核能链式反应体系的基本原理早在放射性研究的.DOC

第十二章 核能 第一节 链式反应体系的基本原理早在放射性研究的初级阶段，就设想有可能利用核过程来大规模产生动力，但只有在发现裂变之后，这种应用才真正可行。裂变反应之所以可用作一种实际的能源，是因为在每次中子诱发的裂变中要放出和几个中子这一特点，这使链式反应成为可能。 链式反应 保持一个链式反应的条件是，在一次裂变过程中，平均至少要产生一个中子，并能引起另一次裂变。这一条件通常用增殖因子k表示，其定义为由某一代中子所产生的裂变数与为产生这代中子所需要的裂变数之比。若k〈1，则自持链式反应不可能发生；若k=1，则链式反应保持在一稳定水平上；若k〉1，则中子数目以及由中子诱发的裂变数一代一代地增加，从而使得链式反应成为发散。若ｋ＝１，那么称可裂变材料装置处于临界状态；若ｋ＞１，则称为超临界。 为了使链式反应传递下去，每次裂变用去上一代裂变产生的一个中子，所以每一代中子数增长ｋ－１倍。这样，一个链式反应中中子数目的变化率为： = 式中，τ为相继的两中子代之间的平均时间。将上式积分后，得到ｔ时刻的中子数目为 N=N0e（k-1）t/τ (—1) 式中，Ｎo是ｔ＝０时的中子数目。若τ很短（例如不用减速剂及快中子裂变时即为如此），并且使ｋ值突然显著地大于１，则链式反应有可能爆炸式地进行，在原子弹中就是如此。 核反应堆是一种可裂变物质装置，该装置中235Ｕ（可用天然铀，也可用浓缩铀）、 239Pu或233Ｕ这类易裂变材料被排列得当，从而使受控的自持链式反应保持下去。在核反应堆中，为了实现稳态运行，要使ｋ值保持１。然而，一个反应堆必须设计成可使ｋ值稍大于１（例如1.01或1.02），以允许中子注量率和因此产生的功率升到所需的水平。反应堆的控制（例如通过移动吸收中子的控制棒）只有当τ值不太短时才可能。假定τ=10-3s（大致为热中子的石墨或重水中的概率寿命），且k=1.001,则根据（6—1）式，N=NOet(t以s为单位)，于是中子数目每秒将增加e—1倍；换言之，在10秒内，将增加约2×104倍。这种增加速度太快了，不易控制且不安全。 二、缓发中子的反效应 裂变中产生的一些中子是由高度激发的裂变产物放出的，因此，这些中子的缓发时间取决于其β衰变得前身的半衰期。这些缓发中子显著地增加了相继的俩中子之间的平均时间。只要ｋ－１小于缓发中子所占的份额（例如对235Ｕ的热中子裂变，该分数为0.0070；对 239Pu，为0.0024），相继的俩代之间的有效时间τ近似为 τ=τ0+ 式中，τo是无缓发中子是的相继的俩代中子代之间的时间；fi值是衰变常数为λi的缓发中子的分数。在235Ｕ裂变中，近50个，fi值已经测得的缓发中子发射体[1]　 ＝0.080s，这远比τo值要大。因此对于τ≈0.08s,k=1.001的体系得周期[为使N/NO=e,所需的时间t]约为80s，这为反应堆控制提供了充裕的时间。值得注意的是，即使在由快中子来传递链式反应，且中子代时间τo短至10-7s的所谓快堆中，对k=1值小的反应堆周期仍然完全有缓发中子来 决（事实上，在快中子裂变中的缓发中子数目甚至比热中子的还要稍多一些）。 三、在无限介质中的增殖系数 在一个无限大小的介质中的增殖系数记为k∞,由每次裂变所放出的中子数γ与引起下一次裂变得中子分数之乘积给出。该分数是宏观裂变截面（γfNf,这里Nf是每立方厘米的可裂变的数目）与该宏观裂变截面及所有宏观俘获截面的和之比值： k=υ (—2) 式中，Ni是在每立方厘米中第i种物质的核数目；σei是该种物质的（普通）俘获截面[2]。所用的易裂变物的非裂变俘获部分必须包括在 之内。 因为在易裂变物质中存在的辐射俘获和裂变反应之间的竞争给可达到的增殖系数规定了一个上限，所以不管同时存在的其他物质的性质如何，俘获截面与裂变截面之比σe/σf( 一般称为α)，对易裂变核素来说是一个重要的量，一个给定的核素的α与中子能量及有关系，在共振区（从～1至104ev）表现为极大的涨落；在MeV区趋于零，从（n,γ）反应的截面与能量的依赖关系，可以预计到这种现象。由于在实际的中子谱中，总有（n,γ）反应的一定程度的竞争作用，所以易裂变物质每吸收一个中子后所产生的中子数（记为η），总小于每次裂变所产生的中子数ν。事实上，η=ν/（1+α）。表（7—1）中列出了三种易裂变核素235U