华北电力大学-核反应堆物理分析-第1章-核反应堆的核物理基础

1核反应堆的核物理基础2Contents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3核反应堆：一种能以可控方式实现自续链式核反应的装置按原子核产生能量的方式：分为裂变反应堆、聚变反应堆、聚变裂变混合堆、次临界反应堆等一、基本概念4核裂变反应堆分类：–按用途分：生产堆、实验堆、动力堆–按冷却剂或慢化剂分：轻水堆、重水堆、气冷堆、液态金属冷却快中子堆–按引起裂变反应的中子能量分：热中子堆、快中子堆5–按发展历程分：•第一代：20世纪50年代建造的原型堆•第二代：20世纪60/70年代建造的商业机组•第三代：20世纪90年代开始设计研究的先进型核电厂：AP1000、EPR•第四代：基于经济性、安全性、减少核废物及防止核扩散考虑的新一代核系统，6种潜在堆型：超高温堆、超临界水冷堆、熔盐堆、气冷快堆、钠冷快堆、铅冷快堆6核素，同位素•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。•具有相同质子数，不同中子数的核素称为同位素。例如，天然氧中含有氧-16,氧-17,氧-18三种不同的核素。它们的原子核中都含有８个质子，因而是同位素。7质量亏损自由质子和自由中子结合成原子核时，要发生质量亏损。也就是说，原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量。例:Al－27的原子核含有13个质子和14个中子，其质量为26.9744amu而13个质子和14个中子的质量为27.2159amu亏损的质量:0.2415amu8结合能•亏损的质量转化为能量释放出来，这一部分能量称为结合能。•据爱因斯坦质能关系公式，1ｕ相当于931.5Mev,上例中的结合能是0.2415*931.5=224.9MeV2Emc9平均结合能•平均到原子核中每个核子的结合能称为平均结合能（也称为比结合能）。上例中的平均结合能是8.33Mev•平均结合能越大，原子核结合得越牢固。1011裂变和聚变•从上图中可以看到，轻核的平均结合能较小，重核的平均结合能也较小，中等质量核的平均结合能较大。因此：两个轻核聚合为一个核时，可以放出能量一个重核分裂为两个中等质量核时，可以放出能量。12原子核的能态（能级）在学习大学物理时，我们就知道，核外的电子可以处于不同的能量状态（能级/轨道）,受到激发的电子可以从低能级跃迁到高能级，也可以从高能级跳回低能级，同时释放能量。原子核也可以处于不同的能量状态。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）。13放射性核素的衰变规律•单位时间内发生衰变的放射性核的数目与该时刻存有的该种放射性核的数目成正比。dNNdt　称为衰变常数,它与时间无关，与核素的化学状态、温度、压力等因素都无关。1400()()(0)()()tdNtNtdtNNNtNe初始条件15放射性核的平均寿命1tt平均寿命是衰变常数的倒数例如　＝0.02/s则　　　＝　50ｓ16半衰期121212120012/21/22ln2TTTTNeNeeT某种放射性核的数目减少一半所需要的时间称为该种放射性核的半衰期,一般用表示17放射性活度•某放射性样品，其在单位时间内发生的衰变次数，称为该样品的的活度。•活度的单位：贝可，居里10１贝可＝１次衰变/秒１居里＝3.710贝可N活度＝18例子：•人体中大约含有0.2%的钾，钾－４０在天然钾中的丰度为0.0117%,其半衰期为12.77亿年。求体重７５公斤的人体内的放射性活度。•实际上人体中还含有１８％的碳，天然碳中放射性碳-14的丰度为1.2E-12,其半衰期为5730年。考虑此因素后，人体内的放射性活度大约是19考古断代－碳14•由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分放射性的碳－14。活的植物由于不断进行光合作用和新陈代谢，其体内的碳中的碳14含量与大气中相同。死的植物停止了光合作用和新陈代谢，其体内的碳－14核由于不断衰变，含量越来越少。因此今天挖掘出来古代植物遗体内，碳中碳14的含量，低于大气中的含量。200,14121214　　　　　　　　例题假定在活的植物体内　　C与　C的原子数之比是1.2:1　C的半衰期是５７３０年。考古工作者将某古代遗址中的一块木头碳化后，测得每克碳的放射性活度为3.5次/分，试估算此古代遗址的年代。21221210101210105.01835.01831.2106.022100.6930.6932.30110/573036524606.022102.30110/13.8/3.5T2322-活体植物中一克碳中的碳原子数目是6.02210/12＝10个其中的碳-14原子数目是10＝个碳-14的衰变常数＝＝＝分碳-14的活度是分＝次分=13.8e13.8/3.5/11343t从次分下降到次分，需要经过的时间是年。22丰度和富集度设样品中有一种元素，此元素有若干种同位素。•某种同位素的原子数目在该元素原子总数中所占的份额，称为这种同位素的丰度。•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。丰度和富集度一般都用百分比表示。23例如：在天然铀中，主要有铀235和铀238两种同位素。•铀235的丰度是：0.72%•铀235的富集度是：0.712%为什么富集度的值小于丰度的值？24•1.1.1中子特性–原子核由质子和中子两种核子组成(氢核？)–静止质量：1.675E-27kg，工程计算取为1u–中子属性：不带电荷，不产生初级电离–自由中子(freeneutron)：不稳定（T1/2=10.6min）→质子+电子二、中子与原子核的相互作用裂变放出的中子寿命约10-4~10-3s10.6min,所以在反应堆物理中不考虑中子的衰变25中子波粒二象性：粒子性和波动性•约化波长：•E=1MeV/0.01eV,约化波长为?/?•氢原子直径：~10-10mmE121055.4在反应堆物理中将中子作为一个粒子来描述26•中子分类（按能量）：•快中子(fastneutron)：E0.1MeV•超热中子(epithermalneutron)：1eVE0.1MeV•热中子(thermalneutron)：E1eV(屏蔽、剂量学上的能量分界与上有所差别)271.1.2中子与原子核相互作用机理中子与原子核的相互作用方式势散射直接相互作用复合核的形成281.1.2中子与原子核相互作用机理势散射中子波与核表面势相互作用的结果，中子并未进入靶核。任何能量的中子都有可能引起这种反应。特点：散射前后靶核内能没有变化。入射中子把它的一部份或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。势散射后，中子改变了运动方向和能量。势散射前后中子与靶核系统的动能和动量守恒，势散射是一种弹性散射。291.1.2中子与原子核相互作用机理直接相互作用入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使其从核里发射出来，而中子却留在了靶核内的核反应。如果从靶核中发射出来的核子是质子，这就是直接相互作用的（n,p）反应;如果从核里发射出来的核子是中子，同时靶核由激发态返回基态放出射线，就是直接非弹性散射过程。由于入射中子必须要有较高的能量才能与原子核发射直接相互作用（阈能），而在核反应堆内具有那样高能量的中子数量很少，所以在反应堆物理分析中，这种直接相互作用不重要。30复合核的形成:第一阶段：复合核的形成第二阶段：复合核的衰变分解31复合核的各种衰变方式121211*10011*1*0011*1011*10011*101111*302()()()()23()(,)()AAAZZZAAAZZZAAAZZZAAAAZZZZAAAZZZAAAZZZnXXnXnXXnXnXXXnXXXXnnXXXHnpnXXX＋－复合弹性散射（）非弹性散射＋辐射俘获＋＋（）裂变反应42(,)Hen反应3233根据中子与靶核相互作用结果的不同，将中子与原子核作用分为吸收散射弹性散射非弹性散射辐射俘获核裂变(n,p)反应(n,)反应……根据中子与原子核的相互作用方式，分为势散射直接相互作用复合核的形成341.1.3中子的散射散射弹性散射非弹性散射中子被吸收形成处于激发态的复合核，入射中子把一部分动能转变为靶核的内能，靶核通过放出中子并发射射线而返回基态。散射前后中子与靶核系统动量守恒，但动能不守恒。非弹性散射具有阈能的特点：在中子所有能量范围内都有可能发生分为：共振弹性散射、势散射中子-靶核系统动能和动量守恒，可看作“弹性球”式碰撞，用经典力学方法处理。在热中子反应堆中，对中子从高能慢化到低能的过程中起主要作用的是弹性散射。351.1.4中子的吸收中子的吸收辐射俘获（n,）(n,p)、(n,)等反应称为带电粒子反应核裂变36核裂变一个重原子核分裂成两个（在少数情况下，可分裂成三个或更多个）质量为同一量级的碎片的现象，通常伴随着发射中子及γ射线，在少数情况下也发射轻带电粒子。易裂变核素：与各种能量中子均能发生裂变，并且在低能中子作用下发生裂变的可能性较大，如：233U,235U,239Pu,241Pu等；可裂变核素：在能量高于某一阈值的中子作用下才发生裂变的核素，如：232Th，238U，240Pu等37辐射俘获（n,）可在所有能区发生，低能中子与中等质量核(30A90)、重核(A90)易发生（核燃料增值/转换）38带电粒子反应(n,p)、(n,)等反应称为带电粒子反应39223(/)1/'-'IcmscmxNcmIIII用一束强度为中子的平行中子束去轰击一个面积为、厚度为的薄靶，薄靶材料的为（个），平行中子束经过薄靶以后强度减为，记＝，是中子核密束流薄靶的实验:度变化量。三、中子截面和核反应率40WHYIINxIINx实验发现：即＝入射中子越多，靶中的原子核越多，中子与原子核发生相互作用（吸收或散射）的机会也越多。这一规律，只是在靶很薄的时候才成立。？41为比例常数，即微观截面（Microscopiccrosssection）–物理含义：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。–单位：m2;常用单位：“巴恩”(简称“巴”，缩写为b)1b=10-28m2=10-24cm242,,,2af,,,2,,,2)tsafnpnnntsannpnnnpnnnｃ总截面，散射截面，吸收截面或俘获截面，裂变截面（）反应截面，（）反应截面（反应截面。＝＋＝＋＋＋＋＋...43宏观截面将(1-12)式改写成微分形式dI=-NIdx,对x坐标积分，得靶厚度为x处未经碰撞的平行中子束强度为：I(x)=I0exp(-Nx)平行中子束的衰减速度与乘积N有关，通常写为：=N即宏观截面。44宏观截面物理含义：=N：表征了一个中子与单位体积内的原子核发生相互作用的概率大小=-(dI/I)/dx：表征了一个中子在穿行单位距离与核发生相互作用的概率大小单位：m-1，但目前通常使用cm-145•某种材料的宏观吸收截面Σa＝0.25/cm，那么中子在此材料中飞行1cm，被该材料吸收的概率为0.25•对于宏观截面，也有•Σt＝Σs＋Σa•Σa＝Σf＋Σγ＋…例子：46宏观截面的计算=N4748例题：P1049平均自由程meanfreepath•假设某种材料的宏观吸收截面Σa＝0.25/cm，那么中子在此材料中飞行1cm，被该材料吸收的概率为0.25；所以中子平均要在该介质中穿行4cm才会发生一次吸收反应。∴λ＝1/Σ上述物理意义可以通过用比较严格的数学推导得到。中子在介质中连续两次相互作用之间穿行的路程是一个随机变量，但其平均值是一定量，称为平均自由程。用字母λ表示50推导：'000))0)))xxdxIIIINxIxdIxIxdxIIIxIeIxeI－－靶中厚度为的一层可以视为薄靶，故