第1章核反应堆的核物理基础

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1、主讲人：张主讲人：张 彪彪* *核反应堆物理核反应堆物理核反应堆的核物理基础核反应堆的核物理基础第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础主要内容主要内容基本概念基本概念中子与原子核的相互作用中子与原子核的相互作用中子截面和核反应率中子截面和核反应率共振吸收共振吸收核裂变过程核裂变过程链式裂变反应链式裂变反应1. 1. 基本概念基本概念核素核素：一般把具有：一般把具有相同质子相同质子数数Z Z、中子中子数数N N的的一类原子（或原子核）称为一种核素。一类原子（或原子核）称为一种核素。同位素同位素：具有相同质子数，不同中子数的核：具有相同质子数，不同中子数的核 素称为同位素。素称为

2、同位素。原子核的能级原子核的能级：能量：能量最小最小的状态称为的状态称为基态基态， 能量能量较大较大的状态称为的状态称为激发态激发态，激发态一般是，激发态一般是 不稳定的（寿命很短）。不稳定的（寿命很短）。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础1. 1. 基本概念基本概念半衰期半衰期：某种放射性：某种放射性核素数目核素数目减少一半所需减少一半所需 要的时间，要的时间，T T1/2 1/2 = ln2/= ln2/l l。丰度丰度：设样品中有一种元素，此元素有若干：设样品中有一种元素，此元素有若干 种同位素，某种同位素的种同位素，某种同位素的原子数目原子数目在在该元素该元素 原

3、子总数中所占的份额。原子总数中所占的份额。富集度富集度：某种同位素的：某种同位素的重量重量在在该元素该元素总重量总重量 中所占的份额，称为这种同位素的富集度。中所占的份额，称为这种同位素的富集度。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础2. 2. 中子与原子核的相互作用中子与原子核的相互作用中子：中子是组成原子核的核子之一，中子中子：中子是组成原子核的核子之一，中子 不带电不带电，它与原子核不存在库仑相互作用，它与原子核不存在库仑相互作用， 它亦它亦不能产生初级电离不能产生初级电离。 自由中子的自由中子的不稳定不稳定，可衰变转变成质子，半，可衰变转变成质子，半 衰期衰期为为10

4、.6min10.6min，在热中子反应堆中瞬发中子，在热中子反应堆中瞬发中子 的寿命约为的寿命约为1010-3-3 1010-4-4 s s。 中子静止质量为中子静止质量为1.675E-27kg1.675E-27kg，工程计算中常，工程计算中常 取取1u1u。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础2. 2. 中子与原子核的相互作用中子与原子核的相互作用中子的波粒二象性：除非对于能量非常低的中子的波粒二象性：除非对于能量非常低的 中子，一般在反应堆中讨论中子的运动和原中子，一般在反应堆中讨论中子的运动和原 子核的相互作用时，把中子作为一个粒子来子核的相互作用时，把中子作为一个粒

5、子来 描述。描述。 中子按照能量划分：中子按照能量划分： n n快中子：快中子：E1keVE1keV n n超热中子：超热中子：1eV1keVE1keV）：截面）：截面较小，变化平缓较小，变化平缓第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础3. 3. 中子截面和核反应率中子截面和核反应率吸收截面：吸收截面：低能区：对于多数轻核，在中子能量从热能低能区：对于多数轻核，在中子能量从热能 一直到几个一直到几个keVkeV甚至甚至MeVMeV的范围内，其吸收的范围内，其吸收 截面都近似按照截面都近似按照1/v1/v规律变化；对于重核和中规律变化；对于重核和中 等质量的核，在低能区其吸收截面

6、偏离等质量的核，在低能区其吸收截面偏离1/v1/v规规 律，故要进行非律，故要进行非1/v1/v修正。修正。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础3. 3. 中子截面和核反应率中子截面和核反应率吸收截面：吸收截面： 中能区：对于重核中能区：对于重核 有强烈的共振吸收有强烈的共振吸收 ，对于轻核第一激，对于轻核第一激 发态能量高，在高发态能量高，在高 能区发生共振。能区发生共振。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础高能区：共振峰间距变小，开始重叠以至于高能区：共振峰间距变小，开始重叠以至于 不能分辨，变化缓慢平滑。不能分辨，变化缓慢平滑。3. 3. 中子截面

7、和核反应率中子截面和核反应率散射截面：散射截面： 非弹性散射：有阈能特非弹性散射：有阈能特 点，超过阈能后随着中点，超过阈能后随着中 子能量的增加而增加。子能量的增加而增加。弹性散射：多数元素在弹性散射：多数元素在 低能区都是弹性散射，低能区都是弹性散射， 基本为常数，在高能区基本为常数，在高能区 出现共振现象。出现共振现象。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础3. 3. 中子截面和核反应率中子截面和核反应率裂变截面：没有规律裂变截面：没有规律第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础3. 3. 中子截面和核反应率中子截面和核反应率俘获裂变比俘获裂变比 ：辐射

8、俘获截面与辐射裂变截面辐射俘获截面与辐射裂变截面 之比，之比， = = / / f f。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础3. 3. 中子截面和核反应率中子截面和核反应率有效裂变中子数有效裂变中子数 ：燃料核每吸收一个燃料核每吸收一个 中子后平均放出的中子后平均放出的 中子数，中子数， = = f f / / a a = = / (1+) / (1+) 。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础3. 3. 中子截面和核反应率中子截面和核反应率核数据库：核数据库：核科学技术研究和核工程设计所核科学技术研究和核工程设计所 必须的基本数据的集合。必须的基本数据的

9、集合。 评价核数据库：评价核数据库： 1. 1.美国美国ENDFENDF 2. 2.欧洲欧洲JEFJEF 3. 3.日本日本JENDLJENDL 4. 4.俄罗斯俄罗斯BRONDBROND 5. 5.中国中国CENDLCENDL第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础随堂练习随堂练习 某压水堆采用某压水堆采用UOUO2 2作为燃料，作为燃料，235235U U富集度富集度 为为2.43%2.43%，密度为，密度为10104 4kg/mkg/m3 3，试计算能量，试计算能量 为为0.01eV0.01eV时，时， UOUO2 2的宏观吸收截面和宏的宏观吸收截面和宏 观裂变截面。（已

10、知：在观裂变截面。（已知：在0.0253eV0.0253eV时，时，235235U U 、 238238U U、OO的微观吸收截面分别是的微观吸收截面分别是 680.9b680.9b、2.7b2.7b、0.00027b0.00027b， 235235U U 的裂变截的裂变截面为面为583.5b583.5b）第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础4. 4. 共振吸收共振吸收共振现象：共振现象：中子从高能区逐步慢化到低能区中子从高能区逐步慢化到低能区 ，中间要通过中能区，有很多的窄而高的吸，中间要通过中能区，有很多的窄而高的吸 收峰。收峰。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物

11、理基础核物理基础4. 4. 共振吸收共振吸收如何描述共振：如何描述共振： 1. 1. 在曲线上的共振峰附近，逐在曲线上的共振峰附近，逐点给出的截面值；点给出的截面值； 2. 2. 用数学方法将上述数据拟合用数学方法将上述数据拟合成公式；成公式；第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础3. 3. 根据物理原理，推导出描述共振峰的公式根据物理原理，推导出描述共振峰的公式；4. 4. 共振吸收共振吸收多普勒效应：多普勒效应： 由于靶核的热运动随温由于靶核的热运动随温 度的增加而增加，这度的增加而增加，这 时共振峰的宽度将随时共振峰的宽度将随 着温度的上升而展宽着温度的上升而展宽 ，同

12、时峰值也在变小，同时峰值也在变小 ，这种效应称为多普，这种效应称为多普 勒效应。勒效应。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础5. 5. 核裂变过程核裂变过程裂变能的释放：裂变能的释放：第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础5. 5. 核裂变过程核裂变过程反应堆的功率与中子通量密度之间的关系：反应堆的功率与中子通量密度之间的关系：第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础次235U核裂变放出的能量堆芯任一点r处单位体积内的功率密度q(r)只考虑热中子引起的235U的裂变，反应堆的功率为5. 5. 核裂变过程核裂变过程例：例：一座压水堆的热功率为

13、一座压水堆的热功率为2800MW2800MW，电站，电站 年负荷因子为年负荷因子为0.850.85，235235U U的平均俘获裂变比为的平均俘获裂变比为 0.1690.169，试估算每年消耗的，试估算每年消耗的235235U U的质量。的质量。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础5. 5. 核裂变过程核裂变过程裂变产物：裂变产物：裂变碎片裂变碎片 以及他们的衰变产物以及他们的衰变产物 叫做裂变产物。叫做裂变产物。 8080多种碎片，质量数多种碎片，质量数 在在7216172161之间，之间，有毒素也有半衰期很有毒素也有半衰期很 长和放射性很强的产长和放射性很强的产 物。物

14、。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础5. 5. 核裂变过程核裂变过程裂变中子：裂变中子： 瞬发中子：裂变反应产瞬发中子：裂变反应产 生的生的99%99%以上的中子是以上的中子是 在裂变瞬间在裂变瞬间(10(10-14-14s) s)发射发射出来的。出来的。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础裂变中子数经验公式裂变中子数经验公式裂变中子能谱裂变中子能谱5. 5. 核裂变过程核裂变过程裂变中子：裂变中子： 缓发中子：裂变中还有不到缓发中子：裂变中还有不到1%1%（大约（大约0.65%0.65%）的中子是在裂变碎片衰变过程中发射出来）的中子是在裂变碎片衰变过

15、程中发射出来 的。分成的。分成6 6组，它的中子特性见下表。组，它的中子特性见下表。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础6. 6. 链式链式裂变反应裂变反应自持式裂变反应：自持式裂变反应：不再依靠外界的作用而使不再依靠外界的作用而使 裂变反应不断进行下去的裂变反应。裂变反应不断进行下去的裂变反应。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础6. 6. 链式链式裂变反应裂变反应有效增殖因数有效增殖因数k keffeff：对于给定系统，新生一代对于给定系统，新生一代的中子数和产生它的直属上代中子数之比。的中子数和产生它的直属上代中子数之比。第第1 1章章 核反应堆核反应堆的的核物理基础核物理基础k keffeff = = 新生一代中子数新生一代中子数直属上一代中子数直属上一代中子数实际问题中经常用中子的平衡关系来定实际问题中经常用中子的平衡关系来定义系统的有效增殖因素。义系统的有效增殖因素。k keffeff = = 系统内中子的产生率系统内中子的产生率系统内中子的总消失率系统内中子的总消失率6. 6. 链式链式裂变反应裂变反应临界系统：临界系统：k keffeff 1 1 ：超临界系统；：超临界系统；k keffeff = 1 = 1 ：临界系统；：临界系统；k k