核反应堆物理基础PPT

R nv
共振峰间距随能量增加变小，以致无法分辨， 这时复合核能级间隔变小的缘故。
R nv
R nv
轻核中能区不出现共振，这是第一激发能级高于该 能区（见表1.1)。和重核窄而高的共振峰不同，轻核 的共振峰宽而低，因此在热中子反应堆内，主要考 虑重核（如铀-238核）的吸收。
发态，靶核通过发射γ射线又返回基态。
动能不守恒的原因
A Z
X n (
0 1
A1 Z
X) ( X) n
A Z 1 0


A Z
X
非弹性散射的条件：
人射中子的动能高于靶核第一激发态的能量。
因此非弹性散射有阈能的特点。
核
12C 16o
23Na
27AL 56Fe 238U
第一个激发态 兆电子伏(MeV)) 4.43 6.06 0.45 0.84 0.84 0.045
1 0 7 3 4 2
在低能区，硼-10反应截面很大,被广泛用作反应堆控 制材料和热中子探测器。
1、（n,α）、（n,p）等反应
（n,p）反应的一般反应式为
A Z
X n (
1 0
A1 Z
X)

A Z 1
Y p
1 1
反应堆内重要的（n, p）反应有
16 8
o n N P
1 0 16 7 1 1
势散射物理过程：不形成复合核的散射过程。
A Z
X n X n
1 0 A Z 1 0
弹性散射的特点：
1、共振弹性散射只对特定能量的 中子才能发生。
2、势散射无阈能，对所有能量都
能发生。 3、散射过程中势散射起主要作用
一、中子的吸收
定义：入射中子与靶核作用中子消失的过程。 辐射俘获（n,γ）
σ s都近似为常数，值一般为几靶，在MeV区发生共振弹性散射。
R nv
3、微观裂变截面σf
热能区 ( E<1eV)
E=0.0253eV，σf=583.5靶， 钚-239的σf=744靶。
中能区 (1eV<E<103eV) 出现共振峰
高能区 (103eV<E) 裂变截面降到几b以下。 ，
2、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 离叫做平均自由程，用λ表示
相应的有散射平均自由程 吸收平均自由程
1

s 1 / S
a 1 / a
, 2
上面例题，中子在 水中的平均自由程
由于有
a H O 1/ a H O 1/ 2.22 0.4504 米
1、微观吸收截面
在低能区 有 En<1eV
a 1/ E 1/ V 即 a E 常数
那么
0.0253 ( E ) (0.0253 ) E
i a i a
上标i表第i种核素
即只要知道0.0253eV的截面（可查表，见附录），可 得其它能量的截面。
对多数轻核，在中子能量从热能一直到几千电子伏 甚至兆电子伏的区间内，其吸收截面都近似地按1/V 律变化
R=∑φ
R nv
2、平均截面
考虑到截面是中子速度的 函数，因此核反应率R应为 为了计算方便，将上式积 分号下的宏观截面用平均 宏观截面代替，于是有
R (v)n(v)vdv (v) (v)dv
R (v)dv (v)dv
得平均宏观截面
(v) (v)dv R (v)dv
单位体积的原子核数N的计算
N NA A
NA为阿伏加德罗常数:ρ为材料的 质量密度；A为该核素的原子量。
由几种核素组成的均匀物质，宏 观截面为各核素的宏观截面之和
i Ni i
i i
对化合物，Ni这样计算
Ni vi N分子
N 分子
N A
M
NA为阿伏加德罗常数:ρ为化合物 的质量密度；M为分子量。
第二个激发态兆 电子伏(MeV) 7.65 6.14 2.0 1.01 2.1 0.145
2、弹性散射
分为共振弹性散射和势散射两种。
共振弹性散射物理过程：中子首先被靶核吸收而形
成复合核，然后复合核衰变出一个能量较低的中子， 靶核回到基态。
A Z A A X 1 n ( Z 1 X ) Z X 1 n 0 0
核反应堆物理基础
第一章 核反应堆的核物理基础
核反应堆： 是一种能以可控方式产生自持链式裂变反应 的装置，它由核燃料、冷却剂、慢化剂、结构 材料和吸收剂等材料组成。 主要核过程： 中子与核反应堆内各种元素相互作用的 过程
§1.4 中子与原子核的相互作用
非弹性散射 弹性散射
一、中子的散射
辐射俘获（n,γ ）
1、（n,α）、（n,p）等反应
物理过程：中子被靶核吸收而形成复合核，然后复
合核衰变放出α 和P等粒子的过程。
（n, α ）反应的一般式为
A Z
X n (
1 0
A1 Z
X)
*
A3 Z 2
Y He
4 2
例如，热中子与硼-10发生的（n, α ）反应为
10 5
B n Li He
1、辐射俘获（n,γ）
堆内重要的俘获反应有：
238 92
U n
1 0
239 92
U
239 92
U
23分
1 0
_
239 93
NP
2.3天
233 90

239 94
Pu
232 90
233 90
Th n


Th


Th
22分
233 91
Pa
§1.5 中子截面和核反应率
一、微观截面
二、宏观截面与平均自由程 三、核反应率，中子通量密度和平均截面
四、截面随中子能量的变化 五、评价核数据库
一、微观截面
I IN A
I
I 1 I NA
：穿过薄靶后中子强度的改变量； 单位面积上的入射中子数 neutrons/cm2；
I
N A ：单位面积的靶核数
R nv
2、微观散射截面
(1)非弹性散射截面σin
特点: 具有阈能，且阈能与核
的质量有关，质量愈大，阈能 愈低，中子能量小于阈能时， σin为零；中子能量大于阈能时， σin随着能量增加而增大， 中子能量低于10兆电 子伏的范围内， σin 一般约为几靶。
12C非弹性散射截面在能量4.43MeV才不为
(v )dv
总的中子通量密度
R nv
四、截面随中子能量的变化
考察截面随能量的变化关系,对于提高核反应率具有重要意义。根据变化特性，可 以划分三个中子能区。 低能区或热能区(E<1eV)；中能区（1eV<E<104eV)，许多重核在该区截面出现共振 峰，也称该区为共振区。大于10keV为快中子区，截面平滑变化，且较小（常长小 于10b)。
R nv
可以有不同核反应率 吸收核反应率
Ra nv a
裂变核反应率 R f nv f
对多核素物质，核反应率为
R nv 1 nv 2 nv i
i 1 m
R nv
2、中子通量密度(中子注量率)
定义:
φ=nv
（中子/厘米2 .秒）
在反应堆内，某点的中子通量密度等于该点的中子 密度与该点中子速率的乘积，它表示单位体积内所 有的中子在一秒钟内穿行距离的总和。中子通量密 度是核反应堆物理中一个重要的参数，它的大小反 映出堆芯内核反应率的大小，因此也反映出堆的功 率水平。在热中子动力堆内，热中子通量密度的量 级一般约为1013至1014中子/厘米2· 。 秒 采用中子通量密度，核反应率 可以写成
二、宏观截面与平均自由程
1、宏观截面
定义:
N
单位体积内的原子核数N 和微观截面σ的乘积。
宏观截面表示一个中子与单位体积内所有原 子核发生某种核反应的几率；也表示一个中子在 介质中穿行单位距离与核发生某种核反应的几率。 其单位是米-1或厘米-1 。
根据微观截面σ的不同，它可以是散射宏观截 面或吸收宏观截面。
27天
233 92
U
辐射俘获反应产生放射性：
(1) 在用轻水作慢化剂、冷却剂、反射层或屏蔽 材料时，就要考虑中子与氢核的辐射俘获反应
1 1
H n H
1 0 2 1
(2)还有空气中的氩-40在辐射浮获反应后，生成 半衰期为1.82小时氩-41等
40 19
Ar n Ar
1 0 41 19
例题：
求能量为0.253eV的中子在水中的宏 观吸收截面。氢核和氧核的微观吸收 微面分别为0.332靶和0.0002靶。
M H 2 O 2 1.00797 15.9994 18.0153
6.0221023 106 3.3431028 分子 / 米3 18.0153
解： 水的分子量
中子吸收
(n, α)、(n, p) 等反应 核裂变
1、辐射俘获（n,γ）
物理过程：中子首先被靶核吸收而形成复合核，然 后复合核衰变放出γ射线的过程。
辐射俘获是最常见的吸收反应，它的一般反应式为
A Z
X n (
1 0
A1 Z
X)

A1 Z
X
辐射俘获反应可以在所有的中子能区内发生， 但低能中子与中等质量核、重核作用时更易于 发生这种反应。
零，且小于1b
R nv
(2) 弹性散射截面σs
较低能量中子的散射都是弹性的。对于轻核、 中等核，从低能一直到兆电子伏左右范围， σs都近似为常数，值一般为几靶。
共振弹性散射：重核在较低能区发生；轻核 （氧、碳等）要 在MeV能区才发生。
R nv
σs都近似为常数，值一般为几靶。
R nv
应的一种，用符号A(a,f)表示，中子诱发裂变为最重
要的一种诱发裂变。裂变过程除了放出2-3个中子外，
还释放出约210MeV的能量。
一些核，如铀-233、铀-235、钚-239和钚-241
等在各种能量中子作用下都能发生诱发裂变，而且
在低能中子作用下更容易发生裂变，称这些核为易 裂变核，在自然界中唯一存在的易裂变核只有铀235；核素钍-232、铀-238和钚-240等只有在能量高
对于重核和中等质量核，其吸收截面会偏离1/V律,甚至在低能和中能 区出现强烈共振吸收现象。例如，堆内常用的材料铀-238、铀-235、 钚-239、钐、镉等。
R nv
在中能区（共振区），有许多共振峰，第一个出现在 Er=6.67eV，峰值截面约7000靶，Er=21eV，29eV… 等多处出现强共振峰，共振峰分布一直延伸到了1千 eV以上，共振峰的形成是由于中子的能量恰好能使复 合核激发至某一能级的缘故。
于某一阀值能量的中子作用下才能发生裂变，通常
把它们称为可裂变核。
铀-235裂变一般表示为：
235 92
A1 Z1
236 A A 1 U 1 (92 U ) Z1 X Z 2 X 0n 0 1 2
A X , Z 2 X 为中等质量数的核，叫做裂变碎片 ，ν 为每次裂变 2 放出的中子数。
, 2
t 1/ t
可以证明： t s a
1
1
wenku.baidu.com
1
R nv
三、核反应率、中子通量密度和平均截面
1、核反应率（R)
定义: 单位时间内中子与单位体积内的原子 核发生反应的总次数（统计平均值）
R nv
（次/米3· 秒）
n为单位体积内的中子数，也称中子密度；v为中子 速率，Σ 为宏观截面。 核反应率是反应堆物理分析中常用到一个 重要的物理量
二、中子的吸收 （n.α ）、（n,p）等反应
核裂变
一、中子的散射
定义：入射中子与靶核作用后放出中子，入 射中子的能量部分或全部给了靶核。
非弹性散射 中子散射 弹性散射
动能不守恒 动能守恒
1、非弹性散射
物理过程：中子首先被靶核吸收而形成复合核，然 后复合核衰变出一个能量较低的中子，入射中子把 它的一部分动能转变成靶核的内能，使靶核处于激
氮-16的半衰期为7.3秒，它放出β和γ射线，这 一反应是水中放射性的主要来源。
3、核裂变
物理过程：一个较重的原子核自发地或在外来粒子
作用下分裂为大小相当的两块或稍多于两块的过程。
前者称为自发裂变,后者称为诱发裂变。自发裂变属 于核衰变的一种， 铀和超铀元素具有自发裂变现象，
252Cf为一重要自发裂变中子源；诱发裂变属于核反
单位体积内水 N N A H O MH O 分子的个数
2 2
单位体积内H 和O的个数
NH 2NH2O 2 3.3431028 6.6861028 原子/ 米3 NO 1NH2O 1 3.3431028 3.3431028 原子/ 米3
水的宏观 a,H2O a,H a,O NH a,H NO a,O 2.22米1 吸收截面