反應堆物理分析第1頁/共66頁臨界能:發(fā)生核裂變的最小激發(fā)能Ecr

(criticalenergy)靶原子核復合核的臨界裂變能(Mev)中子的結(jié)合能（Mev）釷-2326.55.1鈾-2385.54.9鈾-2355.36.4鈾-2334.66.6钚-2394.06.4幾種核素的臨界裂變能<<<>>易裂變材料重核的裂變臨界能量小天然的核燃料可轉(zhuǎn)換核素

牛牛文庫文檔分享第2頁/共66頁燃料裂變時能量的釋放(MeV)易裂變?nèi)剂?33U 190.0+/-0.5235U 192.9+/-0.5239Pu 198.5+/-0.8241Pu 200.3+/-0.8可裂變?nèi)剂?32Th 184.2+/-0.9234U 188.9+/-1.0236U 191.4+/-0.9238U 193.9+/-0.8237Np 193.6+/-1.0238Pu 196.9+/-0.8240Pu 196.9+/-1.0242Pu 200.0+/-1.9天然存在

牛牛文庫文檔分享第3頁/共66頁裂變能量釋放

反應前后的質(zhì)量變化

裂變前質(zhì)量(u)裂變后質(zhì)量(u)235U235.12495Kr94.945n1.00867139Ba138.955

2n2.01734總計236.13267

235.917質(zhì)量虧損：236.13267-235.917＝0.215（u）=200Mev

1u的總能量為931兆電子伏

牛牛文庫文檔分享第4頁/共66頁4.1.1235鈾核裂變裂變能量的釋放Energy%MeVFissionfragmentkineticenergy80168Promptgammarays47Neutrons35Fissionproductgammarays47Betaparticles48Neutrinos512Total100~207

牛牛文庫文檔分享第5頁/共66頁80%3%4%4%4%5%neutrinos裂變中放出的能量分布

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牛牛文庫文檔分享第7頁/共66頁停堆余熱計算（堆芯長期冷卻）平均每次裂變的衰變功率與延遲時間的關系：Mev/st為裂變發(fā)生后的時間

若反應堆在功率水平P運行了T秒，則停堆后τ秒時刻裂變產(chǎn)物β射線和γ射線釋放的總功率為P—堆功率水平；τ—停堆后τ時刻（10s<τ<100d）；T—在P功率下運行時間；Mev/s

牛牛文庫文檔分享第8頁/共66頁停堆余熱排出例：

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(1)換算關系:4.1.2核反應堆的功率與中子通量密度的關系

牛牛文庫文檔分享第10頁/共66頁(2)釋熱率q(r):(a)釋熱率:堆芯內(nèi)某體積元內(nèi)的功率密度

牛牛文庫文檔分享第11頁/共66頁(b)反應堆功率P：

牛牛文庫文檔分享第12頁/共66頁(c)單位時間反應堆內(nèi)總的裂變率

:

(d)對應的吸收率為:

牛牛文庫文檔分享第13頁/共66頁(e)燃料的消耗率

每日（1日＝86400秒）消耗掉的易裂變核的質(zhì)量

牛牛文庫文檔分享第14頁/共66頁4.2裂變產(chǎn)物與裂變中子的發(fā)射4.2.1裂變產(chǎn)物1.裂變碎片與產(chǎn)額關系曲線2.裂變產(chǎn)物裂變碎片和它的衰變產(chǎn)物都叫裂變產(chǎn)物毒素:

具有較大熱中子吸收截面的裂變產(chǎn)物.PCM(10-5)(c)反應性:

牛牛文庫文檔分享第15頁/共66頁反應性:

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牛牛文庫文檔分享第17頁/共66頁4.2.1裂變中子99.3%瞬發(fā)中子0.65%緩發(fā)中子裂變后百萬分之一秒左右放出(10-14s)能量約在1～2兆電子伏范圍內(nèi)，速度為14000～20000千米/秒快中子（>0.1Mev）熱中子(<0.1ev)裂變后幾分鐘～幾小時內(nèi)逐漸釋放出來平均能量約在0.5兆電子伏左右

牛牛文庫文檔分享第18頁/共66頁瞬發(fā)中子:緩發(fā)中子:

牛牛文庫文檔分享第19頁/共66頁緩發(fā)中子先驅(qū)核:裂變碎片所產(chǎn)生的發(fā)射中子的子核.

氪溴

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牛牛文庫文檔分享第21頁/共66頁4.3裂變產(chǎn)物的數(shù)量與活度4.3.1研究的目的與意義估算反應堆事故中擴散到環(huán)境裂變產(chǎn)物可能產(chǎn)生的輻射危害；

確定乏燃料元件從反應難中卸出后其裂變產(chǎn)物的放射性隨時間的衰減,以確定燃料在后處理之前所需的冷卻周期；

估算反應堆停閉后裂變產(chǎn)物放射性衰變的釋熱率，保持堆芯長期冷卻；計算裂變產(chǎn)物中毒,即中子的寄生俘獲。

牛牛文庫文檔分享第22頁/共66頁4.3.2衰變核素的核濃度變化裂變產(chǎn)物的形成和消失過程A,ZiA,Z-1(K)A-1,Z(J)A+1,zA,z+1裂變裂變

牛牛文庫文檔分享第23頁/共66頁裂變產(chǎn)物的形成和消失過程A,ZiA,Z-1(K)A-1,Z(J)A+1,zA,z+1(Y)裂變裂變裂變核素i的濃度變化率:

牛牛文庫文檔分享第24頁/共66頁1.停堆后中子通量很小(通量值可忽略)裂變核素i的濃度變化率:停堆后中子通量等于零,則有4.3.3停堆后裂變產(chǎn)物的活度濃度變化取決于兩種核素的衰減速度

牛牛文庫文檔分享第25頁/共66頁2.對于單種裂變產(chǎn)物可用同樣方法計算其總活度①由半經(jīng)驗公式可得，單次裂變產(chǎn)物中粒子的發(fā)射率為:②假定每種裂變產(chǎn)物衰變時只放出一個粒子,每次裂變產(chǎn)物的活度t是以秒為單位的裂變后時間（10s-100d）

牛牛文庫文檔分享第26頁/共66頁0衰變熱功率計算示意圖停堆后任一時刻時間啟堆停堆③設反應堆在停閉之前以功率P0運行了T0，則dT時間間隔內(nèi)每次裂變在停堆后τ-T0時刻的裂變產(chǎn)物活度為：

牛牛文庫文檔分享第27頁/共66頁0衰變熱功率計算示意圖停堆后任一時刻時間啟堆停堆反應堆以P0功率，在時間間隔dT內(nèi)發(fā)生的總裂變次數(shù)為：裂變率

牛牛文庫文檔分享第28頁/共66頁④停堆后裂變產(chǎn)物活度

由于時間間隔dT裂變，而在τ時刻產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物放射性活度dA為單次裂變活度裂變次數(shù)0衰變熱功率計算示意圖停堆后任一時刻時間啟堆停堆

牛牛文庫文檔分享第29頁/共66頁0衰變熱功率計算示意圖停堆后任一時刻時間啟堆停堆

牛牛文庫文檔分享第30頁/共66頁$.5.熱中子能譜和熱中子平均截面速度分布：能量分布：

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熱中子能譜朝能量高的方向有所偏移，即熱中子的平均能量和最可幾能量都要比介質(zhì)原子核的平均能量和最可幾能量高的現(xiàn)象

牛牛文庫文檔分享第34頁/共66頁釋放能量釋放能量第二代中子第一代中子6.鏈式裂變反應6.1自持鏈式裂變反應1.自持鏈式裂變反應過程圖:

牛牛文庫文檔分享第35頁/共66頁36鏈式裂變反應

自持式鏈式裂變反應核爆炸原理每次反應產(chǎn)生2.43個中子引起下次反應

可控鏈式裂變反應核電廠反應堆原理控制發(fā)生裂變的中子數(shù)，控制反應速度

如何才能使鏈式反應不變成原子彈似的在瞬間倍增，而是維持不變的核反應速率？辦法是：設法用非裂變方法將裂變放出的多余中子搶走必須保證每次裂變放出的中子至少一個用于其它核素的裂變

牛牛文庫文檔分享第36頁/共66頁產(chǎn)生的中子≥消耗的中子數(shù)維持鏈式裂變的條件--臨界質(zhì)量中子的產(chǎn)生其它材料中子的吸收結(jié)構(gòu)材料裂變材料一定要維持一定量的中子數(shù)，才能保證鏈式反應延續(xù)臨界體積

牛牛文庫文檔分享第37頁/共66頁一個例子：1個235U核，不能產(chǎn)生持續(xù)裂變

1cm3(1g)235U小球呢？

泄漏

50kg的235U小球呢？

增長=泄漏大于50kg的235U小球呢？增長＞泄漏

牛牛文庫文檔分享第38頁/共66頁39裂變維持的條件－臨界

系統(tǒng)內(nèi)中子產(chǎn)生率正好等于中子的消失率臨界狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的中子數(shù)會逐漸減少，裂變量也逐漸降低次臨界狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的中子多于損失的中子，會使裂變率不斷增加超臨界狀態(tài)臨界：堆內(nèi)產(chǎn)生的中子＝吸收的中子數(shù)

牛牛文庫文檔分享第39頁/共66頁堆芯

牛牛文庫文檔分享第40頁/共66頁臨界尺寸臨界質(zhì)量臨界吸收+泄漏

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牛牛文庫文檔分享第44頁/共66頁K>1 超臨界，功率增加K=1 臨界，功率恒定K<1 次臨界，功率降低

牛牛文庫文檔分享第45頁/共66頁設計時的保守估計反應堆有限大，定義為Keff可見：Keff=k∞PL

牛牛文庫文檔分享第46頁/共66頁PLPL臨界尺寸臨界質(zhì)量幾何形狀

牛牛文庫文檔分享第47頁/共66頁中子壽命循環(huán)

NeutronlifecycleFissionneutronLeakoutofsystemAbsorbedinsystemAbsorbedinnon-fuelAbsorbedinfuelRadiativecaptureFissionPNLPAFPfnnewfissionneutrons

牛牛文庫文檔分享第48頁/共66頁1.反應堆內(nèi)中子數(shù)目的增減與平衡濃度的決定過程(1)鈾-238的快中子倍增；(2)燃料吸收熱中子引起的裂變；(3)慢化劑以及結(jié)構(gòu)材料等物質(zhì)的輻射俘獲；(4)慢化過程中的共振吸收；(5)中子的泄漏。I)慢化過程中的泄漏(II)熱中子擴散過程中的泄漏競爭

牛牛文庫文檔分享第49頁/共66頁2.熱中子反應堆內(nèi)的中子平衡圖

牛牛文庫文檔分享第50頁/共66頁舉一個例子

牛牛文庫文檔分享第51頁/共66頁循環(huán)往復20

牛牛文庫文檔分享第52頁/共66頁

包括鈾238核裂變在內(nèi)所有裂變產(chǎn)生的快中子總數(shù)與鈾235核熱中子裂變產(chǎn)生的快中子數(shù)之比:

牛牛文庫文檔分享第53頁/共66頁4.逃脫共振吸收幾率Ｐ

在慢化過程中逃脫共振吸收的中子份額就稱作逃脫共振吸收幾率

慢化到熱能區(qū)中子數(shù)與1.1Mev以下且留在堆內(nèi)的快中子數(shù)之比

牛牛文庫文檔分享第54頁/共66頁5.不泄漏幾率ＰL（∧NL

）

牛牛文庫文檔分享第55頁/共66頁∧FN∧TN

牛牛文庫文檔分享第56頁/共66頁6.熱中子利用系數(shù)f

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牛牛文庫文檔分享第58頁/共66頁7.有效裂變中子數(shù)η

牛牛文庫文檔分享第59頁/共66頁四因子公式ε——快中子倍增因子p——逃脫共振吸收幾率f——

熱中子利用系數(shù)η——有效裂變中子數(shù)ε=（熱中子裂變產(chǎn)生的快中子數(shù)+快中子裂變產(chǎn)生的凈快中子數(shù)）/熱中子裂變產(chǎn)生的快中子數(shù)p=通過共振吸收能量間隔而進入熱能區(qū)的中子數(shù)/進入共