第6讲 慢化和反射材料.ppt

慢化剂材料与反射层材料 慢化和反射材料是反应堆的重要组成部分 慢化剂：使裂变快中子能够充分慢化成热中子，使235U链式反应得以维持； 反射剂：能使逸出的中子充分反弹到堆芯中，可减少中子损失，节省燃料消耗，减小堆芯临界体积，从而能改善堆芯及其边界的中子流和功率分布，增大输出功率，提高反应堆的经济性。 良好的慢化剂也是较好的反射层材料 质量轻、中子散射截面大，吸收截面小的材料 对中子多碰撞、少吸收，增大慢化能力 把泄漏的中子回弹到堆芯的作用，以增大反射率。 衡量慢化性能的物理量 能量对数减缩 (勒) 中子被慢化的程度失基准能量E0与碰撞后能量E之间的自然对数。 平均对数能降 (ξ值) 每次碰撞的中子能量对数减缩的平均变化值 慢化能力(ξΣs) 介质的宏观散射截面 与中子平均对数能降ξ的乘积 慢化比( ξΣs/ Σa) 慢化能力与其宏观吸收截面之比 1) 能量对数减缩(或称勒) 每次碰撞后，中子被慢化的程度，是中子基准能量E0(式中为Ef)与碰撞后中子能量E(Et)之比的自然对数值。将中子碰撞前后能量的变化值用一个无量纲的对数U来表示，称此为能量对数减缩或称为勒，即 U=ln(E0/E)(即E＝E0 e－U) 式中E0为裂变中子的初始能量，常用2MeV或10MeV作其基准值，E为每一次碰撞后的能量，即图11－20中的每条垂直线。由图及式看出，E减少，对数能降U增加，即二者变化相反。因此，表示勒大小的式是表示中子慢化程度的度量。 2)平均对数能降ξ值 ξ值是中子慢化过程中的一个重要参量。它的数学含义是每次碰撞的中子能量对数减缩的平均变化值，即 上式包含了所有碰撞的lnE1－lnE2的平均值，其中E1只是碰撞前的中子能量，E2为碰撞后的中子能量。因E减小、U增大，为了沟通ξ值与靶原子的关系，用ρ(E2)dE2表示碰撞后，中子散射在 E2和 E2＋dE2能量区间的概率，而散射后能量在αE1和E1之间，因此上式可表示为 式中积分上限中的a=[(A-1)/(A+1)]2, A=慢化剂质量M/中子质量m。 经过积分变换： 当A10时可近似为： ξ=2/(A+2/3) 说明平均对数能降ξ值只和靶核质量数A有关，而与中子能量无关。这就使ξ成为计算慢化特性的非常有用的量 。 (1) 质量愈轻的元素，ξ值愈大，即△U差值愈大，这表明碰撞后的中子剩余能量愈小， 即每次散射平均损失的中子动能多，也就是说质量轻的元素，中子慢化效果好，它可减少快中子慢化到热中子时的碰撞次数。 (2) ξ值大对提高慢化能力和慢化比有利，而这两个值是判断慢化剂优劣的重要判据； (3) 若N为平均慢化碰撞次数，则 N=ln(E1/E2)/ ξ。平均能量2MeV的快中子慢化为0.025eV热中子的平均碰撞次数为N=18.2/ ξ 慢化材料ξ值的物理意义是：每次散射碰撞，平均损失的中子动能。 3)慢化能力(ξΣs) 它是介质的宏观散射截面与中子平均对数能降ξ的乘积。从中子慢化角度来看，除慢化剂应为轻元素外，还应具有大的平均对数能降ξ值和大的宏观散射截面Σs ，否则，仅ξ值大而中子与靶核发生散射碰撞概率小，中子能量降低也少。所以把ξΣs叫做馒化剂的慢化能力。慢化能力大，表明中子慢化长度(行程)短，泄漏的中子少。因此装入堆芯的慢化剂体积可以小一些。 4)慢化比( ξΣs/ Σa) 慢化比是慢化剂的慢化能力与其宏观吸收截面之比。意即作为慢化剂，希望它的慢化能力要大，但宏观吸收截面Σa也要小。否则，将会有较多被慢化的中子，在燃料吸收之前就被慢化剂吸收掉了。因此慢化比是表征慢化剂优劣的一个重要物理参数。 重水的慢化比最大，慢化能力居第二，所以具有良好的慢化性能，但价格贵；水的慢化能力ξΣs值最大，故用水作慢化剂的反应堆，具有较小的堆芯体积。但水的吸收截面较大，消耗中子多，故需用浓缩铀作燃料；石墨的慢化比也较大，慢化性能较好，但它的慢化能力小，慢化长度大，因而石墨堆一般具有较大的体积。 慢化材料的性能要求 慢化剂材料的性能 质量轻，对中子散射截面大、吸收截面小 慢化剂具有足够的慢化能力和慢化比以及较大的平均对数能降ξ值，以确保散射碰撞时，中子能量损失大，慢化效果好； 与燃料元件包壳材料和慢化剂与冷却剂材料相容性好，不起化学作用； 化学稳定性和辐照稳定性好 有一定的机械强度(固体慢化剂) 成本低廉。 常用的慢化剂材料： 轻水、重水、石墨、铍和氧化铍等。 轻水和重水 轻水和重水是水冷动力堆最常用的慢化剂材料，它们还能兼作冷却剂，反射层和射线屏蔽的材料。轻水价廉，来源丰富，但必须是去离子的高纯度水： (1)去除水中杂质，以减小水对回路中材料的腐蚀和降低水中的放射性活化强度； (2)减少水中杂质及腐蚀