哈工程核反应堆的核物理第三章核反应堆的核物理基础

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（n,p）（n,α）等反应
（n,p）反应一般形式：
A Z
X
01n
[
A1 Z
X
]
YA
Z 1
11H
反应堆内典型反应：
186O
01n
16 7
N
11H
（n,α）反应一般形式：
A Z
X
01n
[
A1 Z
X
]
Y A3
Z 2
4 2
He
核裂变
235U裂变的一般形式：
U 235
中子按能量分类：在反应堆物理中，通常按能量大小把中子分 成3类：快中子；中能中子；热中子。
中子与原子核相互作用机理
三种相互作用方式 •势散射 •直接相互作用：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的核反应。 • 复合核的形成：
n 靶核[ZA X ] 复合核[ZA1 X ]
平均自由程
描述：中子在介质中运动时，与原子核连续两次相 互作用之间穿行的平均距离叫作平均自由程。
表示：
x
xP(x)dx
xexdx 1
0
0
对于中子与靶核不同类型的相互作用．可定义不同 类型的平均自由程，如定义散射平均自由程，吸收 平均自由程等等。
核反应率
描述：每秒每单位体积内的中子与介质原子核发生作用的总次 数(统计平均值)。
共振参数描述：共振能，峰值截 面，能级宽度。
单能级布赖特—维格纳公式：
x (E)
0
x
Er
2
E 4(E Er )2 2
多普勒效应
描述：由于靶核的热运动 随温度的增加而增加，所 以这时共振峰的宽度将随 着温度的上升而增加，同 时峰值也逐渐减小，这种 现象称为多普勒效应或多 普勒展宽。
表示：
R nv
对于由多种元素组成的均匀混合的物质，反应率应为中子与 各种元素核相互作用的反应率之和，即
m
R nv1 nv2 L nv i nv i 1
中子通量密度
中子通量描述：某点处中子密度与相应的中子速度的乘积，表 示单位体积内所有中子在单位时间内穿行距离的总和。
表示：
nv
E
R
(E)dE
要计算平均截面或反应E 率，必须首先知道中子通量密度按能量
的分布
截面随中子能量的变化
考察元素反应截面随入射中子能量E变化的特性，可以发现大体 上存在着三个区域：
低能区（E≤1eV）：在该区吸收截面随中子能量的减小而逐渐 增大，即与中子的速度成反比，该区域也叫做1/v区；
中能区（ 1eV<E≤103 eV）：在这个区域，相当一部分重元素 核的截面出现了许多共振蜂，因此该区也称为共振区；
中子的散射
散射是使中于慢化(即使中子的动能减小)的主要核反应过程。
非弹性散射：中子 首先被靶核吸收而 形成处于激发态的 复合核，然后靶核 通过放出中子并发 射γ射线而返回基态。
A Z
X
10
n
[ A1 Z
X
]
[ZA
X ]
10
n
ZA X 10 n
弹性散射：分为共振弹性散射和势散射。
A Z
X
10
微观截面
描述：一个粒子入射到单位面积内只含一个靶核的 靶子上所发生的反应概率，或表示一个入射粒子同 单位面积靶上一个靶核发生反应的概率。
公式表示：
s = -VI = - VI / I IN Vx N Vx
单位：σ具有面积的量纲。 单位用“靶恩”，记为
barn或b。(图)
宏观截面
描述：表征一个中子与单位体积内原子核发生核反应的平均 概率大小的一种度量。也是一个中子穿行单位距离与核发生 相互作用的概率大小的一种度量。
公式表示：
N dI / I
计算方法：
dx
N N0
A N0 6.022 1023 mol 1
例题：
1. 水的密度为103kg／m3，对能量为0.0253eV的 中子，氢核和氧核的微观吸收截面分别为0.332b 和2.7×10-4b，计算水的宏观吸收截面。
2. UO2的密度为10.42×103kg／m3，235U的富集 度ε=3％(重量百分比)。已知在0.0253eV时， 235U 的微观吸收截面为680.9b，238U为2.7b，氧为 2.7×10-4b。确定UO2的宏观吸收截面。
快中子区：该区的截面通常很小。在大多数情况下小于10b， 而且截面随能量的变化比较平滑。
微观吸收截面
微观散射截面
非弹性散射截面：非弹性散射有阈能特点，且这阈能的大小与核的质 量数有关，质量数愈大的核，其阈能愈小。当中子能量小于阈能时， σin为零；而当中子能量大于阈能时， σin随着中子能量的增加而增大。
92
01n
[
U 236
92
]
X A1
Z1
Y A2
Z2
01n
概念描述：
易裂变同位素：在各种能量的中子作用下均能发生 裂变，但在低能中于作用下发生裂变的可能性较大， 通常把它们称为易裂变同位素；
可裂变同位素：只有在能量高于某一阈值的中子作 用下才发生裂变，通常把它们称为可裂变同位素。
1.2 中子截面和核反应率
弹性散射截面：多数元素与较低能量中子的散射都是弹性的。σs基本 上为常数，截面值一般为几b。对于轻核、中等核，中子能量从低能 一直到MeV左右范围， σs 都近似为常数。对于重核在共振能区将出 现共振弹性散射。
微观裂变截面
1.3 共振吸收
共振截面——单能级布赖特—维格纳公式
共振分类：可分辨共振，不可分 辨共振。
由于各个中子具有不同的运动方向，因而它和中子的流动并没 有直接的关系，它是标量而不是矢量，所以引入中子通量密度。
平均截面
在实际的反应堆内中子并不具有同一速度或能量而是分布在一 个很宽的能量范围内。
中子数关于能量的分布称为中子能谱分布。 平均截面又称为等效截面。
( E ) ( E )dE
第1章 核反应堆的核物理 基础
1.1 中子与原子核的相互作用
中子性质
中子质量：原子核的核子之一，静止质量在工程计算中近似 取1u。
中子的电荷：中子不带电，在靠近原子核时不受核内正电的排 斥。
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子核的相互作用时，都把中子作为一 个粒子来描述。
n
[ A1 Z
X
]
ZA
X
10
n
A Z
X
10
n ZA
X
10
n
在热中子反应堆 中，对中子从高 能慢化到低能的 过程起主要作用 的是弹性散射。
中子的吸收
辐射俘获（n，γ）
一般形式：
A Z
X
01n
[
A1 Z
X
]Hale Waihona Puke Baidu
X A1 Z
反应堆内典型反应：
U 238
92
01n
U 239
92
特点：辐射俘获会产生放射性核，因此会给反应堆设