堆物理第二章[精选].ppt

核反应堆物理 主讲：王虎 第二章 中子慢化和慢化能谱 基本概念 慢化过程：中子由于散射碰撞而降低速度的过程叫做慢化过程。 中子慢化能谱：当反应堆处于稳定时，在慢化过程中，堆内中子密度（或中子通量密度）按能量具有稳定的分布，称之为中子慢化能谱。 第二章 中子慢化和慢化能谱 2.1 中子的弹性散射过程 2.2 热中子反应堆内能谱的近似分布 2.1 中子的弹性散射过程 弹性散射时能量的变化 平均对数能降 平均散射角余弦 慢化剂的选择 中子的平均寿命 1 弹性散射时能量的变化 慢化主要靠中子与慢化剂核的弹性散射。可以看成，中子与核是两个弹性刚球的相互碰撞，碰撞前后动量、动能守恒。 讨论弹性碰撞时，通常采用两种坐标系： L系（试验坐标系）和C系（质心坐标系） L系内碰撞后的中子能量 根据动量、动能守恒，可得L系内碰撞后的中子能量E′： 式中： A=M/m 注： 靶核与中子的重量比可近似看成靶核的质量数 定性分析： ⑴ 时 ， ,此时碰撞前后没有能量损失。 ⑵ 时， 。 因而中子在一次碰撞中可能的最大能量损失为： 即碰撞后中子能量 ⑶ 例如： ① 对轻核，当A=1时， 中子可能在一次碰撞中损失全部能量。 ② 对重核，如238U， 即中子与238U核发生一次碰撞，可能损失的最大能量约为碰撞前中子能量的2%。 由此可见，从中子慢化的角度来看，应当采用轻核元素作慢化剂。 2 平均对数能降 为了计算方便，在反应堆物理分析中，还常用一种无量纲量，叫作“对数能降”来作为能量变量，用 表示。 式中： 为选定的参考能量，一般取 增大时， 减小。 平均对数能降 平均对数能降：就是每次碰撞中子能量的自然对数的平均变化值，用 表示 当A10时， 若用 表示中子从 慢化到 ，所需的平均碰撞次数： 例题：试求使中子能量由2MeV慢化0.0253 eV时分别所需的与H核、石墨核以及238U核的平均碰撞次数。 例题：试求使中子能量由2MeV慢化0.0253 eV时分别所需的与H核、石墨核以及238U核的平均碰撞次数。 解：中子的对数能降增量为 由附录3可得3种核的平均对数能降： 因此 对于轻核和重核，所需的碰撞次数是有很大差异的，该例题更充分地说明了一般选用轻核材料作为反应堆慢化剂的原因。 3 平均散射角余弦 中子与核发生弹性散射后，其运动方向将发生改变。若散射角为 ，那么 就叫做散射角余弦。 在C系内散射是各向同性的，但在L系内散射却是各向异性的。 4 慢化剂的选择 慢化剂的条件： ⑴ 它应具有大的平均对数能降 值， ⑵ 具有较大的宏观散射截面 ， ⑶ 从减少中子损失的角度来看。慢化剂还应具有较小的吸收截面。 慢化能力：通常把宏观散射截面 和平均对数能降 的 乘积即 叫作慢化剂的慢化能力。 慢化比： 5 中子的平均寿命 平均寿命：快中子自裂变产生到慢化成为热中子，直至最后被俘获的平均时间，用 表示。 式中： ——慢化时间：裂变中子由裂变能 慢化到热能 所需的平均时间。 ——扩散时间：无限介质内热中子在自产生至被俘获以前所经过的平均时间。 对于压水堆中子的平均寿期 ，对 于快中子反应堆中子的平均寿命 。 2.2热中子反应堆内能谱的近似分布 慢化能谱：在稳定情况下，在系统内形成某种稳定的中子能量分布，称这个能量分布为慢化能谱。 讨论中子通量密度与能量之间的关系，可以把中子分为三个区间，即快中子区、慢化区和热中子区。 快中子区（E0.1MeV） 高能区，中子从裂变产生尚未充分慢化，因而其能谱与裂变中子谱非常接近，可用 近似表示。 慢化区（1eVE0.1MeV） 反应堆内慢化区的中子能谱近似服从1/E谱或费米谱。 热能区（E1eV) 反应堆内慢化区的中子能谱近似服从麦克斯韦谱。 与温度有关。 其他因素对中子能谱的影响 ⑴ 能量自屏效应 慢化区： — 慢化到第 个共振能之前的中子数。 — 吸收剂A和慢化剂M组成的均匀介质的 — 吸收剂（燃料A）的宏观吸收截面。 — 混合物的宏观吸收截面。 由于含有 项，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核剧变，这就是导致中子通量密度急剧下降畸变，在 附近 出现很大的凹陷，这种现象称为共振的“能量自屏效应”。 温