第1章-核反应堆的核物理基础2014.
核物理学基本原理与核反应堆的教学设计
核反应堆的组成： 燃料棒、控制棒、 冷却剂、反应堆 压力容器、安全 壳等
工作原理：通过 控制棒控制燃料 棒的裂变反应， 产生热量，加热 冷却剂，产生蒸 汽，推动涡轮机 发电
裂变反应：铀 235原子在吸收 wk.baidu.com子后发生裂变， 释放出更多的中 子和能量
控制棒：通过吸 收中子或释放中 子来控制裂变反 应的速度，保持 反应堆的稳定运 行
核物理学基本原理与核 反应堆的教学设计
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01
核反应堆的教学设计
04
核物理学的概述
02
核反应堆的工作原理
03
核反应堆的教学实践
05
核反应堆的教学改革 与创新
06
添加章节标题
核物理学的概述
核物理的发展历程
添加标题
19世纪末：放射性物 质的发现，开启了核 物理的研究
添加标题
核反应堆的教学 改革与创新
传统教学方法的改革与创新
引入多媒体教学：利用视频、动画、 图片等手段，增强教学效果。
案例教学：通过分析实际案例，帮 助学生理解核反应堆的原理和应用。
添加标题
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添加标题
互动式教学：鼓励学生参与课堂讨 论，提高学习积极性。
实验教学：让学生亲手操作实验， 加深对核反应堆的理解。
20世纪初：原子结构 的研究，提出了原子 核的概念
《核反应堆物理分析》名词解释及重要概念整理
E E r 第一章—核反响堆的核物理根底
直接相互作用：入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使其从核里放射出来，而中子却留在了靶核内的核反响。
中子的散射：散射是使中于慢化(即使中子的动能减小)的主要核反响过程。
非弹性散射：中子首先被靶核吸取而形成处于激发态的复合核，然后靶核通过放出中子并放射 γ 射线而返回基态。
弹性散射：分为共振弹性散射和势散射。
微观截面：一个中子和一个靶核发生反响的几率。
宏观截面：一个中子和单位体积靶核发生反响的几率。
平均自由程：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。
核反响率：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)。
中子通量密度：某点处中子密度与相应的中子速度的乘积，表示单位体积内全部中子在单位时间内穿行距离的总和。
多普勒效应：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，同时峰值也渐渐减小，这种现象称为多普勒效应或多普勒展宽。
瞬发中子和缓发中子：裂变中，99％以上的中子是在裂变的瞬间(约 10-14s)放射出来的，把这些中子叫瞬发中子；裂变中子中，还有小于1％的中子是在裂变碎片衰变过程中放射出来的，把这些中子叫缓发中子。
其次章—中子慢化和慢化能谱
慢化时间：裂变中子能量由裂变能慢化到热能所需要的平均时间。
集中时间：无限介质内热中子在自产生至被俘获以前所经过的平均时间。
平均寿命：在反响堆动力学计算中往往需要用到快中子自裂变产生到慢化成为热中子，直至最终被俘获的平均时间，称为中子的平均寿命。
《核物理基础知识》课件
3 核子的结合能
核子的结合能指的是原子核内核子相互结合 所释放的能量。
4 核能的转化
核能可以通过核反应或核衰变转化为其他形 式的能量。
核裂变与核聚变
1
核裂变的定义及特点
核裂变是指重核被撞击或吸收中子后分
核裂变的过程
2
裂为两个或更多的轻核的过程。
核裂变过程涉及核反应，一般会释放出
巨大的能量。
3
核聚变的定义及特点
核聚变是指两个轻核结合形成一个更重
核聚变的过程
4
的核的过程。
核聚变在太阳和恒星中发生，释放出巨 大的能量。
放射性核素的性质与应用
放射性核素的定义及分类
放射性核素是指具有放射性的原子核，可以分 为α射线、β射线和γ射线。
放射性的Fra Baidu bibliotek量方法
放射性的测量可以通过探测器来进行，如 Geiger-Muller管和闪烁体探测器。
核武器的威力
核武器具有巨大的杀伤力和破坏力，能够对整 个城市和地区造成毁灭性打击。
核不扩散体系的建立及其进展
通过国际条约和多边合作，建立了核不扩散体 系，取得了一定的进展。
《核物理基础知识》PPT课件
核物理基础知识的课程PPT，通过本课件你将了解核物理基础概念、核裂变与 核聚变、放射性核素的性质与应用、核反应堆与核能的利用、核安全保障以 及核武器与核不扩散问题。
第一章：核反应堆物理分析
2. 反应堆物理（reactor physics）
研究反应堆内中子行为的科学。有时称neutronics。 或：研究、设计反应堆使得裂变反应所产生的中子与俘 获反应及泄露所损失的中子相平衡。
3. 原子核的特性 结合能(binding energy) (a)把一个粒子从一个系统中取出所需的净能量，有时称
1.110 2 1.310 3 4.010 5 2.910 5
速度（km/s）波矢（(Å）-1)
4.410 3
2 .210 4
7.610 3
3.810 4
1.410 1
6.910 3
2.010 1
9.810 3
3.110 1
1Leabharlann Baidu610 2
6.210 1 7.610 1
3.110 2 3.810 2
9.810 1
2.2 中子的散射
中子与原子核发生散射反应时，中子改变了飞行方向和飞行 速度。
能量比较高的中子经过与原子核的多次散射反应，其能量会 逐步减少，这种过程称为中子的慢化。
散射反应有两种不同的机制。
一种称为弹性散射。在弹性散射前后，中子——原子核体系 的能量和动量都是守恒的。任何能量的中子都可以与原子核发生 弹性散射。
4.910 2
2.2
0.11
3.4
0.17
3.9
核反应堆物理学
核反应堆物理学
1. 前言
核反应堆物理学是一门研究核反应堆的建设、设计、运行和安全
等问题的学科。核反应堆是一种利用核裂变或核聚变释放的能量发电
的装置，是目前人类能源内部重要的组成部分。因此，核反应堆物理
学的发展和研究对于人类的能源开发和利用具有重要的意义。
2. 核反应堆的结构和工作原理
核反应堆主要由堆芯、燃料元件、控制棒、冷却剂、冷却系统、
反应堆容器和燃料后处理装置等组成。其中，堆芯是核反应的主要地方，燃料元件则是堆芯内部的燃料单元。
核反应堆主要运用核裂变的过程来释放能量，并且利用反应堆中
燃料核的特性，控制反应堆输出的能量。反应堆中通过中子在核素中
的耦合，释放出反应堆的能量。
3. 核反应堆物理参数
核反应堆物理参数主要包括反应堆功率、腔子连续性、反应堆体积、燃料丰度、中子连续性、栅率和反应堆载荷等。这些物理参数决
定了反应堆能够产生的能量，并保证了反应堆的稳定性和安全性。
4. 核反应堆物理设计
核反应堆物理设计是指通过对核反应堆物理参数进行分析和计算，得出反应堆具体的设计方案。设计过程中需要引入各种物理参数，确
保反应堆能够从安全、经济和稳定性等角度运行长期。反应堆物理设计主要包括反应堆物理参数的斯坦语描绘和计算，以及结构设计等方面。
5. 核反应堆物理安全
核反应堆物理安全是保障反应堆长期稳定安全运行的重要保证。物理安全主要包括反应堆中核素的管理和安全监测等方面。同时，也需要考虑外界因素的作用，如地震、洪水、恐怖袭击等因素的影响。
6. 核反应堆物理研究的前景
随着经济和环保等因素的推动，核反应堆也在不断进行改良和升级，以使其能够更好地适应这些因素的变化，同时确保发电的稳定性和安全性。因此，核反应堆物理研究的前景非常广阔，也有着重要的理论和实践意义。
反应堆的核物理基础
剑桥的卢瑟福实验室的查德威克读了论文之后，敏感的认 识到该中性射线不是 射线。重复试验，并用该射线轰击14N核， 测得反冲氮核的最大动能为1.2MeV。
经计算，若想得到1.2MeV的反冲氮核，此 射线能量需达到89 MeV，远超过常见 射线的能谱范围，因此不是 射线。并利用 反冲质子和反冲氮核的数据，在弹性碰撞的动量、能量守恒近 似下，得到了该射线的粗略质量，约为1.15u，与质子质量相 近，于是认为该中性粒子就是导师卢瑟福在致力寻找的中子。 在约里奥-居里夫妇文章发表不到一个月，查德维克宣布发现 “中子”。并获得1935年的诺贝尔物理奖。
N O p
14 17
到1924年，卢瑟福已经从许多轻元素的原子核中打出了质子， 进一步证实了质子的存在。
中子的发现
发现中子之前，人们猜测原子核是由质子和电 子组成的。但不能解释原子核的质量。其他很多结果 也是与实验和理论不符。 1920年，卢瑟福提出，核中可能存在中性粒子。 1930年德国物理学家博思等利用钋发射的 粒子 轰击铍等轻元素，发现一种穿透力很强的中性射线， 它能穿过铅板被计数管记录下来。他们立即发表了这 一结果，并断言是 射线。 紧接着，巴黎居里实验室的约里奥-居里夫妇重 复了该实验，并用该射线轰击石蜡，结果测到了从石 蜡中飞出的反冲质子，最大能量5.7MeV。遗憾的是， 也错误的认为是 射线，并发表论文。
1908年诺贝尔化学奖 其他主要贡献：
核反应堆的核物理基础
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第一章核反应堆的核物理基础 (1)
§1.1 基本概念 (1)
§1.2 中子与原子核相互作用强度的量度 (7)
§1.3 核裂变过程 (10)
§1.4 热中子能谱与热中子平均截面 (14)
§1.5 链式裂变反应 (16)
第二章单速中子扩散理论
第一章核反应堆的核物理基础
§1.1基本概念
1. 反应堆（reactor , nuclear reactor）
能维持可控自持（续）核裂变链式反应的装置。
链式核反应（nuclear chain reaction）：核反应产物之一能引起同类的反应，从而使该反应能链式地进行的核反应。根据一次反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式反应可分为次临界的、临界的或超临界的三种。
2. 反应堆物理（reactor physics）
研究反应堆内中子行为的科学。有时称neutronics。或：研究、设计反应堆使得裂变反应所产生的中子与俘获反应及泄露所损失的中子相平衡。
中子行为
扩散慢化
中子与物质的相互作用
核中子相互作用
3. 原子核的特性
(1)组成：玻尔模型。
Z ：质子数 N ：中子数 A ：核子数 A=N+Z 符号：
X A
Z 同位素（Z 同，A 不同），化学性质相同，物理性质不同。
×=×=−−kg
M kg M n P 2727106749543.1106726485.1
质子(proton)：稳定（T
=×=−0
)
(106021892.119
n p e C e 库仑1/2=1030 y ）
自由中子(free neutron)：不稳定（T 1/2=10.6 min ）→质子+电子+反中微子(anti neutrino) 原子质量单位（atom mass unit ）:一个12C 中性原子处于基态的静止质量的1/12。
核反应堆物理-复习重点--答案
第一章核反应堆的核物理基础（6学时）
1.什么是核能？包括哪两种类型？核能的优点和缺点是什么？
核能：原子核结构发生变化时释放出的能量，主要包括裂变能和聚变能。
优点：1）污染小：2）需要燃料少;3）重量轻、体积小、不需要空气，装一炉料可运行很长时间。
缺点：1）次锕系核素具有几百万年的半衰期，且具有毒性,需要妥善保存;2）裂变产物带有强的放射性，但在300年之内可以衰变到和天然易裂变核素处于同一放射性水平上；3）需要考虑排除剩余发热。
2.核反应堆的定义。核反应堆可按哪些进行分类，可划分为哪些类型？属于哪种类型的核反应堆？
核反应堆：一种能以可控方式产生自持链式裂变反应的装置。
核反应堆分类：
3.原子核基本性质。
核素：具有确定质子数Z和核子数A的原子核。
同位素：质子数Z相同而中子数N不同的核素。
同量素：质量数A相同，而质子数Z和中子数N各不相同的核素.
同中子数：只有中子数N相同的核素。
原子核能级:最低能量状态叫做基态，比基态高的能量状态称激发态.激发态是不稳定的，会自发跃迁到基态，并以放出射线的形式释放出多余的能量.
核力的基本特点：
1）核力的短程性
2）核力的饱和性
3）核力与电荷无关
4.原子核的衰变。包括：放射性同位素、核衰变、衰变常数、半衰期、平均寿命的定义;理解衰变常数的物理意义；核衰变的主要类型、反应式、衰变过程，穿透能力和电离能力。
放射性同位素：不稳定的同位素，会自发进行衰变,称为放射性同位素。
核衰变:有些元素的原子核是不稳定的,它能自发而有规律地改变其结构转变为另一种原子核，这种现象称为核衰变，也称放射性衰变。
技术类《核反应堆物理》第1部分-核反应堆物理基础
核力
2）核力的饱和性 原子核中每个核子只与它邻近的有限数目的几 个核子发生相互作用，而不与核内所有的其它 核子都发生相互作用。
3）核力与电荷无关性 质子-质子、中子-中子和质子-中子的核力大致 相等，与电荷无关 。
4）核力是强作用力 事实表明，核力约比库仑力大两个数量级。
1.2 原子核的衰变
引言
本章将介绍与反应堆有关的原子核物理基础知识，主要是中子物理学基础。
首先，对物质的组成、原子核衰变、结合能与原子核的稳定性 作一简单介绍。 然后，介绍中子与原子核的各种核反应及其规律。
最后，对核裂变的机理作了介绍，并给出了反应堆热功率与中子通量密度的 关系以及衰变热的计算公式。
1.1 物质的组成
N0e1
该式表明，平均寿命是原子核数量降为 所需要的时间。
N0 /e
放射性活度
➢ 放射性同位素样品在单位时间内衰变的次数，即 为该同位素样品的活度(A)。
A(t) N(t)
➢单位：贝可勒尔，简称贝可（Bq） ➢(1居里)1Ci=3.7x1010/s=3.7x1010Bq ➢因此，半衰期也可以定义为某同位素活度（A）降为一半 所需要的时间。
A Z
X
A Z 1
Y
15 8
O
175
N
➢首先，核俘获一个轨道电子，然后这个电子同一个质子结合形 成一个中子(加一个中微子)。这种衰变相当于放出一个正电子和 一个中微子。β+衰变反应式如下表示：
《核反应堆物理分析》基本概念总结
238
（P27） （P31）
17)快中子增殖因数 ：由一个初始裂变中子所得到的、慢化到
U 裂变阈能以下的平均中子数；
逃脱共振俘获概率 p；热中子利用系数 f=燃料吸收的热中子数/被吸收的热中子总数； 有效裂变中子数 η：核燃料每吸收一个热中子所产生的平均裂变中子数， f f ； a f a 1 不泄漏率 Λ： s d ， s 为慢化过程中的不泄漏率， d 为扩散过程中的不泄漏率。
_
x
0
xP
x dx
0
xe
x
dx
1
，单位：m。
（P11） 单位：中子 / m 2 s
10)中子通量密度：单位体积内所有中子在单位时间内穿行距离的总和。 nv
￡- 1 -￡
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f
（P12） （P17）
13)多普勒效应或多普勒展宽：由于靶核的热运动随温度的增加而增强，所以这时共振峰的宽度将随着 温度的上升而增加，同时峰值截面也逐渐减小，我们称这种现象多普勒展宽。 14)每次裂变放出的平均中子数，用 E 表示。对于 235U和239 Pu 经验公式给出 （P23） （P27）
核反应堆的物理基础和原理
核反应堆的物理基础和原理随着科学技术的不断进步，人类对于核能的使用越来越广泛，核反应堆作为核能利用的重要方式之一，得以广泛应用。那么什么是核反应堆？它的物理基础和原理是什么？本文将为您一一解答。
一、核反应堆的定义和种类
核反应堆是利用核反应发生核能释放的装置，是核能利用的主要方式之一，广泛应用于电力、军事、医疗等领域。根据核反应堆的设计和用途，可分为热中子反应堆、中子星反应堆、混合反应堆、钚核反应堆等。
热中子反应堆主要利用热中子引发核反应，一般采用铀-235作为燃料，主要用于发电和研究用途。中子星反应堆利用快中子引发核反应，主要用于核武器等军事用途。混合反应堆是将热中子反应堆和中子星反应堆相结合，利用多种燃料，是一种高效的核反应堆。钚核反应堆主要利用钚-239作为燃料，可快速产生大量核能，主要用于核潜艇等军事用途。
二、核反应堆的物理基础
核反应堆的反应过程涉及到原子核的结构以及物理学中的一些基本定理，下面将一一介绍。
1.核物理学
核物理学是研究原子核结构、核反应以及核能释放等问题的学科。它与相对论、量子力学等学科有着千丝万缕的联系，是核反应堆设计中不可或缺的一部分。
2.裂变与聚变
核反应堆的反应过程中，经常涉及到裂变和聚变。裂变是指重核裂变成两个质量相对较小的核，并释放出大量的能量和中子。聚变则是指两个轻核结合成一个重核，并释放出大量的能量和中子。在核反应堆中，裂变是最常见的反应方式。
3.放射性衰变
放射性衰变是放射性核发生自发衰变，释放出粒子和能量的过程。放射性衰变是许多核反应堆反应链中的一环，不仅产生能量，还会产生一些高能粒子，对反应堆造成一定的影响。
CHAPTER 1-2-核物理基础-截面与反应率
235×c5/(235×c5+238×(1-c5))= ε
可以求得c5=0.030371
MUO2=235c5+238×(1-c5)+2×15.999=269.907
NUO2=2.325×1028m-3
N5=c5×NUO2 =0.0706×1028 m-3
N8=(1- c5)×NUO2=2.254×1028 m-3
T = ln2 /
平均寿命
表示每个原子核衰变前存在时间的平均值。平均寿命为
衰变常量的倒数，是半衰期的 1.44 倍；经过时间 后，剩
下的原子核数约为原来的 37％。
核物理基础
一些放射性同位素的半衰期
母同位素
碳-14 铀-235 铀-238 碘-131
子同位素 半衰期（年） 衰变类型
氮-14 铅-207 铅-206 氙-131
指数衰变律
在 t 到 t + dt 时间内发生衰变的原子核数与t时未衰变的 原子数 N 成正比，与时间 dt 成正比，为
-dN = N dt，积分得 N = N0 e- t 衰变常量 ：单位时间内原子核发生衰变的概率。
核物理基础
半衰期
母元素的数量（或者母元素的放射性活度）减少一半所 需要的时间称为半衰期：
上面讨论的是理想情况。实际的实验表明：在靶面积不变的情 况下，ΔI 正比于中子束强度 I，靶厚度Δx 和靶的核密度 N ， 即
核物理实验与核反应：核反应和核物理实验的实验设计与实践
核实验设计与实践
实验目的
明确实验的科学 目标与预期成果
实验装置
选择合适的实验 仪器和设备
实验方法
确定实验的操作 步骤和技术路线
结尾
通过本章的学习，我们了解了核物理实验与核反 应的基本概念和意义，以及核实验设计与实践的 重要性。在进一步学习中，我们将深入探讨核反 应的原理和实验方法，拓展对核物理领域的认识。
用于诊断
核物理实验在环境监测中的应用
放射性元素检测
用于环境监测和安全控制
核辐射水平监测
帮助预防核辐射污染
生态环境保护
核物理实验在环境监测中 对于保护生态环境具有重 要意义
核物理实验在材 料科学中的应用
核物理实验在材料科 学领域具有广泛的应 用。它可以用于研究 材料的辐照损伤、放 射性元素示踪等方面。 通过核物理实验，我 们能够提高材料性能， 促进材料科学的发展， 甚至开发出新型材料。
03 核实验设计与实践
考虑实验目的、实验方法、实验装置
核物理实验的意义
推动科学研 究
探索核结构、核 反应规律
确保核能安 全
防止核辐射污染 和事故发生
促进技术进 步
为能源领域提供 技术支持
核反应的基本概念
裂变
分裂原子核释放能量 常见于核电站反应堆
聚变
多个原子核融合释放能量 太阳等恒星运行的基础
《核反应堆物理分析》知识点整理
第一章—核反应堆的核物理基础
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。
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。
弹性散射：分为共振弹性散射和势散射。
111001
100[]A
A A Z
Z Z A
A Z Z X n X X n X n X n +*+→→++→+
微观截面：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。
宏观截面：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。
平均自由程：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。
核反应率：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)。 中子通量密度：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。
多普勒效应：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。 瞬发中子和缓发中子：裂变中，99％以上的中子是在裂变的瞬间(约10-14s)发射出来的，把这些中子叫瞬发中子；裂变中子中，还有小于1％的中子是在裂变碎片衰变过程中发射出来的，把这些中子叫缓发中子。
核反应堆物理分析,核反应堆热工水力学考研要求
核反应堆物理基础
一．核反应堆的核物理基础
1．中子与原子核的相互作用
相互作用的机理、中子吸收和中子散射
2．中子截面和核反应率
截面、自由程、中子通量密度、核反应率的概念
宏观截面的计算，各类型截面随中子能量的变化规律
3．共振现象与多普勒效应
4．核裂变过程
裂变能的释放、反应堆功率和中子通量密度之间的关系、裂变中子、裂变产物5．链式裂变反应
临界条件、四因子模型
二．中子慢化与慢化能谱
1．中子的弹性散射过程
弹性散射动力学、慢化剂的选择
2．无限均匀介质的慢化能谱
慢化方程、含氢无吸收介质的慢化谱
3．热中子堆的近似能谱
三．中子扩散理论
1．单能中子扩散方程
斐克定律、单能中子扩散方程
2．非增殖介质扩散方程的解
四．均匀反应堆的临界理论
1．均匀裸堆的单群临界理论
均匀裸堆的单群扩散方程、单群临界条件及临界时的中子通量密度分布2．双区反应堆的单群临界理论
双区反应堆的单群扩散方程、临界条件及临界时的中子通量密度分布3．双群扩散方程
五．非均匀反应堆
1．栅格的非均匀效应
六．反应性随时间的变化
1．核燃料中铀-235的消耗、钚-239的积累
2．氙-135中毒
平衡氙中毒、最大氙中毒、功率瞬变过程中的氙中毒、氙震荡3．钐-149中毒
4．燃耗深度与堆芯寿期
5．核燃料的转换与增殖
七．温度效应与反应性控制
1．反应性温度效应
反应性温度效应及其成因、堆芯内各种成分的反应性温度系数、温度反馈对反应堆安全的意义
2．反应性控制的任务
剩余反应性、控制棒价值、停堆深度
3．压水堆的几种反应性控制方式
八．核反应堆动力学
1．反应堆周期
2．点堆中子动力学方程
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2
19
放射性活度
• 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。
活度 ＝ N
• 活度的单位：贝可Bq，居里Ci
１贝可＝１次衰变/秒 １居里＝3.7 10
10
贝可
20
例子：
• 人体中大约含有0.2 % 的钾，钾－４０在天 然钾中的丰度为0.0117 %, 其半衰期为 12.77亿年。求体重７５公斤的人体内的放 射性活度。
9
amu
• amu（ 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 1/12 • 1u=（1.6605402±0.0000010）×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
• 实际上人体中还含有１８％的碳，天然碳 中放射性碳-14的丰度为1.2E-12,其半衰期 为5730年。考虑此因素后，人体内的放射 性活度大约是
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考古断代－碳14
• 由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分 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，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。因此今天挖 掘出来古代植物遗体内，碳中碳14的含量， 低于大气中的含量。
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丰度和富集度
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。 • 某种同位素的重量在该元素总重量中所占 的份额，称为这种同位素的富集度。
丰度和富集度一般都用百分比表示。
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例如：
在天然铀中，主要有铀235和铀238两种同位 素。 • 铀235的丰度是： 0.72% • 铀235的富集度是： 0.712%
– 按用途分：生产堆、实验堆、动力堆 – 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 子堆
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– 按发展历程分： • 第一代：20世纪50年代建造的原型堆，前苏联Obninsk（压力管 式石墨水冷堆），美国shippingport（压水堆），法国UNGG （天然铀石墨慢化气冷堆） • 第二代：20世纪60/70年代建造的商业机组，PWR（西屋312， 法玛通M310，俄罗斯VVER），加拿大CANDU堆，日本BWR堆 • 二代加：CPR-1000，CNP-1000 • 第三代：20世纪90年代开始设计研究的先进型核电厂：AP1000、 EPR
t
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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 ＝0.02/s
则 t ＝ 50ｓ
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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 T1
N0e e e
T1
2
N0 / 2
T1
2
1/ 2
2 ln 2 T1
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原子核的能态（能级）
在学习大学物理时，我们就知道，核外的电子可以 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，也可以从高能级 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。能量最小的状 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）。
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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 时刻存有的该种放射性核的数目成正比。
dN N dt 称为衰变常数,它与时间无关， 与核素的化学状态、温度、压力等 因素都无关。
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dN (t ) N (t ) dt N (0) N 0 (初始条件) N (t ) N 0 e
• 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，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、铅冷快堆
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核素，同位素
• 一般把具有相同质子数Ｚ、中子数Ｎ的一 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 同位素。 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个 质子，因而是同位素。
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E mc
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）。 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。
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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， 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： 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 放出能量。 U235一次裂变释放200MeV，DT聚变一次释 放17.6MeV，为什么氢弹能量>原子弹？？？
为什么富集度的值小于丰度的值？
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质量亏损
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 是小于组成它的所有核子的质量。
例: Al－27 的原子核含有13个质子和14个中子， 其质量为26.9744 amu 而 13个自由质子和14个自由中子的质量为 27.2159 amu 亏损的质量: 0.2415 amu
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结合能
• 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。 • 据爱因斯坦质能关系公式， 2 1u相当于931.5Mev, 1MeV= 1.60217646 × 10^-13 J 1eV等于一个电子在一伏电压加速时获得的能量 1度电等于3.6×10^6 J
上例中的结合能是0.2415*931.5=224.9MeV
核反应堆的核物理基础
张竞宇
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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：一种能以可控方式实现自持链式 核反应的装置 按原子核产生能量的方式：分为裂变反应堆、 聚变反应堆、聚变裂变混合堆、次临界反应 堆等
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核裂变反应堆分类：