核科学概论-反应堆2.ppt

核科学概论 东华理工大学 核工系 本堂课主要内容 核反应堆原理与类型 基本概念 反应堆（reactor , nuclear reactor）： 能维持可控自持核裂变链式反应的装置。 链式核反应（nuclear chain reaction）: 核反应产物之一能引起同类的反应，从而使该反应能链式地进行的核反应。根据一次反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式反应可分为次临界的、临界的或超临界的三种。 基本概念 反应堆物理（reactor physics） 研究反应堆内中子行为的科学，有时neutronics。 核反应(nuclear reaction) 粒子(包括原子核)与原子核碰撞导致原子核的质量、电荷或能量状态改变的现象的统称。 核子数、电荷、动量与角动量、能量均守恒。 原子核物理基础 原子核的结合能与比结合能 核力：能克服质子与质子之间的静电斥力而把核子聚集成原子核的力。 结合能：把原子核内的全部核子一个个地拉开所需要的净能量。 根据按因斯坦的质能方程： 由此可得结合能的计算公式： 原子核物理基础 原子核的结合能与比结合能 原子核物理基础 中子核反应 在核反应堆内中子与原子核的相互作用发生核反应。核反应可以分为以下几种： （1）中子与原子核发生弹性散射（n，n） 中子与原子核碰撞后，把一部分动能交给原子核，而本身能量减少； （2）中子与原子核发生非弹性散射（n，n‘） 原子核俘获中子后处于不稳定状态，然后放出动能较小的中子，但原子核仍处于激发态，把它多余的能量以γ射线形式放出； 原子核物理基础 （3）吸收中子放出γ射线（n，γ） （4）吸收中子放出α粒子（n，α） （5）吸收中子放出质子（n，p） 原子核物理基础 （6）吸收中子发生原子核裂变（n，f） 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。 反应堆物理主要关心的是诱发核裂变。 原子核物理基础 中子核反应 易裂变核素(fissile nuclide)：能与慢中子相互作用而进行裂变的核素。 可转换核素(fertile nuclide)：俘获中子后能直接或间接地转变为易裂变核素。 可裂变核素(fissionable nuclide)：能进行裂变(无论由何种过程引起)的核素。 原子核物理基础 中子反应截面与核反应率 为了定量说明核反应的几率大小，通常引进“反应截面”的概念。如果某种物质受到中子的作用，则发生特定核反应的几率取决于中子的数目和速度，以及这种物质中核的数目和性质。 对于任一特定反应的靶核，“截面”是中子与核相互作用概率的一种量度，它又是原子核和入射中子能量的一种特性。 原子核物理基础 中子反应截面与核反应率 微观截面 表示平均一个入射中子与单位面积靶上一个靶核发生相互作用的几率大小。它可形象地想象为一个入射粒子和靶核可以发生指定核反应的圆盘的有效面积(单位为m2，有时用靶恩--10-28m2)。反应截面具有面积量纲，但不等于靶核的几何截面。 中子与物质的相互作用有裂变、散射和吸收，所以微观截面可分为微观裂变截面（σf）、微观散射截面（σs）和微观吸收截面（σa）。 原子核物理基础 宏观截面 一个中子与单位体积内原子核反应的平均几率。 宏观截面的物理意义：中子行走单位长度路程中与原子核发生核反应的几率。 混合物、化合物： 原子核物理基础 中子核反应率 中子密度：每立方米内中子数；若中子速度为v，则中子反应率为： 中子通量： 原子核物理基础 吸收截面随中子能量的变化规律 对于许多元素，特别是那些质量数较大的元素，考虑其吸收截面随中子能量的变化，可以发现存在着三个区域。 （1）低能区 也称1/v吸收区，在这一区吸收截面随中子能量的增加而减小，这时吸收截面与中子的关系为： 原子核物理基础 （2）共振区 在中子的1/v区之后，通常在大约0.1eV到1000eV的中子能量范围内，会出现一个共振区。这个区的特征是存在共振峰。 原子核物理基础 （3）快中子区 在清晰的共振区之后，还可能出现许多较小的共振峰，但这些共振峰是难于分辨的。核截面随中子能量增加而减小。在能量大约超过10keV以后，出现快中子区，那里通常截面很小，对大于0.1MeV量级的能量，其值更小。这时，吸收截面在数值上与核的几何截面相近。 核反应堆临界理论与反应性变化 裂变链式反应和临界条件