反应堆工整理讲解.docx

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反应堆工整理讲解

第一章反应堆简介

1.反应堆概念

核反应堆是利用易裂变物质使之发生可控自持链式裂变反应的一种装置。

2.反应堆的用途

生产堆：

专门用于生产易裂变或聚变物质的反应堆

实验堆：

主要用于实验研究

动力堆：

用于动力或直接发电的反应堆

3.反应堆种类

按慢化剂和冷却剂可分为：

轻水堆、重水堆、石墨气冷堆和钠冷快堆等

其中，动力堆的类型有压水堆（PWR）、沸水堆（BWR）、重水堆（HWR）、气冷堆（HTGR）、快中子增殖堆（LMFBR、GCFR）

第二章核物理基础

1.原子与原子核

92种天然元素和12种人工元素；原子核由质子和中子组成（H除外），质子和中子通称为核子，核子数即称质量数

2.原子核的组成及属性（电、质量、尺寸）

原子核带正电，半径为，

其中质子带正电，质量为1u，中子不带电，质量为1u

3.同位素及核素的表示符号

同位素是指质子数相同而中子数不同的元素，其化学性质相同，在元素周期表中占同一个位置，丰度。

例P有7种同位素，但每一种P均为一种核素。

核素的表示。

4.原子核的能级状态，激发态

原子核内部的能量是量子化的，即非连续，可分为基态和激发态，激发态能级不稳定，易发生跃迁释放能量

5.原子核的稳定性，衰变与衰变规律

一般而言，质子数和中子数大致相等时原子核是稳定的，而质子数与中子数差别很大时则原子核不稳定。

衰变：

原子核自发地放射出α和β等粒子而发生的转变，常见的有衰变、α衰变、γ衰变等。

对单个原子核而言，衰变是不确定的；对大量同类原子核而言，衰变是按指数规律进行的，即

6.Alpha、Beta、Gamma衰变

Alpha衰变是指衰变过程中释放出α粒子（He核，两个中子和两个质子组成）

Beta衰变是指衰变过程中原子核释放出电子（正/负），内部一质子变为中子

Gamma衰变是原子核从较高的激发态跃迁到较低的激发态或基态，释放出γ射线

7.衰变常数、半衰期、平均寿命

一个原子核在某一小段时间间隔内发生衰变的几率即为衰变常数λ，其反应的是原子核本身特性，与外界条件无关。

原子核衰变一半所需的平均时间称为半衰期，。

平均寿命是指核数降为原来1/e所需的时间，

8.放射性活度及其单位

放射性活度：

一定量放射性物质（核素）单位时间内发生的核衰变数

国际单位是贝克勒尔Bq，专用单位为居里Ci；

9.原子核内核子间的作用力

原子核内核子间的作用力（核力）是短程力，与电荷无关，具有饱和性，且与核子的自旋态有关

10.结合能与比结合能

自由核子组成原子核所释放的能量称为原子核的结合能，原子核平均每个核子的结合能称为比结合能

11.质量亏损

原子核质量与各单个核子质量和的差值即称为质量亏损,即为结合能

12.裂变能与聚变能

重核裂变为若干中等核所释放的能量即为裂变能；

轻核结合成一个核过程中所释放的能量即为聚变能

13.弹性散射

弹性散射：

中子与靶核碰撞过程中，动能、动量守恒，靶核的能级状态没有改变的反应。

碰撞后，中子的运动方向和能量都有所改变，中子从快中子到热中子的过程主要是依靠与轻核的弹性散射以损失能量实现

14.非弹性散射

非弹性散射：

类似于弹性散射，但是靶核的能级状态有所升高。

常伴随靶核的γ衰变，高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射

15.辐射俘获

中子辐射俘获：

中子撞击靶核并被靶核吸收/俘获。

其用途主要有：

实现反应堆的控制；实现不裂变材料的转化与增殖

16.裂变反应，裂变临界能

裂变反应：

中子撞击靶核，被靶核所吸收/俘获之后，靶核变成了两个碎片（其他物质的原子核），同时释放出2—3个中子和能量（结合能）

自然界中存在的物质只有与中子作用可发生裂变反应；

易裂变核素，可裂变核素

17.复合核模型

热中子反应堆内发生的核反应基本上都可以用复核模型来解释：

入射粒子与靶核形成一个复核，且该复核处于激发态，之后复核衰变形成新核并放出其他粒子，其过程可以表示为：

18.裂变产物

裂变产物有多种，由裂变产物的产额曲线可以看出，质量数在95和139附近的两种碎片的产额最大，而碎片质量相等时的概率很低，约0.01%

19.剩余发热

裂变产物在稳定之前都伴随β、γ衰变，释放裂变热，这也就使得衰变热成为反应堆安全需要解决的问题。

20.裂变能

每次裂变释放的能量约为200~210MeV，其中裂变碎片动能占约85%，其他15%则是通过各种射线载带的

21.微观截面与宏观截面

微观截面σ表示靶层中一个靶核与束内一个中子发生某类反应的几率，单位靶（b）,；

宏观截面表示靶层内所有靶核与束内中子发生某类反应的几率，也可表示为在介质内的单位程长上中子与靶核发生某类反应的几率。

22.瞬发中子与缓发中子

绝大部分中子是伴随着裂变而瞬时释放的，称为瞬发中子；

很少一部分中子是裂变后延时释放出来的，称为缓发中子，缓发中子虽份额不到1%，却是反应堆实现可控的关键

23.裂变中子的数量与能量

每次裂变平均释放2~3个中子，平均能量为2MeV；

24.转化比与增殖比

堆内消耗一个易裂变原子所产生的平均易裂变原子数称为转化比C；

若C>1，则堆内产生的易裂变物质原子要比消耗的多，此时的C称为增殖比。

第三章中子的扩散、慢化与临界理论

1.快中子、热中子、中能中子

快中子能量约为；

热中子能量约为0.025eV，是因其运动与分子热运动平衡，故得名

中能中子能量约为

2.中子的慢化与热化

中子的慢化：

通过与其他原子核相互作用而使裂变释放的快中子损失能量，变为热中子。

中子的慢化主要依靠中子与轻核物质之间的弹性散射实现

热化：

当中子7运动速度与靶核相当时，中子与靶核的碰撞可能获得能量，即为“热化”

3.快中子堆、热中子堆

利用快中子实现核裂变的堆型称为快中子堆

利用热中子实现核裂变的堆型称为热中子堆（未找到确切定义）

4.反应堆临界，临界质量，临界尺寸

反应堆临界：

当有效倍增因子=1时，裂变中子数保持动态平衡，这时能够实现连续稳定的核裂变链式反应，此时的反应堆称为处于临界状态；

临界质量：

在一定的材料组成和几何布置下，系统达到临界所需裂变物质的最小质量；

临界尺寸：

在一定的材料组成和几何布置下，系统达到临界所需裂变物质的最小堆型尺寸。

5.反应堆四因子、六因子公式

四因子公式：

，此公式假定反应堆无限大

六因子公式：

，

其中ε：

快中子裂变因子p:

逃脱共振吸收几率

f:

热中子利用系数η：

热中子裂变因子

：

快中子不泄漏几率：

热中子不泄漏几率

：

有效倍增因子：

无限倍增因子

6.中子密度与中子通量

中子通量：

单位时间内穿过单位面积的中子数，或中子在单位时间、单位体积内所穿行的距离

7.中子发生弹性散射后的能量损失与能量分布

经过一次碰撞后，中子的能量在αE和E之间，其能量分布概率密度函数为

8.勒

勒，其目的是为解决中子慢化能量变化尺度很大（约8个量级）的问题。

则碰撞后的能量损失对应的是勒的增加

9.平均勒增量，慢化能力与慢化比

平均勒增量ζ：

一次碰撞后的平均勒增量；

慢化能力：

，其中为宏观散射截面

慢化比：

，其中为宏观吸收截面

补充：

1、反应堆的大小与慢化能力的关系？

慢化剂的慢化能力强时，反应堆的尺寸就小，故压水堆尺寸比高温气冷堆小

2、反应堆核燃料的加浓度（浓缩度）与慢化比的关系？

慢化比大的反应堆，加浓度可以较小，故重水堆一般用贫铀，不用浓缩铀。

10.中子流密度与斐克定律

中子密度在空间的密度差使中子产生定向流动，该流动的大小与中子密度函数的成正比：

斐克定律:

其中，表示中子扩散量，表示中子吸收量，S表示源强中子产生量

11.扩散系数，扩散长度

扩散系数：

，成为扩散系数，具有长度的量纲

扩散长度：

（单群）

12.中子年龄

中子年龄：

，又称中子费米年龄，量纲是长度平方而不是时间，其与快中子慢化到热中子所需平均时间成正比，为减小反应堆的总尺寸，需要选择慢化长度或中子年龄较小的慢化物质

13.热中子能谱，1/E谱，裂变谱，能谱的软化与硬化

热中子堆中的中子能谱（中子数或中子通量随能量的变化关系）由三部分组成，即裂变中子谱、慢化谱（1/E谱）、麦克斯韦谱（热中子能谱）

热中子能谱近似服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布，有硬化；

裂变中子能谱略，积分平均值为2MeV；

1/E谱：

在中子慢化占绝对主导地位的能量范围内，中子通量随能量的变化近似满足1/E的规律

能谱的硬化：

慢化实际能谱要朝能量较高的方向偏移，即比介质原子核的能谱高

原因：

1、所有的中子都是从较高的能量慢化而来的，故能量较高区的中子数目相对较多

2、由于介质要吸收中子，则一部分中子尚未来得及同介质的原子（或分子）达到热平衡就已被吸收，故使能量较高的中子相对较多

能谱的软化：

低能粒子的数目相对于高能粒子的数目增加的过程，即低能粒子在粒子总数中的相对含量增加的过程。

（网上释义）

14.单群扩散理论与临界条件

15.反应堆材料曲率与几何曲率

材料曲率B由反应堆材料的核特性决定；几何曲率Bg则由其几何形状决定；

反应堆材料曲率和几何曲率必须相等

16.双群扩散理论与临界条件，与六因子公式的关系

17.反射层

利用某种散射中子的物质将堆芯包围起来，从而将可能泄漏的中子部分地反射回堆芯中去，从而可以减少反应堆的临界体积或减少燃料的装载量。

18.反应堆非均匀化的效应

能够实现反应性的控制，反应堆热功率的均匀分布，提高系统的无限倍增系数

（未找到确切答案）

第四章反应堆动态物理－反应性变化与控制

1.反应性

与1的相对偏离定义为反应性ρ：

，其单位是元，当反应性的数值等于缓发中子的有效份额时，称为一元。

ρ=0，临界ρ>0，超临界ρ<0，次临界

2.反应性温度系数

温度变化一个单位（K）时所带来的反应性变化定义为反应性温度系数，反应性温度系数为负值时对反应堆安全有利

3.燃料温度系数,Doppler共振峰展宽

燃料温度对反应性的影响主要是因为共振吸收的变化。

温度升高时共振峰值降低，但微观截面曲线下覆盖的面积保持不变，即出现所谓的共振峰展宽。

温度升高时，共振峰展宽，落入共振峰内的中子增加，俘获吸收中子增加，降低了中子利用率，造成反应性的下降，称为多普勒效应。

4.慢化剂温度系数,1/V截面吸收体对慢化剂温度系数的影响

慢化剂温度变化时影响慢化剂的慢化能力，一般表现为慢化剂密度变化和中子温度变化，使能谱变硬。

对于热中子反应堆而言，反应性降低，

因为1、燃料的共振吸收增加，2、裂变材料的裂变截面降低，3、中子泄漏几率增加

对1/V截面吸收体，能谱变硬时，吸收能力减弱，引起反应性增加，如果这种吸收作用在反应堆中占主导地位，则总的反应性温度系数就是正的。

5.慢化比（水铀比）曲线

水铀比：

单位体积内慢化剂与燃料的核密度比值，峰值点左侧呈负反应性，右侧呈正反应性

6.裂变产物中毒,氙中毒（平衡氙中毒,氙瞬态）

热堆运行后堆内产生的某些裂变产物的中子吸收截面很大，对K有影响，长寿命的称为“结渣”，短寿命的称为“毒物”，结渣与毒物对反应性的影响称中毒效应。

平衡氙中毒：

反应堆额定功率稳定运行时，的核密度将逐渐增加，在一定时间后达到极大值且基本稳定不变，此时称为平衡氙中毒

氙瞬态：

功率阶跃变化时，氙的原子密度有一个瞬态变化过程，从而造成了倍增因子的瞬态变化，典型的是“碘坑”现象。

氙振荡：

氙密度随反应堆功率之间在空间上存在正反馈机制的振荡现象。

“碘坑”现象解释：

，反应堆停堆后，氙不能通过吸收中子而反应消失，只能通过β衰变，从而造成平衡氙中毒的破坏，又因为第一个反应的