堆物理第一篇.ppt

核反应堆物理 主讲：王虎 第一章 核反应堆物理基础 第二章 中子慢化和慢化能谱 第三章 中子扩散理论 第四章 均匀反应堆的临界理论 第五章 燃耗及中毒 第六章 温度效应和反应性控制 第一章 核反应堆物理基础 1.1 中子与原子核的相互作用 1.2 中子截面和核反应率 1.3 共振吸收 1.4 核裂变过程 1.5 链式裂变反应 基本概念： 核反应堆：是一种能以可控方式实现自续链式核反应的装置。 裂变反应堆：是通过把一个重核裂变为两个中等质量核而释放能量，它是由核燃料、冷却剂、慢化剂、结构材料核吸收剂等材料组成的一个复杂系统。 核反应堆分类： 按用途分为：生产堆、实验堆、动力堆。 按冷却剂或慢化剂种类分：轻水堆、重水堆、气冷堆、液态金属冷却快中子反应堆。 按引起裂变反应的中子能量分：热中子反应堆、快中子反应堆。 本课程主要讨论裂变反应堆的物理理论基础和它的计算方法。尽管裂变反应堆包含许多类型，但物理过程都是相类似的。所有裂变反应堆内的主要核过程都是中子与核反应堆内各种核素的相互作用过程。 1.1 中子与原子核的相互作用 1 中子 2 中子与原子核相互作用的机理 3 中子的散射 4 中子的吸收 1 中子 在工程计算中，通常近似地取中子的静止质量为1u。 中子不带电荷。 中子在原子核外自由存在时是不稳定的，中子通过β衰变转变成质子，其半衰期为10.3min。在热反应堆中，瞬发中子的寿命约为10-3或10-4s，它比自由中子的半衰期短的多，因此在反应堆物理分析中可以不考虑自由中子的不稳定性问题。 1 中子 中子与其它粒子一样具有波粒二重性。它与原子核相互作用过程有时表现为两个粒子的碰撞，有时表现为中子波与核的相互作用。根据物质的波动理论，所有物质都伴随着波。能量为E eV的中子，其约化波长为 一般在反应堆中讨论中子的运动及中子和原子核相互作用时，都把中子看作一个粒子来描述。 1 中子 按中子能量的大小分类： 慢中子 0E1ev 中能中子 1evE0.1MeV 快中子 E0.1MeV 2 中子与原子核相互作用的机理 中子与原子核的相互作用过程与入射中子的能量有关。 在反应堆内中子与原子核的相互作用方式主要有： 势散射 直接相互作用 复合核的形成 势散射： 势散射是最简单的核反应，是一种弹性散射。 特点 ⑴ 散射前后靶核的内能没有变化。 ⑵ 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。 ⑶ 势散射后，中子改变了运动方向和能量。 ⑷ 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。 直接相互作用： 是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。 如果从核里发射出来的核子是质子，这就是直接 相互作用的（n，p）反应。 如果从靶核里发射出来的核子是中子，同时靶核 由激发态返回基态释放出γ射线，这就是直接非 弹性散射过程。 注意： 由于入射中子必须要有较高的能量才能与原子核发生直接相互作用，而在核反应堆内具有那样高 能量的种子数量是很少的，所以在反应堆物理分析中，这种直接相互作用方式是不重要的。 复合核的形成： 复合核的形成是中子与原子核相互作用的最重要方式。 （1）复合核的形成 （2）复合核的衰败分解 中子与靶核在质心坐标系中的总动能Ec就转化为复合核内能，同时中子与靶核的结合能Eb也给了复合核，于是使复合核处于基态以上的激发态（Eb+Ec) 由于复合核内激发能的能量是统计地分配在许多核子上的，因此复合核可以在激发态停留一段时间，然后当由于核内的无规则碰撞，激发能在核子间经过多次交换，使某一个核子得到足以逸出系统的能量时，处于激发态的复合核便通过放出一个粒子而衰变，并留下一个余核。 复合核激发态的衰变或分解方式： ⑴若复合核放出一个质子而衰变，就成为（n，p）反应。 ⑵若放出 粒子的衰变称之为（n， ）反应。 ⑶若放出的核子是一个中子，而余核 又重新直接回到基态，就成这个过程为共振弹性散射，简称（n，n）反应。 ⑷若放出中子后，而余核 仍处于激发态，然后通过发射 射线返回基态，就称这个过程为共振非弹性散射，简称 反应。 ⑸复合核也可以通过发射 射线而衰变，称这个过程为辐射俘获，简称 反应。 ⑹复合核还可以通过分裂成两个较轻的核的方式而衰变，称这一过程为核裂变，简称 反应。 共振现象： 共振现象：当入射中子的能量具有某