核反应堆物理分析第1章 重庆大学动力工程学院.ppt

教材中的示意图 热中子反应堆内的中子数 微观裂变截面 σf 235U, 239Pu 等易裂变核素的裂变截面随中子能量的变化 与重核吸收截面的变化规律相似。 热能区：裂变截面随中子能量减小而增加，且截面很大。 热堆里裂变反应基本上都是发生在这一能区。 共振区： 235U的裂变截面出现共振峰，共振区延伸到几个 keV。在 keV 至 MeV能量范围内，裂变截面随中 子能量的增加下降到几个靶。 238U, 240Pu, 232Th等核素的裂变具有阈能特点。 235U的裂变截面 232Th,238U,240Pu和242Pu 的裂变截面 235U吸收中子后并不是都发生裂变， 有的发生辐射俘获反 应变成236U。辐射俘获截面和裂变截面之比称为俘获--裂变 之比用α表示 α 与裂变同位素的种类和中子能量有关。在反应堆分析中 常用到另一个量，就是燃料核每吸收一个中子后平均放出 的中子数称为有效裂变中子数，用 η表示： 式中：ν为每次裂变的中子产额， 对于235U ，ν=2.416。 图1-3。 1.2.5 核数据库 美国： ENDF/B 欧洲： JEF 2.2 日本： JENDL 3.2 中国： CENDL 2 1.3 共振吸收 1.3.1 共振截面----单能级 Breit-Wigner formula 在1~1000eV能区出现许多 截面很大的峰，称为共振峰， 这一现象称为共振现象。 对A100的许多重核，在低能区和中能区的截面曲线都能看 到这种共振现象，对于轻核一般中子到高能区(E1MeV)才会出 现这种共振现象。 低能区的共振称为可分辨共振。 在此以上的部分， 称为 不可分辨共振。 238U的总截面 共振可分为 俘获共振、散射共振 和裂变共振。 三个描述共振的参数是： 共振能Er 、峰值截面σ0和 能级宽度Γ。 对于静止的靶核及可分辨的共 振峰，在共振能Er 附近发生x（吸收、辐射俘获或裂变）共振 反应的截面σx（E）可以用单能级Breit-Wigner formula 表示。 单能级俘获共振 其中， Γ，Γn，Γx分别为总宽度、中子宽度和x分宽度， 为共振能Er中子的约化波长，g为统计因子；对于超 热中子，g=1。 对于辐射俘获共振， 为 1.3.2 多普勒效应 由于靶核的热运动，对于本来具有单一能量的中子， 它 与靶核的相对能量就有一个展开范围，这将使共振峰的 宽度变宽而共振峰的峰值降低。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变宽将随温度 的上升而增大，同时峰值截面也逐渐减小。这一现象叫 做多普勒效应或多普勒展宽。 在反应堆计算中，通常假设靶核的速度服从麦克斯韦玻耳 兹曼分布。基于这个假设所推导出的共振能Er 附近的平均 多普勒展宽截面的表达式为。 尽管由于温度变化，共振截面的曲线形状发生了变化，但 共振截面下的面积却与介质的温度无关。 共振截面下的面积却与介质的温度无关,并不意味着共振吸收 的中子数与介质的温度无关。共振吸收的中子数一方面取决 于吸收截面的大小，另一方面还与中子通量密度能谱分布有 关，而当温度变化截面形状改变时中子通量密度的能谱也发 生了变化。 1.4 核裂变过程 1.4.1 裂变能量释放、反应堆功率和中子通量密度关系 裂变能量的释放 表 1-5 235U核裂变释放的能量 能量形式 能量/MeV 裂变碎片的动能 裂变中子的动能 瞬发γ能量 裂变产物γ衰变-缓发γ能量 裂变产物β衰变-缓发β能量 中微子能量 总共 168 5 7 7 8 12 207 235U一次裂变大约放出200MeV的能量，裂变碎片的动 能约占总释放能量的80%。 可利用的裂变能中大约97%分配在燃料内，不到1% （为γ射线能量）在堆屏蔽层内，其余的能量在冷 却剂 裂变产物的衰变β 和γ射线的能量约占总裂变能量的 4%-5%，它们是裂变碎片在衰变过程中发射出来的，这 部分能量有一段时间的延缓。所以停堆后依然会有衰变 热量的产生，停堆后衰变余热的导出是反应堆安全研究 的重要问题。 核反应堆的功率与中子通量密度的关系 堆芯处任一点单位体积内的功率密度或释热率为 如果只考虑热中子引起的235U 的裂变,反应堆功率等于 反应堆的功率与裂变反应率成正比或中子通量密度成 正比， 为堆芯的平均热中子通量密度， 可以推