核反应堆物理分析教材谢仲生修订版.pdf

核反应堆物理分析 谢仲生 第一章 核反应堆的核物理基础 核反应堆是一种能以可控方式产生自持链式裂变反应的装置。它由核燃料、 冷却剂、慢化剂、结构材料和吸收剂等材料组成。核反应堆内的主要核过程是中 子与反应堆内各种元素的相互作用的过程。热中子反应堆内，裂变中子具有 2 兆电子伏左右的平均能量，首先经过与慢化剂原子核的碰撞而被慢化到热能，最 后被各种材料的原子核所吸收。其中核燃料吸收中子则将引起新的裂变。因此， 在讨论核反应堆的物理过程之前，必须对不同能量的中子与各种材料的原子核的 相互作用有一定的了解。本章首先概略地介绍核反应堆物理分析中常碰到的有关 中子与原子核相互作用的一些核物理知识，然后定性地讨论实现自抢救无效链式 裂变反应的条件和热中子反应堆内的中子循环过程。 1. 中子与原子核的相互作用 1.1 中子 中子是组成原子核的核子之一，它的静止质量稍大于质子的静止质量。 中子的静止质量 m 1.6749543 1027 公斤＝1.0086650 原子质量单位 工程计算中通常取m 等于1 原子质量单位。 中子不带电荷，因此它在靠近原子核时不受核内正电的斥力；它亦不能产生  初级电离。中子在原子核外自由存在时是不稳定的，它通过 衰变转变成质子， 103 104 其半衰期约为12 分钟。在热中子反应堆内，瞬发中子的平均寿期约为 至 秒，它比自由中子的半衰期短得多，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。 中子具有粒子性和波动性。它与原子核的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。中子的波长 为 2.86 1011  米 （1－1） E 式中E 为中子能量，电子伏。（这里取中子静止质量m 等于1。） 在实际计算中，一般用中子折算波长 为：   4.55 1012  米 （1－2） 2 E 从（1－1）式可知，中子波长随能量增加而变短。例如，E＝1 兆电子伏时， 约等于1014 米数量级，和原子核的直径相当；即使能量降低到E＝0.01 兆电子 伏时， 约等于4.55 1011 米，也和原子的直径相当，但比起平均自由程或宏观  尺寸要小许多个数量级。因此，除非对于能量非常低的中子外，在讨论中子的运 动时，把它看成为一个粒子来描述是适当的。 后面我们将看到，中子的能量不同，它与原子核相互作用的方式、几率也 就不同。在反应堆物理分析中通常按中子能量把它们分为：（i）快中子 （0.1 兆 电子伏以上）；（ii）超热中子 （1 电子伏到 0.1 兆电子伏）；（iii）热中子 （1 电子伏以下）。 1.2 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有三种：势散射、直接相互作用和复合核的形 成。 势散射是最简单的核反应，它是中子波和核表面势相互作用的结果。此情况 下的中子并未进入靶核。任何能量的中子都有可能引起这种反应。这种作用的特 点是：散射前后靶核的内能没有变化。入射中子把它的一部分或全部动能传给靶