]目录第一章：核反应堆的核物理基础第二章：单速中子扩散理论第三章：中子慢化与慢化能谱第四章：均匀反应堆的临界理论第六章：反应性随时间的变化第七章：温度效应与反应性控制第八章：核反应堆动力学第一章:核反应堆的核物理基础核反应堆是一种能以可控方式产生自持链式裂变反应的装置。它由核燃料、冷却剂、慢化剂、结构材料和吸收剂等材料组成。链式核反应（nuclearchainreaction）：核反应产物之一能引起同类的反应，从而使该反应能链式地进行的核反应。根据一次反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式反应可分为次临界的、临界的或超临界的三种。1.反应堆（reactor,nuclearreactor）0基本概念研究反应堆内中子行为的科学。有时称neutronics。或：研究、设计反应堆使得裂变反应所产生的中子与俘获反应及泄露所损失的中子相平衡。2.反应堆物理（reactorphysics）结合能(bindingenergy)(a)把一个粒子从一个系统中取出所需的净能量，有时称分离能。(b)把一个系统分解为它的组成粒子所需的净能量。(c)质量亏损的能量当量：3.原子核的特性核结合能除以质量数称为比结合能。核结合能和比结合能是原子核稳定程度的量度，比结合能越大，核越稳定。•原子核平均结合能(比结合能)曲线1各原子核中，每个核子的平均结合能随质量数而变化6-9MeV2中等重量的原子核的比结合能较大释放能量途径:1）重核裂变2）轻核聚合成原子核核的实际质量总是小于它所包含的核子的质量之和。核的激发态(excitedstate)第一节中子与原子核的相互作用中子的主要性质能量En939.5731MeV寿命tn878.5s（堆内？）磁矩mn-1.91304275mN自旋s1/2一.中子的产生分为三大类：同位素中子源，反应堆中子源，加速器中子源。1、同位素中子源：利用核素衰变放出的射线，经或核反应产生中子。优点是体积小，方便。缺点是强度低，能谱复杂。而且，必须注意其活度随时间指数减小：(,n)(,n)tIIe01）源(,n)特性源发射体半衰期发射率(n/)源强度(n/s)*Ra-Be1602y5.02×Po-Be138d6.9×Am-Be433y7.0×Pu-Be87,4y5.7×Cm-Be162d1.06×Ra226Po210Cm244Am241Pu239410510510510410610810源尺度：几cm源尺度：几cm一般8510~10Bq10*10常用的-Be源结构典型Be(,n)源的双层壳结构放射性反应芯发射体＋靶物质不锈钢双层钢壳防泄漏2）－中子源基于两个反应：发射体半衰期能量(MeV)靶n能量(keV)产额(n/s)*15.0h2.7541Be967340,000D263330,000107d1.8361Be152229,0002.73401092.7340D25316940.3h2.5217Be76010,200D1476,600Na24Y88La140MeV)1.666(nBeBehMeV)2.226(nHHh8912结合能结合能球型中子源发射芯(f2.38cm)中子发射靶壳(Be或D)(厚3.2cm)Al包裹壳235U+n→F1+F2+2n+E.3加速器中子源●利用核反应：7Li(p,n)7Be3H(p,n)3He2H(d,n)3He3H(d,n)4He●加速器：静电、回旋●靶：氘、氚气体靶，或固体靶Cu,Mo,Ta等，水冷或气冷Ti膜，0.1-0.4mg/cm2吸附气态氘或氚氚/钛原子比：1.7:1甚至2:1●中子能量：几KeV~20MeV（快中子）●随着吸附的氘、氚的消耗，中子产额下降，中子产额随时间而变●源强量级：1mAd(150keV)，3H(d,n)4He反应的中子产额（新鲜靶）：这在中子应用中已经算是高产额了。n/s105.111回旋加速器的限制能量：102MeV级束流：mA级反应产额(n/粒子)全部中子产额热淀积(MeV/n)T(d,n)(0.2MeV)8×10-51.3×1082500W(e,n)(35MeV)1.7×10-22.7×101020009Be(d,n)(15MeV)1.2×10-21.9×10101200●英国Harwell150MeV回旋加速器中子源(9.6mA)已关闭●美国Nevis385MeV回旋加速器中子源(1.2mA)已关闭p/s101.6μA1124散裂中子源当一个中等能量的质子打到重核（钨、汞等元素）之后会导致重核的不稳定而“蒸发”出20-30个中子，这样重核“裂开”并向各个方向“发散”出相当多的中子，大大提高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中子源（SpallationNeutronSource）。中子的能量不同，它与原子核相互作用的方式、几率也就不同。在反应堆物理分析中通常按中子能量把它们分为：（i）快中子（0.1兆电子伏以上）；（ii）超热中子（1电子伏到0.1兆电子伏）；（iii）热中子（1电子伏以下）。中子的分类常用的中子分类名称能量（eV）温度（K）波长（Å）速度（km/s）波矢（）11.29.04.433.55.27.611.2291.422.3202.055.8133.12236.46.23355.27.65584.09.82.593001.782.2671.23.489.31.03.911.20.94.422.30.22078.11.13.755.81.33.155.84.09.811.22.91.471071041041041031021021031011021041071081031031021021031041061081011101210210210210210310310510510310310110110110110110110210310410510超冷甚冷冷热超热快高能慢热中子波长为1～10ÅI~100meV4102.24108.33109.63108.92106.12101.32108.32109.411.017.020.022.098.0182106.13109.43109.6(Å-1)中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、直接相互作用和复合核的形成。1.2中子与原子核相互作用的机理它是中子波和核表面势相互作用的结果。中子并未进入靶核内部（任何能量中子）。特点：散射前后靶核的内能没有变化。入射中子把它的一部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。势散射时，中子改变了运动的方向和能量。势散射前后中子与靶核系统的动能和动量守恒，所以势散射为一种弹性散射。势散射：入射中子直接与靶核内的核碰撞，使该核子从核里发射出来，中子留在核内。若该核子是质子，即直接相互作用（n,p）反应。若是中子，而靶核发射射线，同时由激发态返回基态，这就是直接非弹性散射过程。入射中子要具有较高的能量才能与原子核发生直接相互作用。核反应堆内高能量中子数量少，不考虑。直接相互作用最重要的中子与原子核的相互作用形式。复合核的形成反应堆内中子与原子核的相互作用可分为两大类：2.1中子的吸收通常不稳定，β衰变结合能+库仑势垒特点：少数轻核才能发生，为何？铀－235核吸收中子后并不一定发生裂变，也可能发生俘获反应生成铀－236。因此反应堆中的铀－235有一部分并不能用来产生能量，裂变/吸收（3）核裂变(fissilenuclide)(fissionablenuclide)共振吸收U-238对超热中子的强烈吸收逃脱共振吸收？2.2中子的散射(Scattering)弹性散射Elasticscattering–(系统)动能不变–（n,n）非弹性散射Inelasticscattering–原子核内部能级被激发–（n,n’）非弹散射为有阈反应，可导致显著的能量损失1）弹性散射：（n，n）反应Elasticscattering中子与原子核的弹性散射过程–中子在散射后，运动方向和动能发生改变–靶核则受到反冲需要轻核作为屏蔽材料–物质的质量数愈大，中子损失的能量愈小–在防护中子辐照时，需要选择质量数较小的轻物质才行势散射Potentialscattering共振弹性散射Resonancescattering)(1XAZnXAZ10nXAZ10vv’nXAZ10nXAZ10在热中子反应堆内，对中子慢化起主要作用的是弹性散射。•散射后靶核的内能没有变化•散射前后动能和动量守恒•类似于“弹性球”式的碰撞•可以通过经典力学的方法来处理2）非弹散射InelasticscatteringnXAZ10)(XAZnXAZ10)(1XAZnXAZ10)(XAZnXAZ10)(XAZnXAZ10)(1XAZnXAZ10)(XAZ在入射过程中，入射中子的一部分动能转变成了靶核的内能，使靶核处于激发态，然后通过放出中子并发射γ射线而返回基态。散射前后系统的动量守恒但是动能不守恒。有阈能的特点。即只有入射的中子能量高于某一阈值时才可能发生非弹性散射。轻核激发态的能量高，重核激发态能量低。但是即使对于U-238，也达到了45keV。因此在热堆中，弹性散射对慢化占主导地位。44宏观与微观世界压水堆内部的微观世界中子的世界在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。中子有多大的可能性和原子核发生反应？第2节中子截面和核反应率2.1微观截面(microscopiccrosssection)I△XI'图1-2-1平行中子束穿过薄靶后的衰减探测器微观截面是表示平均一个入射中子与一个靶核发生相互作用的几率大小的一种度量，它的量纲是面积单位，平方米。截面符号带有下角标s、e、in、γ、f、a和t者，分别表示散射、弹性散射、非弹性散射、辐射俘获、裂变、吸收和总的作用截面。附录4中子束入射到厚靶上Neutronbeamincidentonathicktarget?2.2宏观截面、平均自由程2.2.1宏观截面（∑:macroscopiccrosssection)1定义：一个中子与一立方米内的原子核发生核反应的平均几率大小。朴素的理解：一个中子的微观截面与单位体积内的靶原子核数的乘积：Nσ。2物理意义：未与靶核发生作用的平行中子束强度随进入靶内的深度增加按指数规律衰减.xNeIxIs0∑叫做宏观截面sN衰减速度与核密度和微观截面的乘积有关.一个中子与一立方米内的原子核发生核反应的平均几率大小的一种度量。dxIdINs它也是一个中子穿行单位距离与核发生相互作用的几率大小的一种度量。举例：某种材料的宏观吸收截面Σa＝0．25／cm，那么中子在其中穿过1cm，被该材料的原子核吸收的机会就是？25%计算单位体积内原子核数N中子平均自由程(Neutronmeanfreepath)已知：xteIxI0)(则令P(x)dx表示一个中子在穿行x距离后在x+dx之间发生首次核反应的概率。P(x)dx可以表示为：dxedxxPx)(因为0/)(IXI是入射中子未发生核反应的份额所以xe就是中子穿过x距离未发生核反应的概率中子在x~x+dx之间发生核反应的概率为dx显然有：001)(dxedxxPx中子在介质中运动时，也即与原子核连续两次相互作用之间穿行的平均距离叫做平均自由程，用λ表示米1)(00dxxedxxxPxx根据不同的相互作用，可以定义不同类型的平均自由程ast111显然：平均自由程表示的是中子在介质