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1、关于核反应堆的核物理基础第1页，此课件共151页哦2Contents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第2页，此课件共151页哦3核反应堆核反应堆：一种能以可控方式实现自持链式核反：一种能以可控方式实现自持链式核反应的装置应的装置按原子核产生能量的方式：分为按原子核产生能量的方式：分为裂变反应堆、裂变反应堆、聚聚变反应堆变反应堆、聚变裂变混合堆聚变裂变混合堆、次临界反应堆、次临界反应堆等等 一、基本概念一、基本概念第3页，此课件共151页哦4核裂变反应堆核裂变反应堆分类：分
2、类：按用途分按用途分：生产堆、实验堆、动力堆：生产堆、实验堆、动力堆按冷却剂或慢化剂分按冷却剂或慢化剂分：轻水堆、重水堆、气冷堆、：轻水堆、重水堆、气冷堆、液态金属冷却快中子堆液态金属冷却快中子堆按引起裂变反应的中子能量分按引起裂变反应的中子能量分：热中子堆、快中子：热中子堆、快中子堆堆第4页，此课件共151页哦5按按发展历程发展历程分：分：第一代：第一代：20世纪世纪50年代建造的原型堆，前苏联年代建造的原型堆，前苏联Obninsk（压力管（压力管式石墨水冷堆）式石墨水冷堆），美国美国shippingport（压水堆），法国（压水堆），法国UNGG（天然铀石墨慢化气冷堆）（天然铀石墨慢化气冷
3、堆）第二代：第二代：20世纪世纪60/70年代建造的商业机组，年代建造的商业机组，PWR（西屋（西屋312，法，法玛通玛通M310，俄罗斯，俄罗斯VVER），加拿大），加拿大CANDU堆，日本堆，日本BWR堆堆二代加：二代加：CPR-1000，CNP-1000第三代：第三代：20世纪世纪90年代开始设计研究的先进型核电厂：年代开始设计研究的先进型核电厂：AP1000、EPR第四代：基于经济性、安全性、减少核废物及防止核扩散考虑的第四代：基于经济性、安全性、减少核废物及防止核扩散考虑的新一代核系统，新一代核系统，6种潜在堆型：种潜在堆型：超高温堆、超临界水冷堆、熔盐堆、超高温堆、超临界水冷堆、熔
4、盐堆、气冷快堆、钠冷快堆、铅冷快堆气冷快堆、钠冷快堆、铅冷快堆第5页，此课件共151页哦6核素，同位素核素，同位素一般把具有相同质子数、中子数的一类一般把具有相同质子数、中子数的一类原子（或原子核）称为一种原子（或原子核）称为一种核素核素。具有相同质子数，不同中子数的核素称为具有相同质子数，不同中子数的核素称为同同位素位素。例如，天然氧中含有氧例如，天然氧中含有氧-16,-16,氧氧-17,-17,氧氧-18-18三种三种不同的核素。它们的原子核中都含有个不同的核素。它们的原子核中都含有个质子，因而是同位素。质子，因而是同位素。第6页，此课件共151页哦7丰度和富集度丰度和富集度设样品中有一种
5、元素，此元素有若干种同位设样品中有一种元素，此元素有若干种同位素。素。某种同位素的原子数目在该元素原子总数中某种同位素的原子数目在该元素原子总数中所占的份额，称为这种所占的份额，称为这种同位素的丰度同位素的丰度。某种同位素的重量在该元素总重量中所占的某种同位素的重量在该元素总重量中所占的份额，称为这种份额，称为这种同位素的富集度同位素的富集度。丰度和富集度一般都用百分比表示丰度和富集度一般都用百分比表示。第7页，此课件共151页哦8例如：例如：在天然铀中，主要有铀在天然铀中，主要有铀235和铀和铀238两种同位两种同位素。素。铀铀235235的丰度是：的丰度是：0.72%0.72%铀铀2352
6、35的富集度是：的富集度是：0.712%0.712%为什么富集度的值小于丰度的值？为什么富集度的值小于丰度的值？第8页，此课件共151页哦9质量亏损质量亏损自由质子和自由中子结合成原子核时，要发自由质子和自由中子结合成原子核时，要发生质量亏损。也就是说，原子核的质量总生质量亏损。也就是说，原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量。是小于组成它的所有核子的质量。例例:AlAl2727的原子核含有的原子核含有1313个质子和个质子和1414个中子，其质个中子，其质量为量为26.9744 amu26.9744 amu而而 1313个自由质子和个自由质子和1414个自由中子的质量为个自由中子的质量为
7、 27.2159 27.2159 amuamu 亏损的质量亏损的质量:0.2415 amu0.2415 amu第9页，此课件共151页哦10amuamu（atomic mass unit），称为原子质量单位，简称u，等于核素12C的一个中性原子处于基态时静止质量的1/121u=（1.66054020.0000010）10-27 kg自由质子质量Mp=1.007825u自由中子质量Mn=1.008665u电子质量Me=Mp/1836=Mn/1840第10页，此课件共151页哦11结合能结合能亏损的质量转化为能量释放出来，这一部分能亏损的质量转化为能量释放出来，这一部分能量称为结合能。量称为结合能
8、。据爱因斯坦质能关系公式，据爱因斯坦质能关系公式，1u相当于相当于931.5Mev,1MeV=1.60217646 10-13 J1eV等于一个电子在一伏电压加速时获得的能量1度电等于3.6106 J上例中的结合能是上例中的结合能是0.2415*931.5=224.9MeV第11页，此课件共151页哦12平均结合能平均结合能平均到原子核中每个核子的结合能称为平均平均到原子核中每个核子的结合能称为平均结合能（也称为比结合能）。结合能（也称为比结合能）。上例中的平均结合能是上例中的平均结合能是8.33Mev平均结合能越大，原子核结合得越牢固。平均结合能越大，原子核结合得越牢固。第12页，此课件共1
9、51页哦13第13页，此课件共151页哦14裂变和聚变裂变和聚变从上图中可以看到，轻核的平均结合能较小，从上图中可以看到，轻核的平均结合能较小，重核的平均结合能也较小，中等质量核的平重核的平均结合能也较小，中等质量核的平均结合能较大。因此：均结合能较大。因此：两个轻核聚合为一个核时，可以放出能量两个轻核聚合为一个核时，可以放出能量一个重核分裂为两个中等质量核时，可以一个重核分裂为两个中等质量核时，可以放出能量。放出能量。U235一次裂变释放一次裂变释放200MeV，DT聚变一次释聚变一次释放放17.6MeV，为什么氢弹能量，为什么氢弹能量原子弹？原子弹？第14页，此课件共151页哦15原子核的
10、能态（能级）原子核的能态（能级）在学习在学习大学物理大学物理时，我们就知道，核外的电子可以处于不时，我们就知道，核外的电子可以处于不同的能量状态（能级同的能量状态（能级/轨道）轨道）,受到激发的电子可以从低受到激发的电子可以从低能级跃迁到高能级，也可以从高能级跳回低能级，同能级跃迁到高能级，也可以从高能级跳回低能级，同时释放能量。时释放能量。原子核也可以处于不同的能量状态。能量最小的状态原子核也可以处于不同的能量状态。能量最小的状态称为称为基态基态，能量较大的状态称为，能量较大的状态称为激发态激发态。激发态一般是不稳定的（寿命很短）。激发态一般是不稳定的（寿命很短）。第15页，此课件共151页
11、哦16放射性核素的衰变规律放射性核素的衰变规律单位时间内发生衰变的放射性核的数目与该时刻单位时间内发生衰变的放射性核的数目与该时刻存有的该种放射性核的数目成正比。存有的该种放射性核的数目成正比。第16页，此课件共151页哦17第17页，此课件共151页哦18放射性核的平均寿命第18页，此课件共151页哦19半衰期半衰期第19页，此课件共151页哦20放射性活度放射性活度某放射性样品，其在单位时间内发生的衰变某放射性样品，其在单位时间内发生的衰变次数，称为该样品的的活度。次数，称为该样品的的活度。活度的单位：贝可活度的单位：贝可Bq，居里，居里Ci第20页，此课件共151页哦21例子：例子：人体
12、中大约含有人体中大约含有0.2%的钾，钾在天的钾，钾在天然钾中的丰度为然钾中的丰度为0.0117%,其半衰期为其半衰期为12.77亿年。求体重公斤的人体内的放亿年。求体重公斤的人体内的放射性活度。射性活度。实际上人体中还含有的碳，天然碳中实际上人体中还含有的碳，天然碳中放射性碳放射性碳-14的丰度为的丰度为1.2E-12,其半衰期为其半衰期为5730年。考虑此因素后，人体内的放射性年。考虑此因素后，人体内的放射性活度大约是活度大约是第21页，此课件共151页哦22考古断代碳考古断代碳14由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分放由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分放射性的碳射性的碳14。活的植物由
13、于不断进行光。活的植物由于不断进行光合作用和新陈代谢，其体内的碳中的碳合作用和新陈代谢，其体内的碳中的碳14含量与大气中相同。死的植物停止了光合含量与大气中相同。死的植物停止了光合作用和新陈代谢，其体内的碳作用和新陈代谢，其体内的碳14核由于核由于不断衰变，含量越来越少。因此今天挖掘不断衰变，含量越来越少。因此今天挖掘出来古代植物遗体内，碳中碳出来古代植物遗体内，碳中碳14的含量，的含量，低于大气中的含量。低于大气中的含量。第22页，此课件共151页哦23第23页，此课件共151页哦24第24页，此课件共151页哦251.1.1 中子特性中子特性原子核由质子和中子两种核子组成？（原子核由质子和
14、中子两种核子组成？（11H）中子质量：中子质量：1.675E-27kg中子属性：中子属性：不带电荷不带电荷自由中子自由中子(free neutron)：不稳定（：不稳定（T1/2=10.6 min）质子质子+电子电子 二、二、中子与原子核的相互作用中子与原子核的相互作用 裂变放出的中子寿命约裂变放出的中子寿命约10-410-3s 0.1 MeV超热中子(epithermal neutron)：1 eV E 0.1 MeV热中子(thermal neutron)：E 1eV(屏蔽、剂量学上的能量分界与上有所差别屏蔽、剂量学上的能量分界与上有所差别)第27页，此课件共151页哦281.1.2 中子
15、与原子核相互作用机理中子与原子核相互作用机理中子与原子核的中子与原子核的相互作用方式相互作用方式势散射势散射直接相互作用直接相互作用复合核的形成复合核的形成第28页，此课件共151页哦291.1.2 中子与原子核相互作用机理势散射势散射中子波与核表面势相互作用的结果中子波与核表面势相互作用的结果，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。特点特点：散射前后靶核内能没有变化。入射中子把它的一部份或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。势散射后，中子改变了运动方向和能量。势散射前后中子与靶核系统的动能和动势散射前后中子与靶核系统的动能和动量守恒，势散射是一种量守恒，势散射是一种弹性散射弹性
16、散射。第29页，此课件共151页哦301.1.2 中子与原子核相互作用机理中子与原子核相互作用机理直接相直接相互作用互作用入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使其从核里发射出来，而中子却留在了靶核内其从核里发射出来，而中子却留在了靶核内的核反应的核反应。如果从靶核中发射出来的核子是质子，这就是直接相互作用的（n,p）反应;如果从核里发射出来的核子是中子，同时靶核由激发态返回基态放出射线，就是直接非弹性散射过程。由于入射中子必须要有较高的能量才能由于入射中子必须要有较高的能量才能与原子核发射直接相互作用（阈能），而在与原子核发射直接相互作用（阈能），而在核反
17、应堆内具有那样高能量的中子数量很少，核反应堆内具有那样高能量的中子数量很少，所以在反应堆物理分析中，这种直接相互作所以在反应堆物理分析中，这种直接相互作用不重要。用不重要。第30页，此课件共151页哦31复合核的形成复合核的形成:第一阶段：第一阶段：复合复合核的形成核的形成第二阶段：第二阶段：复合核复合核的衰变分解的衰变分解第31页，此课件共151页哦32复合核的各种衰变方式复合核的各种衰变方式第32页，此课件共151页哦33第33页，此课件共151页哦34根据中子与靶核相互作用结相互作用结果的不同果的不同，将中子与原子核作用分为吸收吸收散射散射弹性散射非弹性散射辐射俘获核裂变(n,p)反应(
18、n,)反应第34页，此课件共151页哦351.1.3 中子的散射中子的散射散射散射弹性散射弹性散射非弹性散射非弹性散射 中子被吸收形成处于激发态的复合核，入射中子把一部分动能转变为靶核的内能，靶核通过放出中子并发射射线而返回基态。散射前后中子与靶核系统动量守恒，但动能不守动能不守恒恒。非弹性散射具有阈能的特点：在中子所有能量范围内都有可能发生 分为：共振弹性散射、势散射共振弹性散射、势散射 中子-靶核系统动能和动量守恒动能和动量守恒，可看作“弹性球”式碰撞，用经典力学方法处理。在热中子反应堆中，对中子从高能慢化到低能的过程中起主要作用的是弹性散射。第35页，此课件共151页哦361.1.4 中
19、子的吸收中子的吸收中子的吸收中子的吸收辐射俘获（辐射俘获（n,）(n,p)、(n,)等反应等反应称为带电粒子反应称为带电粒子反应核裂变核裂变第36页，此课件共151页哦37核裂变核裂变 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射线，在少数情况下也发射轻带电粒子。易裂变核素易裂变核素：与各种能量中子均能发生裂变，并且在低能中子作用下发生裂变的可能性较大，如：233U,235U,239Pu,241Pu等；可裂变核素可裂变核素：在能量高于某一阈值的中子作用下才发生裂变的核素，如：232Th，238U，240Pu等第37页，此课件共1
20、51页哦38辐射俘获（辐射俘获（n,）可在所有能区发生，低能中子与中等质量核(30A90)易发生（核燃料增值核燃料增值/转换转换）第38页，此课件共151页哦39带电粒子反应带电粒子反应(n,p)、(n,)等反应称为带电粒子反应等反应称为带电粒子反应第39页，此课件共151页哦40 三、三、中子截面和核反应率中子截面和核反应率第40页，此课件共151页哦41第41页，此课件共151页哦42 为比例常数，即微观截面（为比例常数，即微观截面（Microscopic cross section）物理含义：平均一个给定能量的入射中子与一个靶核发生平均一个给定能量的入射中子与一个靶核发生作用的概率大小作
21、用的概率大小的一种度量。单位：m2;常用单位：“巴恩巴恩”(简称“巴”，缩写为 b)1b=10-28 m2=10-24 cm2第42页，此课件共151页哦43第43页，此课件共151页哦44宏观截面宏观截面将(1-12)式改写成微分形式 dI=-NIdx,对x坐标积分，得靶厚度为x处的平行中子束强度为：I(x)=I0exp(-Nx)平行中子束的衰减速度与乘积N有关，通常写为：=N 即宏观截面。宏观截面。第44页，此课件共151页哦45宏观截面物理含义：宏观截面物理含义：=N ：表征了一个中子与单位体积内的原子核发生相互作用的概率表征了一个中子与单位体积内的原子核发生相互作用的概率大小大小 =-
22、(dI/I)/dx：表征了一个中子在穿行单位距离与原子核发生相互表征了一个中子在穿行单位距离与原子核发生相互作用的概率大小作用的概率大小单位单位：m-1，但目前通常使用，但目前通常使用 cm-1第45页，此课件共151页哦46某种材料的宏观吸收截面某种材料的宏观吸收截面a0.25/cm，那么中子在，那么中子在此材料中飞行此材料中飞行1cm，被该材料吸收的概率为，被该材料吸收的概率为0.25对于宏观截面，也有对于宏观截面，也有tsa af例例 子：子：第46页，此课件共151页哦47宏观截面的计算宏观截面的计算=N第47页，此课件共151页哦48第48页，此课件共151页哦49例题：例题：P10
23、第49页，此课件共151页哦50平均自由程平均自由程 mean free path假设某种材料的宏观吸收截面假设某种材料的宏观吸收截面a0.25/cm，那么中子在，那么中子在此材料中飞行此材料中飞行1cm，被该材料吸收的概率为，被该材料吸收的概率为0.25；所以中；所以中子平均要在该介质中穿行子平均要在该介质中穿行4cm才会发生一次吸收反应。才会发生一次吸收反应。1/上述物理意义可以通过用比较严格的数学推导得到。上述物理意义可以通过用比较严格的数学推导得到。中子在介质中中子在介质中连续两次相互作用之间穿行连续两次相互作用之间穿行的路程是的路程是一个一个随机变量随机变量，但其平均值是一定量，称为
24、，但其平均值是一定量，称为平均自由平均自由程程。用字母用字母表示表示第50页，此课件共151页哦51推导：推导：第51页，此课件共151页哦52 就是在介质中穿行了就是在介质中穿行了x x长的路程仍然长的路程仍然未发生核反应的中子在入射中子中所占未发生核反应的中子在入射中子中所占的份额。的份额。第52页，此课件共151页哦53中中子子在在介介质质中中穿穿行行了了x x长长的的路路程程仍仍然然未未发发生生核核反反应应、但但在在随随后后的的dxdx路路段段内内发发生生首首次次核核反反应应的概率的概率 p(x)dx p(x)dx 是是:e eX X(dx/(dx/)e eX X(dxdx)（两个独立
25、随机事件同时发生的概率）（两个独立随机事件同时发生的概率）第53页，此课件共151页哦54 中中子子在在介介质质中中发发生生一一次次核核反反应应之之前前自自由由飞飞行行的的路路程程 x x 是是一一个个随随机机变变量量，其其平平均均值值应应该该是用其概率分布密度来权重平均：是用其概率分布密度来权重平均：根据不同的核反应，可以定义不同类型的平均自由程，根据不同的核反应，可以定义不同类型的平均自由程，有：有：第54页，此课件共151页哦55中子相关的重要物理量中子相关的重要物理量中子密度中子密度(neutron density)n，个，个/m3或个或个/cm3压水堆内：压水堆内：1014 1017
26、 n/m3中子速度中子速度(neutron velocity)v，m/s能量能量E第55页，此课件共151页哦56中子通量密度中子通量密度(neutron flux)设中子运动的速率为v，则nv就是单位体积内的单位体积内的中子在单位时间内走过的总路程中子在单位时间内走过的总路程。我们把nv记为，即 nv，称为中子通量密度中子通量密度国际单位：n/(m2s),常用单位：n/（cm2s)热堆：10131015 n/(cm2 s)早期称为“中子通量中子通量”第56页，此课件共151页哦57中子通量密度中子通量密度中子通量密度是一个标量，不是向量。的单位是的单位是 n/mn/m2 2.s,.s,但是其
27、物理意义并不但是其物理意义并不是单位时间穿过单位面积的中子数。是单位时间穿过单位面积的中子数。而是而是单位体积内的中子在单位时间内走过的总单位体积内的中子在单位时间内走过的总路程。路程。第57页，此课件共151页哦58中子注量率中子注量率由于中子通量密度并不具有字面上的物理意义，为了避免误解，我国的法定计量单位中为它起了一个新名：中子注量率中子注量率。是在国际文献中，当前仍然采用neutron flux，我国核工界也习惯使用中子通量密度一词。故在本课程教学中也使用中子通量密度，简称中子通量。第58页，此课件共151页哦59核反应率核反应率 reaction rate定定义义：单单位位时时间间内
28、内在在单单位位体体积积中中发发生生的的核核反反应次数称为核反应率密度。应次数称为核反应率密度。（次次/cm3s）计算公式：计算公式：R=/=(WhyWhy？)第59页，此课件共151页哦60进一步的讨论进一步的讨论单单位位体体积积中中的的大大量量中中子子，其其能能量量E E（运运动动速速度度v v）不不是是都都相相同同的的。故故上上述述各各物物理理量量的的定定义需要细化。义需要细化。n(E)dEn(E)dE 单单位位体体积积中中能能量量处处于于E E到到E+dEE+dE之之间间的中子数的中子数(E)dE(E)dE 单单位位体体积积中中能能量量在在E E到到E+dEE+dE之之间间的的中子在单位
29、时间内走过的总路程。中子在单位时间内走过的总路程。第60页，此课件共151页哦61第61页，此课件共151页哦62平均截面平均截面用上式计算反应率用上式计算反应率太麻烦太麻烦。应设法定义一个平均截面，使得计算。应设法定义一个平均截面，使得计算得以简化，但要保证：得以简化，但要保证：用它算出的反应率与实际反应率一致。用它算出的反应率与实际反应率一致。为保持反应率等效，求平均截面时要用中子通量密度（E E）作为权重函数 第62页，此课件共151页哦63 从上面的讨论中可知，从上面的讨论中可知，对于含有不同能量中子对于含有不同能量中子的系统，的系统，只要知道了材料的只要知道了材料的中子核反应截面中子
30、核反应截面，以及材料中的以及材料中的中子通量密度中子通量密度，就可以计算该材，就可以计算该材料与中子的核反应率了。料与中子的核反应率了。通过多年的测量、评价，各种材料的核截通过多年的测量、评价，各种材料的核截面数据已经积累了许多，可以拿来用；面数据已经积累了许多，可以拿来用；而计算材料中的中子通量分布，正是反应而计算材料中的中子通量分布，正是反应堆物理要做的主要工作。堆物理要做的主要工作。第63页，此课件共151页哦641.2.4 截面随中子能量的变化截面随中子能量的变化反应截面随中子能量的变化特性大致分为三个区域：反应截面随中子能量的变化特性大致分为三个区域：低能区（低能区（E1eV）：1/
31、v 区区 中能区中能区(1eV E 1keV)：共振区：共振区 高能区高能区/快中子区快中子区(E1keV)：截面较小，变化平缓：截面较小，变化平缓第64页，此课件共151页哦65吸收截面吸收截面u低能区低能区:许多核素的吸收截面符合许多核素的吸收截面符合1v规律。规律。（即中子飞行速度越低，越容易被核吸收）（即中子飞行速度越低，越容易被核吸收）第65页，此课件共151页哦66吸收截面吸收截面u对于对于多数轻核多数轻核（例如（例如 氢，硼等），氢，硼等），在中子在中子能量从热能一直到几个能量从热能一直到几个keV甚至甚至MeV的范围的范围内，其吸收截面都近似按内，其吸收截面都近似按1v规律变化
32、。规律变化。u对于对于重核和中等质量核重核和中等质量核，（例如（例如U-235，U-238，Pu-239，Cd-112等），在低能区等），在低能区其吸收截面偏离其吸收截面偏离1v 规律，故需要进行规律，故需要进行非非 1/v 修正修正。第66页，此课件共151页哦67第67页，此课件共151页哦68非 1/v 修正分子热运动最可几的能量是E=kT，其中k是波尔兹曼常数：k=1.3810-23J/K，T是介质绝对温度。以T=293K（即20C）代入，可得热中子能量E=0.0253eV，或中子速度v=2200m/s。第68页，此课件共151页哦69例子例子计算氢核对能量为计算氢核对能量为1eV的中
33、子的吸收截面的中子的吸收截面第69页，此课件共151页哦70l中能区中能区(1eV E 1keV)重核：强烈共振例如在例如在 6.67 eV 6.67 eV 处，处，U238U238有有一个宽度仅有一个宽度仅有0.027eV 0.027eV 的共的共振峰振峰,吸收截面高达吸收截面高达2 2万巴万巴轻核：第一激发态能量高，中能区不出现共振，在高能区出现l高能区高能区(E1keV)共振峰间距变小，开始重叠，以致不可分辨，变化缓慢平滑238U的总截面的总截面微观吸收截面微观吸收截面(续续)第70页，此课件共151页哦71微观散射截面微观散射截面非弹性散射截面非弹性散射截面阈能特点阈能特点，且阈能大小
34、与核的质量数有关，质量数越大，阈能越低。中子能量低于阈能时，截面in为零；高于阈能是，in随中子能量增加而增加第71页，此课件共151页哦72微观散射截面微观散射截面弹性散射截面弹性散射截面对于轻核、中等质量核，中子能量从低能到MeV范围，e近似为常数；高能区出现共振现象对于重核，在共振能区出现共振弹性散射对于热中子散射，需要考虑核热运动及化学键的影响第72页，此课件共151页哦73第73页，此课件共151页哦74第74页，此课件共151页哦75第75页，此课件共151页哦76微观裂变截面微观裂变截面易裂变核素：易裂变核素：低能区低能区/共振区共振区/高能区高能区与吸收截面变化规律类似与吸收截
35、面变化规律类似可裂变核素裂变具有阈能的特点可裂变核素裂变具有阈能的特点第76页，此课件共151页哦77第77页，此课件共151页哦78第78页，此课件共151页哦79第79页，此课件共151页哦80第80页，此课件共151页哦81微观裂变截面微观裂变截面第81页，此课件共151页哦82重要物理量重要物理量俘获俘获-裂变比裂变比：辐射俘获截面与裂变截面之比，=/f 与入射中子能量的关系与入射中子能量的关系第82页，此课件共151页哦83有效裂变中子数有效裂变中子数定义定义：燃料核每吸收一个中子后平均放出的中子数第83页，此课件共151页哦841.2.5 核数据库核数据库在进行核反应堆的核计算时，
36、首先需要知道具有各种不同能量的中子和各种物质相互作用的核反应及其相应的微观截面和有关参数，统称为核数据核数据核数据核数据：核科学技术研究和核工程设计所必需的基本数据，也：核科学技术研究和核工程设计所必需的基本数据，也是核反应堆计算的出发点和依据。是核反应堆计算的出发点和依据。为提高核设计的精度途径：改进计算方法与计算模型改进计算方法与计算模型+提高核数据提高核数据的精确性的精确性核数据的来源：实验测量（主要来源）实验测量（主要来源）理论计算理论计算第84页，此课件共151页哦85评价核数据评价核数据从原始数据到核工程师使用的数据，需要做大量的编撰（搜集、整理、储存等）及评价（分析、比较、鉴定及
37、理论处理等）工作，甚至还需要实验与理论计算结果的比较来检验这些数据的可靠性、自洽性、精确性，最终将数据汇编成便于工程人员使用的形式，即我们所说的评价核数据库评价核数据库。自20世纪70年代后，计算机成为核数据库数据储存、评价、检索的工具，从而大大提高数据库的质量及发展速度第85页，此课件共151页哦86国际五大评价核数据库国际五大评价核数据库美国美国ENDF、欧洲、欧洲JEF、日本、日本JENDL、俄罗、俄罗斯斯BROND、中国、中国CENDL网上可直接检索和下载:http:/www.nndc.bnl.gov/；http:/t2.lanl.gov/;第86页，此课件共151页哦87反应堆物理及
38、屏蔽设计计算反应堆物理及屏蔽设计计算评价核数据库（如ENDF/B、JEF，etc）数据库处理程序（NJOY)通用多群数据库(如MATXS、AMPX)点截面连续数据库(ACE)确定性方法的程序系统（如SN方法ANISN、DORT、TORT等）Monte Carlo程序系统(如MCNP)多群库处理程序(TRANSX、AMPX)专用多群数据库第87页，此课件共151页哦88 四、共振吸收四、共振吸收第88页，此课件共151页哦89第89页，此课件共151页哦90 慢化慢化 Slowing down当中子能量很高时，铀当中子能量很高时，铀235等核燃料的等核燃料的裂变截面裂变截面f（E）很小；）很小；
39、当中子能量很低时，铀当中子能量很低时，铀235等核燃料的等核燃料的裂变截面裂变截面f（E）很大。）很大。第90页，此课件共151页哦91由此可见低能中子容易引起铀裂变；低能中子容易引起铀裂变；铀裂变时放出的是高能中子，不容易引起铀铀裂变时放出的是高能中子，不容易引起铀裂变；裂变；为了增大下一代中子的裂变概率，宜将高能为了增大下一代中子的裂变概率，宜将高能中子慢化为低能中子。中子慢化为低能中子。第91页，此课件共151页哦92共振共振 Resonance中子从高能逐步慢化到低能的过程中，要通过中能区。中子从高能逐步慢化到低能的过程中，要通过中能区。铀铀238的吸收截面曲线在中能区有许多窄而高的峰
40、共振峰（俘获截面很大）。的吸收截面曲线在中能区有许多窄而高的峰共振峰（俘获截面很大）。6.67eV处的第一共振峰处的第一共振峰,俘获截面高达俘获截面高达20000巴巴核电站反应堆一般都采用低富集度的铀燃料，其中含有大量的铀核电站反应堆一般都采用低富集度的铀燃料，其中含有大量的铀238,故肯定有一故肯定有一部分中子在慢化过程中要被铀部分中子在慢化过程中要被铀238吸收。吸收。第92页，此课件共151页哦93 中子慢化过程中在共振能区被吸收的现象中子慢化过程中在共振能区被吸收的现象称为称为共振吸收共振吸收。铀铀238之类的具有一系列共振吸收峰的之类的具有一系列共振吸收峰的材料，称为共振吸收剂。材料
41、，称为共振吸收剂。第93页，此课件共151页哦94可分辨共振与不可分辨共振能量较低处的共振峰是宽间距的、清晰可分辨的。能量能量较低处的共振峰是宽间距的、清晰可分辨的。能量较高处的共振峰是密布连成一体的、不可分辨的。较高处的共振峰是密布连成一体的、不可分辨的。在热中子反应堆里在热中子反应堆里,可分辨共振起着主要作用可分辨共振起着主要作用.在快中子反应堆里在快中子反应堆里,可分辨共振不重要可分辨共振不重要,但是对不可分辨但是对不可分辨共振需要仔细考虑共振需要仔细考虑.WHY?第94页，此课件共151页哦95第95页，此课件共151页哦96快堆与热堆中子能谱比较快堆与热堆中子能谱比较第96页，此课件
42、共151页哦97为什么会有共振吸收现象？为什么会有共振吸收现象？某些重原子核（例如铀某些重原子核（例如铀239核）存在许多核）存在许多分立的能分立的能级（量子态）级（量子态）如果某种能量的中子被吸入铀如果某种能量的中子被吸入铀238核后、正好能使铀核后、正好能使铀239核跃迁到某个激发态，那么这种能量的中子被铀核跃迁到某个激发态，那么这种能量的中子被铀238核吸核吸收的概率就很大。收的概率就很大。第97页，此课件共151页哦98类比而得共振共振之名力学上桥梁的共振：驱动力的频率正好等于桥梁固有频率时候，发生共振，振幅最大。电波的频率正好等于收音机的谐振回路的频率时，发生共振，收到的信号最强。中
43、子能量恰好等于靶核激发到某个能级所需的能量中子能量恰好等于靶核激发到某个能级所需的能量时，被靶核俘获的概率最大，故也称为共振。时，被靶核俘获的概率最大，故也称为共振。第98页，此课件共151页哦99共 振除了除了共振俘获共振俘获，散射也有共振现象散射也有共振现象。即在某。即在某些能量处，散射截面很大。些能量处，散射截面很大。此外，此外，裂变也有共振现象裂变也有共振现象。在在热中子反应堆中，铀对中子的共振热中子反应堆中，铀对中子的共振吸收和共振散射（尤其是前者）是最重要吸收和共振散射（尤其是前者）是最重要的的，是我们讨论的重点。，是我们讨论的重点。第99页，此课件共151页哦100如何描述共振？
44、如何描述共振？1.1.在曲线上的共振峰附近，在曲线上的共振峰附近，逐点给出逐点给出 的截面值；的截面值；2.2.用数学方法将上述数据拟合成公式用数学方法将上述数据拟合成公式 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。实际上是用第三种方法实际上是用第三种方法第100页，此课件共151页哦101单能级俘获共振单能级俘获共振描述共振截面变化特性的参数：共振能共振能Er，峰值截面，峰值截面 0和和能级宽度能级宽度 能级宽度 在数值上近似等于共振截面曲线上当=0/2时对应的能量宽度对于静止的靶核及可分辨共振峰，在共振能Er附近发生x共振反应的截面x(E)可用单能级
45、布赖特单能级布赖特-维格纳公式维格纳公式表示第101页，此课件共151页哦102单能级单能级 B-W公式（俘获截面）公式（俘获截面）第102页，此课件共151页哦103共振参数共振参数第103页，此课件共151页哦104 第104页，此课件共151页哦105共振散射的共振散射的B-W公式公式第105页，此课件共151页哦1061.3.2 多普勒效应多普勒效应(Doppler effect)1842年奥地利物理学家多普勒提出了这一物理现象人在火车站台。火车飞驰而来（或飞驰而去）时，人听的汽人在火车站台。火车飞驰而来（或飞驰而去）时，人听的汽笛声频率与火车静止时不一样。原因：声源在运动笛声频率与火
46、车静止时不一样。原因：声源在运动当原子核运动时，与原子核静止时相比，共振吸收截面有显当原子核运动时，与原子核静止时相比，共振吸收截面有显著变化。著变化。类比而取多普勒之名也。类比而取多普勒之名也。第106页，此课件共151页哦107反应堆物理中的多普勒效应反应堆物理中的多普勒效应反应堆内温度升高，铀反应堆内温度升高，铀238的共振峰展宽、变矮。这一现象称为的共振峰展宽、变矮。这一现象称为共振的多普勒效应共振的多普勒效应。如下图，温度升高使得共振吸收截面从如下图，温度升高使得共振吸收截面从20000靶恩降低到靶恩降低到7000靶恩靶恩第107页，此课件共151页哦108为什么为什么中子能量都是6
47、.67eV温度为0K时，铀核的俘获截面是 20000 b，当温度为293K时，截面为何降低到7000 b？第108页，此课件共151页哦109原子核热运动的影响原子核热运动的影响如果铀如果铀238核是静止的核是静止的，那么用能量恰好等于，那么用能量恰好等于 6.67eV单能中子去轰击，俘获截面就是，单能中子去轰击，俘获截面就是，20000 b实际上只要温度高于绝对零度，原子核总是在作热运动实际上只要温度高于绝对零度，原子核总是在作热运动的。的。实际上实际上(E)中中 的的 E 应该是应该是中子与靶核的相对能量。中子与靶核的相对能量。靶核运动时，中子与靶核的靶核运动时，中子与靶核的相对运动速度相
48、对运动速度决定了截面的决定了截面的大小。而靶核的热运动速度大小与温度有关。大小。而靶核的热运动速度大小与温度有关。第109页，此课件共151页哦110第110页，此课件共151页哦111所所 以以共振吸收截面不但与中子能量（速度）共振吸收截面不但与中子能量（速度）有关，而且与靶核的能量（速度）有有关，而且与靶核的能量（速度）有关，即与靶核物质的温度有关关，即与靶核物质的温度有关。第111页，此课件共151页哦112反应堆物理中的多普勒效应反应堆物理中的多普勒效应第112页，此课件共151页哦113峰为何展宽？峰为何展宽？用用（E，T)表示表示中子能量中子能量和和介质温度介质温度对共振截面的影对
49、共振截面的影响。响。考虑铀考虑铀238核的运动后，铀核的运动后，铀238核对能量为核对能量为6.67eV的的中子的吸收截面有所减小。但是对能量在中子的吸收截面有所减小。但是对能量在6.67eV附近附近的许多中子，吸收截面会有所增加。这解释了共振峰展的许多中子，吸收截面会有所增加。这解释了共振峰展宽。宽。温度越高，核运动速度越大，更宽能量范围的中子有可温度越高，核运动速度越大，更宽能量范围的中子有可能被共振吸收。能被共振吸收。第113页，此课件共151页哦114峰为何降低？峰为何降低？在上页图上，温度为在上页图上，温度为293K时，铀时，铀238核对核对能量为能量为6.67eV的中子的俘获截面降
50、为的中子的俘获截面降为7000b，因为此时与能量为，因为此时与能量为6.67eV的中子的中子发生反应的是一群运动速度并不一致的核发生反应的是一群运动速度并不一致的核,中子与核之间的相对速度中子与核之间的相对速度各不相同，故俘各不相同，故俘获截面降低了，获截面降低了，7000b 是其平均值是其平均值.第114页，此课件共151页哦115 考虑多普勒效应后的考虑多普勒效应后的BW公式，公式，(E,T)的计算方法的计算方法第115页，此课件共151页哦116多普勒效应对反应堆安全的影响多普勒效应对反应堆安全的影响堆温度升高，铀堆温度升高，铀238吸收共振峰展宽，使得更多中子被吸收共振峰展宽，使得更多