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华电 核工程导论 1到3
第二章 核辐射物理与核反应 2.2 放射性 原子核自发放出某种粒子的性质 指数衰减 dN/N=-λdt 半衰期 锕系核素(超铀元素):其半衰期长至万年,放射性强度也高。在核反应堆的乏燃料(使用之后的燃料)中有一些这样的核素被称为长寿期高放射性废物,它们的处置是核电发展的挑战。 αβγ 衰变 α: He-4粒子 β: 正电子\负电子+ν(中微子) 轨道电子俘获 γ: 原子核内放射出的一种具有能量的γ光子/电中性微粒子,具有粒子性和波动性, 原子核由高能态向低能态的跃迁 2.3 原子核反应 A + a = B + b A 靶核 a 入射粒子: α p n d γ 核反应能 核反应阈能 核反应截面:核反应几率大小的量 核反应的发生需要一定的条件,如温度、压力、入射粒子能量,同时,即使满足条件,也不是百分百发生的,还有发生概率大小的问题。表示核反应几率大小的量称为核反应截面。 2.5 中子 中子是核反应堆中引起核反应的入射粒子 中子能量 0-1Kev 慢中子 100Kev-10Mev 快中子 0.025ev 热中子 热中子使U235发生裂变反应的几率最大 中子源: 核反应(Ra-Be)、反应堆、加速器 锎 中子源 中子和其它原子核相互作用表现为以下三种形式: 散射:中子与其它原子核发生弹性或非弹性碰撞,改变能量和方向的过程。中子与轻水、重水和石墨易于发生散射,其结果使其能量降下来,所以这三种物质在核反应堆中常用作中子慢化剂。 俘获(吸收):中子被其它原子核吸收,使其转变成新核素的过程,在核反应堆中,大量中子能被U238吸收,也有部分被冷却剂(如水)、结构材料吸收,使其具有放射性(该过程称为活化)。 U238共振吸收 多谱勒效应 裂变(吸收的特殊形式):某些重核(如U235)吸收中子后形成的新核不稳定,立刻分裂成两个中等质量的核,并放出中子的过程。 泄漏 2.5 核聚变 第三章 核反应堆物理基础与核反应堆分类 3.1核裂变反应 自发裂变 诱发裂变 易裂变核素 与各种能量中子作用, 与热中子(E<1ev)作用几率最高 可裂变核素 与高能中子作用,几率低 纯天然U: 0.715% 99%,低浓缩: 2-3%,高浓缩: 90% U235 中子 中子 中子 缓发中子 重裂变碎片 轻裂变碎片 ?射线 ?射线 ?射线 ?射线 ?射线 核裂变反应示意图 慢化剂(重水、石墨、轻水) 冷 却 剂 轻水 重水 氦气 热中子(E1ev) 放射性、余热 各种能量 冷 却 剂 液钠 氦气 快中子(E0.1Mev) 每个铀-235原子核的裂变会放出约200兆电子伏特的能量(相当于3.2?10-11J)。这个能量看似很小,但由于每克铀-235中含有大量的铀-235原子,当其全部发生裂变时可放出接近1MWd的能量(一个30万KW电功率的核电厂,每天仅消耗约1.1Kg铀-235)。 但是铀-235原子核能够发生裂变反应并不意味着我们就能够利用核能,核能能够被利用还因为铀-235原子核在发生裂变时还同时放出2~3个中子(平均2.43个),这使我们看到了利用一种自持式“链式反应”来维持连续的裂变反应的方式。 3.2 核反应的控制 核反应堆是裂变反应发生的地方,发生核反应的关键是具有一定能量的中子。 我们关注核反应堆中 的中子在两个方面: 1 单位时间单位空间运动中子的数量 ——决定每时每刻核反应的次数——反应堆功率 2 中子数量的变化——决定核反应次数的减少、持续还是 增加 核反应的控制: 控制中子的数量 中子通量密度(中子注量) :单位时间穿过单位面积的中子数, 决定反应堆的功率水平 中子增殖系数 反应性 使中子数增加的过程称为引入正反应性 使中子数减少的过程称为引入负反应性 使反应性变化的因素 反应堆 控制方式 -堆芯的温度变化、冷却剂的汽化(空泡) -裂变产物中的中子吸收物生成(碘、Xe\Sm) -投入或取出中子吸收物质(硼、银-铟-镉) 固体:控制棒(碳化硼、银-铟-镉)的插入和提升 液体:冷却剂中硼酸的浓度调节 3.3 临界尺寸与中子通量密度分布
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