核反應(yīng)堆物理

本文格式為Word版，下載可任意編輯——核反應(yīng)堆物理第一章核反應(yīng)堆的核物理基礎(chǔ)（6學(xué)時(shí)）1.什么是核能？包括哪兩種類型？核能的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？

核能：原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)釋放出的能量，主要包括裂變能和聚變能。

優(yōu)點(diǎn)：1）污染?。?）需要燃料少；3）重量輕、體積小、不需要空氣，裝一爐料可運(yùn)行很長時(shí)間。

缺點(diǎn)：1）次錒系核素具有幾百萬年的半衰期，且具有毒性，需要合理保存；2）裂變產(chǎn)物帶有強(qiáng)的放射性，但在300年之內(nèi)可以衰變到和自然易裂變核素處于同一放射性水平上；3）需要考慮排除剩余發(fā)熱。2.核反應(yīng)堆的定義。核反應(yīng)堆可按哪些進(jìn)行分類，可劃分為哪些類型？屬于哪種類型的核反應(yīng)堆？

核反應(yīng)堆：一種能以可控方式產(chǎn)生自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置。核反應(yīng)堆分類：分類的著眼點(diǎn)A．用途名稱和特征A1動(dòng)力堆：發(fā)電，供熱，作為推進(jìn)動(dòng)力A2生產(chǎn)堆：生產(chǎn)钚－239或氚A3研究試驗(yàn)堆A4特別用途堆3.原子核基本性質(zhì)。核素：具有確定質(zhì)子數(shù)Z和核子數(shù)A的原子核。同位素：質(zhì)子數(shù)Z一致而中子數(shù)N不同的核素。

同量素：質(zhì)量數(shù)A一致，而質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N各不一致的核素。同中子數(shù)：只有中子數(shù)N一致的核素。

原子核能級：最低能量狀態(tài)叫做基態(tài)，比基態(tài)高的能量狀態(tài)稱激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，會自發(fā)躍遷到基態(tài)，并以放出射線的形式釋放出多余的能量。核力的基本特點(diǎn)：1）核力的短程性2）核力的飽和性3）核力與電荷無關(guān)4.原子核的衰變。包括：放射性同位素、核衰變、衰變常數(shù)、半衰期、平均壽命的定義；理解衰變常數(shù)的物理意義；核衰變的主要類型、反應(yīng)式、衰變過程，穿透能力和電離能力。

放射性同位素：不穩(wěn)定的同位素，會自發(fā)進(jìn)行衰變，稱為放射性同位素。核衰變：有些元素的原子核是不穩(wěn)定的，它能自發(fā)而有規(guī)律地改變其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核，這種現(xiàn)象稱為核衰變，也稱放射性衰變。

衰變常數(shù)：它是單位時(shí)間內(nèi)衰變幾率的一種量度；物理意義是單位時(shí)間內(nèi)的衰變幾率，標(biāo)志

著衰變的快慢。

半衰期：原子核衰變一半所需的平均時(shí)間。

平均壽命：任一時(shí)刻存在的所有核的預(yù)期壽命的平均值。衰變類型細(xì)分前后變化射線性質(zhì)

αβαβ-β+電子俘獲Z減少2，A減少4Z增加1，A不變Z減少1，A不變Z減少1，A不變激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷電離才干強(qiáng)，穿透才干小電離才干較弱，穿透才干較強(qiáng)γγ電離才干幾乎沒有，穿透能力很強(qiáng)5.結(jié)合能與原子核的穩(wěn)定性。包括：質(zhì)量虧損、結(jié)合能和比結(jié)合能的定義；理解釋放能量的兩種途徑。

質(zhì)量虧損：核子（質(zhì)子和中子）結(jié)合構(gòu)成原子后總質(zhì)量減少。結(jié)合能：根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能公式

，原子核形成過程中，質(zhì)量減少了，減少的質(zhì)量

必然以能量的形式放了出來，這種能量稱為結(jié)合能。

比結(jié)合能：由單個(gè)核子（質(zhì)子和中子）結(jié)合成該原子核時(shí)平均到每個(gè)核子所釋放的能量。釋放核能的兩種途徑：輕核聚變；重核裂變

原因：相對于中等核來說，輕核和重核的比結(jié)合能較??；從比結(jié)合能定義，通過把結(jié)合能比較小的核素變成結(jié)合能比較大的中等核，就能放出一些能量，這正是目前通過重核裂變成中等核或輕核聚變成中等核等方式來利用原子核能的思路。6.中子與核發(fā)生相互作用。包括：理解特性；理解相互作用過程；熟悉作用最終結(jié)果；熟悉核反應(yīng)式表達(dá)形式；熟悉主要反應(yīng)類型。

遵循的原則：核子數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，動(dòng)量守恒，能量守恒（動(dòng)能和質(zhì)量能）中子的特性：不帶電荷，與原子核相互作用不存在庫倫壘力，可與核直接作用中子與核發(fā)生相互作用過程：勢散射、直接相互作用、復(fù)合核的形成

中子與核相互作用最終結(jié)果分兩大類：散射：彈性散射和非彈性散射；吸收：包括（n，f）；（n，γ）；（n，α）；（n，p）等核反應(yīng)式表達(dá)形式：

主要反應(yīng)類型：

彈性散射：靶核內(nèi)能不變即基態(tài)，經(jīng)典力學(xué)適用（動(dòng)量和動(dòng)能都守恒），熱中子反應(yīng)堆內(nèi)起主要作用，（n，n）

非彈性散射：靶核內(nèi)能發(fā)生變化（動(dòng)量守恒，動(dòng)能不守恒），處在激發(fā)態(tài)上，并返回基態(tài)，放出射線，閾能特點(diǎn)，（n，n’）輻射俘獲（包括共振吸收）：復(fù)合核退激過程

238U＋n→239U→→239Pu；232Th＋n→233Th→→233U；（n，γ）

放出帶電粒子的反應(yīng)：10B＋n→7Li＋4He；16O＋n→16N+1H；（n，α），（n，p）

放出n個(gè)中子的反應(yīng)：（n，2n），（n，3n）裂變反應(yīng)：

235U+n→236U*→A1X+A2X+vn；（n，f）7.核截面和核反應(yīng)率。包括：微觀截面、宏觀截面、平均自由程、核反應(yīng)率和中子通量密度的定義并理解；把握核反應(yīng)截面隨中子能量的變化規(guī)律。

微觀截面：σ，表示平均一個(gè)入射中子與一個(gè)靶核發(fā)生相互作用的幾率大小的一種

-282

度量。單位尋常為barn（靶），10m。

-1-1

宏觀截面：；即核密度與該核的微觀截面的乘積。單位m。習(xí)慣用cm。

3

物理意義1：表征一個(gè)中子與單位體積內(nèi)（1m）內(nèi)的原子核發(fā)生核反應(yīng)的平均幾率大小的一種度量。

物理意義2：一個(gè)中子穿行單位距離與核發(fā)生反應(yīng)的幾率大小的一種度量。

平均自由程：我們把宏觀截面的倒數(shù)定義為平均自由程，記為λ。

物理意義：平均自由程表示的是中子在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，平均要走多長路程才與介質(zhì)的原子核發(fā)生一次相互作用。

截面隨中子能量的變化規(guī)律：1）低能區(qū)（E10keV）,截面一般都很小，尋常小于10靶，而且截面隨能量變化也趨于平滑。

核反應(yīng)率：單位時(shí)間內(nèi)在單位體積內(nèi)發(fā)生核反應(yīng)的次數(shù)。

其中，中子通量密度φ：單位體積中（1m3）所有中子在單位時(shí)間（1s）內(nèi)飛行的總路程。

8.核反應(yīng)的共振現(xiàn)象。包括：共振類型、特點(diǎn)和共振峰的典型參數(shù)；多普勒效應(yīng)的定義；共振的性質(zhì)；

共振類型：俘獲共振、散射共振、裂變共振

特點(diǎn)：重核在低能區(qū)和中能區(qū)就存在；前段可分辯，后段逐漸難分辯共振峰的典型參數(shù)：共振能，峰值截面和能級寬度

多普勒效應(yīng)：因靶核的熱運(yùn)動(dòng)，本來具有單一能量的中子，從它與核的相互作用看，與靶核的相對能量有一個(gè)范圍展開，使共振峰展開而共振峰的峰值下降，稱為多普勒效應(yīng)。共振的性質(zhì)：

靶核的溫度上升，①共振峰進(jìn)一步加寬和②降低峰值，稱為多普勒展寬。③積分值不變，即不隨溫度T變化而變化。

9.核裂變反應(yīng)。包括：理解易裂變核和可裂變核；理解裂變截面（微觀截面和宏觀截面）與哪些因素有關(guān)。微觀裂變截面與哪些因素有關(guān)？把握核反應(yīng)堆內(nèi)的主要放射性來源、瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子、有效裂變中子數(shù)，裂變中子的能量分布規(guī)律及平均能量，裂變能量種類及可回收狀況，反應(yīng)堆功率和核裂變反應(yīng)率的關(guān)系，停堆后的衰變熱規(guī)律等。易裂變核：吸收動(dòng)能為零的中子后就可以裂變的核。如

。

可裂變核：入射中子必需具有一定動(dòng)能才能使之裂變的核，如。

宏觀截面大小影響因素：入射中子能量，靶核類別，靶核溫度，靶核密度。微觀截面大小影響因素：入射中子能量，靶核類別，靶核溫度。堆內(nèi)的主要放射性來源：裂變產(chǎn)物的放射性衰變。瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子：有效裂變中子數(shù)：表征燃料核每吸收一個(gè)中子后平均放出的中子數(shù)，稱為有效裂變中子數(shù)，用η表示。

裂變中子的能量分布規(guī)律：瞬發(fā)裂變譜：

瞬發(fā)中子的平均能量約為2MeV裂變能量種類及可回收狀況：

反應(yīng)堆功率和核裂變反應(yīng)率的關(guān)系:反應(yīng)堆熱功率：

＝R

V。

其中，R為核裂變反應(yīng)率。停堆后衰變熱功率:

1)部分裂變產(chǎn)物釋放的緩發(fā)中子引起的核裂變產(chǎn)生的能量，只在停堆后幾分鐘內(nèi)到幾十分鐘起作用。

2）裂變產(chǎn)物和中子俘獲物進(jìn)行放射性衰變，釋放出能量，是反應(yīng)堆剩余功率的主要來源。

其次章中子慢化和擴(kuò)散（5學(xué)時(shí)）1)自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的定義。從自持角度分析反應(yīng)堆在哪些狀況下分別屬于哪幾種狀態(tài)？

自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)：反應(yīng)堆系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的裂變反應(yīng)在不依靠外界補(bǔ)充中子的狀況下，能持續(xù)一代一代地發(fā)展下去，這樣的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)叫做自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。三種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：

2)中子循環(huán)的定義。中子消失的途徑和位置。

中子循環(huán)：就是指裂變中子經(jīng)過慢化成為熱中子，熱中子擊中燃料核引發(fā)裂變又放出裂變中子這一不斷循環(huán)的過程。中子消失的途徑和位置：

3)在熱中子反應(yīng)堆中，中子的增減和平衡主要有哪些過程。增加過程：

1）U-238的快中子增殖2）U-235的熱中子裂變減少過程：1）慢化劑和結(jié)構(gòu)材料等物質(zhì)的輻射俘獲。2）慢化過程中的共振吸收。3）中子的泄漏。包括：①慢化過程中的泄漏。Pf

②熱中子擴(kuò)散過程中的泄漏。Pt4)六個(gè)因子的定義。四因子和六因子公式。

快中子倍增