第1章-核反应堆的核物理基础

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1.1.2 中子与原子核相互作用机理
入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞， 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， 使其从核里发射出来，而中子却留在了靶 核内的核反应。如果从靶核中发射出来的核 核内的核反应 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γ射线，就 是直接非弹性散射过程。由于入射中子必须 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）， ），而在核反应堆内具有那 互作用（阈能），而在核反应堆内具有那 样高能量的中子数量很少， 样高能量的中子数量很少，所以在反应堆 物理分析中，这种直接相互作用不重要。 物理分析中，这种直接相互作用不重要。
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核素， 核素，同位素
• 一般把具有相同质子数Ｚ、中子数Ｎ的一 一般把具有相同质子数Ｚ、中子数Ｎ Ｚ、中子数 类原子（或原子核）称为一种核素 核素。 类原子（或原子核）称为一种核素。 • 具有相同质子数，不同中子数的核素称为 具有相同质子数， 同位素。 同位素。 例如，天然氧中含有氧18三种 例如，天然氧中含有氧-16, 氧-17, 氧-18三种 不同的核素。它们的原子核中都含有８ 不同的核素。它们的原子核中都含有８个 质子，因而是同位素。 质子，因而是同位素。
平均结合能
• 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）。 均结合能（也称为比结合能）。 上例中的平均结合能是8.33Mev 上例中的平均结合能是 • 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。
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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， 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， 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， 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。
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原子核的能态（能级） 原子核的能态（能级）
在学习大学物理时 我们就知道， 在学习大学物理时，我们就知道，核外的电子可以 大学物理 处于不同的能量状态（能级/轨道） 处于不同的能量状态（能级/轨道）,受到激发的电 子可以从低能级跃迁到高能级， 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，同时释放能量。 跳回低能级，同时释放能量。 原子核也可以处于不同的能量状态。 原子核也可以处于不同的能量状态。能量最小的状 态称为基态 能量较大的状态称为激发态 基态， 激发态。 态称为基态，能量较大的状态称为激发态。 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）。
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二、中子与原子核的相互作用
• 1.1.1 中子特性
氢核？ – 原子核由质子和中子两种核子组成 氢核？) 原子核由质子和中子两种核子组成(氢核 – 静止质量：1.675E-27kg，工程计算取为 静止质量： ，工程计算取为1u – 中子属性：不带电荷，不产生初级电离 中子属性：不带电荷， – 自由中子(free neutron)：不稳定（T1/2=10.6 min） 自由中子 ：不稳定（ ） →质子 电子 质子+电子 质子
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质量亏损
自由质子和自由中子结合成原子核时， 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， 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。
Al－ 的原子核含有13个质子和14个中子， 13个质子和14个中子 例: Al－27 的原子核含有13个质子和14个中子， 其质量为26.9744 其质量为26.9744 amu 13个质子和14个中子的质量为 个质子和14 而 13个质子和14个中子的质量为 27.2159 amu 亏损的质量: 亏损的质量: 0.2415 amu
−λt
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放射性核的平均寿命
平均寿命是衰变常数的倒数 t= 1
例如 λ＝0.02/s 则 ＝ 50ｓ t
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λ
半衰期
某种放射性核的数目减少一半所需要的时间 称为该种放射性核的半衰期,一般用T1 表示
2 − λ T1
N 0e e e
λ T1
2
= N0 / 2
− λ T1
2
= 1/ 2 =2 ln 2
在反应堆物理中将中子作为一个粒子来描述
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• 中子分类（按能量）： 中子分类（按能量）：
• 快中子(fast neutron)：E > 0.1 MeV • 超热中子(epithermal neutron)：1 eV < E < 0.1 MeV • 热中子(thermal neutron)：E < 1eV
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核裂变反应堆分类： 核裂变反应堆分类： 分类
– 按用途分：生产堆、实验堆、动力堆 按用途分：生产堆、实验堆、 – 按冷却剂或慢化剂分：轻水堆、重水堆、气冷堆、 按冷却剂或慢化剂分：轻水堆、重水堆、气冷堆、 液态金属冷却快中子堆 – 按引起裂变反应的中子能量分：热中子堆、快中 按引起裂变反应的中子能量分：热中子堆、 子堆
核反应堆的核物理基础
马续波
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Contents
基本概念 中子与原子核的相互作用 中子截面和核反应率 共振吸收 核裂变过程 链式裂变反应
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一、基本概念
核反应堆： 核反应堆：一种能以可控方式实现自续链式 核反应的装置 按原子核产生能量的方式：分为裂变反应堆、 按原子核产生能量的方式：分为裂变反应堆、 裂变反应堆 聚变反应堆、聚变裂变混合堆、 聚变反应堆、聚变裂变混合堆、次临界反应 堆等
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直接相 互作用
复合核的形成: 复合核的形成
第一阶段：复 第一阶段： 合核的形成
第二阶段：复合 第二阶段： 核的衰变分解
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结合能
• 亏损的质量转化为能量释放出来，这一 亏损的质量转化为能量释放出来， 部分能量称为结合能。 部分能量称为结合能。 • 据爱因斯坦质能关系公式， 据爱因斯坦质能关系公式， 1 ｕ 相当于 相当于931.5Mev, 上例中的结合能是 0.2415*931.5=224.9MeV
E = mc
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裂变放出的中子寿命约10 裂变放出的中子寿命约 -4~10-3s<<10.6 24 min,所以在反应堆物理中不考虑中子的衰变 所以在反应堆物理中不考虑中子的衰变 所以
中子波粒二象性： 中子波粒二象性：粒子性和波动性
• 约化波长：
4.55 × 10 −12 λ = m E
• E=1MeV/0.01eV, 约化波长为 ?/? • 氢原子直径：~10-10m
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考古断代－ 考古断代－碳14
• 由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分 由于宇宙射线作用， 放射性的碳－ 。 放射性的碳－14。活的植物由于不断进行 光合作用和新陈代谢， 光合作用和新陈代谢，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 含量与大气中相同。 含量与大气中相同 合作用和新陈代谢，其体内的碳－ 核由 合作用和新陈代谢，其体内的碳－14核由 于不断衰变，含量越来越少。 于不断衰变，含量越来越少。因此今天挖 掘出来古代植物遗体内，碳中碳14的含量 的含量， 掘出来古代植物遗体内，碳中碳 的含量， 低于大气中的含量。 低于大气中的含量。
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– 按发展历程分： 发展历程分
• 第一代：20世纪 年代建造的原型堆 第一代： 世纪 世纪50年代建造的原型堆 • 第二代：20世纪 第二代： 世纪 世纪60/70年代建造的商业机组 年代建造的商业机组 • 第三代：20世纪 年代开始设计研究的先进型核电厂： 第三代： 世纪 年代开始设计研究的先进型核电厂： 世纪90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 第四代：基于经济性、安全性、 扩散考虑的新一代核系统， 种潜在堆型 超高温堆、 种潜在堆型： 扩散考虑的新一代核系统，6种潜在堆型：超高温堆、 超临界水冷堆、熔盐堆、气冷快堆、钠冷快堆、 超临界水冷堆、熔盐堆、气冷快堆、钠冷快堆、铅冷 快堆
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碳-14的活度是6.022 × 1010 × 2.301×10−10 / 分＝13.8次 / 分 3.5=13.8e- λt 从13.8次 / 分下降到3.5次 / 分，需要经过的时间是 11343年。
Hale Waihona Puke 21丰度和富集度设样品中有一种元素， 设样品中有一种元素，此元素有若干种同位 素。 • 某种同位素的原子数目在该元素原子总数 中所占的份额，称为这种同位素的丰度 同位素的丰度。 中所占的份额，称为这种同位素的丰度。 • 某种同位素的重量在该元素总重量中所占 同位素的富集度。 的份额，称为这种同位素的富集度 的份额，称为这种同位素的富集度。 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
2
T1 =
2
λ
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放射性活度
• 某放射性样品，其在单位时间内发生的 某放射性样品， 衰变次数，称为该样品的的活度。 衰变次数，称为该样品的的活度。
活度 ＝ λ N
• 活度的单位：贝可，居里 活度的单位：贝可，
１贝可＝１次衰变/秒 １居里＝3.7 × 10
10
贝可
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例子： 例子：
• 人体中大约含有 人体中大约含有0.2 % 的钾，钾－４０在天 的钾， ４０在天 然钾中的丰度为0.0117 %, 其半衰期为 然钾中的丰度为 12.77亿年。求体重７５公斤的人体内的放 亿年。 ７５公斤的人体内的放 亿年 求体重７５ 射性活度。 射性活度。 • 实际上人体中还含有１８％的碳，天然碳 实际上人体中还含有１８％的碳， １８ 中放射性碳-14的丰度为 的丰度为1.2E-12,其半衰期 中放射性碳 的丰度为 其半衰期 为5730年。考虑此因素后，人体内的放射 年 考虑此因素后， 性活度大约是