注册核安全工程师考前培训幻灯片综合第二章2013

核安全综合知识,注册核安全工程师考试复习 2013年7月 周志伟 电话：13521657815 Email：zhouzhwmail.tsinghua.edu.cn,核安全综合知识,第二章 核反应堆工程基础 复习内容: 第一节 核裂变及核能的利用 一、自发裂变与诱发裂变 二、裂变后现象 第二节 核反应堆的基本工作原理 一、中子与原子核的相互作用 二、核反应截面和核反应率密度 三、中子的慢化 四、核反应堆临界条件 五、核燃料的消耗、转化与增殖 六、堆内中子通量分布与功率展平,核安全综合知识,第三节 反应性与反应性的控制 一、反应性概念 二、影响反应性变化的各种因素 三、反应性的控制 第四节 核反应堆内的释热与传热 一、核反应堆热源及其分布 二、传热的基本方式 三、单相流体的对流换热 四、沸腾传热 五、沸腾危机 六、临界热流密度和偏离泡核沸腾比,核安全综合知识,第一节 核裂变及核能的利用 知识要点： 裂变的发现 自发裂变 诱发裂变 裂变后现象 裂变碎片的质量分布 裂变能及其分配 裂变中子,核安全综合知识,引言 核裂变的发现： 哈恩和斯特拉斯曼对上述工作进行了复核，于1939年1月正式确认，中子束辐照铀靶的产物中，观察到了Ba和La的放射性同位素。 迈特纳（Meitner L）和福里施（Frisch O）对上述实验事实进行了解释，指出铀核的稳定性很差，在俘获中子之后本身分裂为质量差别不很大的两个核，裂变（Fission）一词就是由他们提出来的。 裂变现象的发现，立刻引起人们极大的注意。这不仅是因为在裂变过程中释放出巨大的能量，而且在裂变过程中都伴随着中子的发射。这些中子将使裂变自动地继续下去，形成链式反应，从而使原子能的大规模利用成为可能。 发现裂变到链式反应堆的建立，仅仅花了4年的时间，1942年12月第一个铀堆在美国投入运行。 本节重点讨论核裂变及其有关问题。,核安全综合知识,一、自发裂变与诱发裂变 在没有外来粒子轰击下，原子核自行发生裂变的现象叫自发裂变； 在外来粒子轰击下，原子核才发生裂变的现象称为诱发裂变。 1自发裂变 自发裂变的一般表达式 ： 在自发裂变的母核与裂变产物间满足如下的关系：A=A1+A2；Z=Z1+Z2，即粒子数守恒和电荷数守恒。 其中，A1、A2和Z1、Z2分别为裂变产物的质量数和电荷数。,核安全综合知识,1自发裂变 自发裂变能Qf, s，定义为两个裂变产物Y1（Z1，A1）和Y2（Z2，A2）的动能之和，即 由能量守恒可以导出： 和 式中B为结合能。 自发裂变发生的条件：Qf,s0，即两裂变碎片的结合能大于裂变核的结合能。 仔细研究比结合能曲线可以发现，对于不是很重的核，例如A90，就可满足此条件。,核安全综合知识,1自发裂变 裂变碎片是很不稳定的原子核，一方面碎片处于较高的激发态，另一方面它们是远离稳定线的丰中子核而发射中子，所以自发裂变核又是一种很强的中子源。 超钚元素的某些核素，如244Cm、249Bk、252Cf、255Fm等具有自发裂变的性质，尤其以252Cf最为突出。1 g的252Cf体积甚小于1 cm3，而每秒可发射2.31×1012个中子。,核安全综合知识,原子和原子核（3） 单选题例： 自发裂变核又是一种很强的（A）。 A 中子源, B 质子源，C 可见光源，D 负离子源 。 多选题例： 具有自发裂变性质的核素包括，其中(BCDE)。 A 238U B 244Cm C 249Bk D 252Cf E 255Fm,核安全综合知识,2诱发裂变 能发生自发裂变的核素不多，大量的裂变过程是诱发裂变； 当具有一定能量的某粒子轰击靶核时，形成的复合核发生裂变，其过程记为A(a,f1)f2或A(a,f)，其中a是入射粒子 f1、f2、或f代表裂变碎片或裂变； 诱发裂变中，中子诱发裂变是最重要的； 中子与靶核没有库仑势垒，能量很低的中子就可以进入核内使其激发而发生裂变。裂变过程又有中子发射，可能形成链式反应 热中子（入射中子能量为0.0253eV）即可引起235U诱发裂变： 235U(n,f)，,核安全综合知识,2诱发裂变 处于激发态的复合核236U*是裂变核； Y1、Y2代表两个初级裂变碎片（如139Br和97Kr），按其碎片质量的大小，称为重碎片和轻碎片，一般也处于激发态。 诱发裂变的一般表达式为,核安全综合知识,二、裂变后现象 裂变后现象是指裂变碎片的各种性质及其随后的衰变过程及产物，如碎片的质量、能量、释放的中子、射线等。 原子核裂变后产生两个质量不同的碎片，它们受到库仑排斥而飞离出去，使得裂变释放的能量大部分转化成碎片的动能，这两个碎片称为初级碎片。 初级碎片是很不稳定的原子核，这一方面是由于碎片具有很高的激发能，另一方面它们是远离稳定线的丰中子核，因而能直接发射中子（通常发射13个中子）。 发射中子后的碎片的激发能小于核子的平均结合能（8 MeV）不足以发射核子，主要以发射光子的形式退激。 初级碎片发射的中子和光子是在裂变后小于1016 s的短时间内完成的，所以称为瞬发裂变中子和瞬发光子。,核安全综合知识,二、裂变后现象 发射中子后的碎片称为次级碎片或称裂变的初级产物。发射光子后初级产物仍是丰中子核，经过多次衰变链，最后转变成为稳定的核素。 衰变的半衰期一般是大于102s。相对于瞬发裂变中子和射线，这是慢过程。 在连续衰变过程中，有些核素可能具有较高的激发能，其激发能超过中子结合能，就有可能发射中子，这时发射的中子称为缓发中子。 缓发裂变中子的产额占裂变中子数的1%左右。当然连续衰变过程中各核素也仍会继续发射射线。,核安全综合知识,裂变后的过程可由图2-1示意：,核安全综合知识,1裂变碎片的质量分布 裂变碎片的质量分布，又称裂变碎片按质量分布的产额，具有一定的规律性。发射中子前和发射中子后的碎片的质量分布有些差异，但基本特征是相同的。 在二分裂情况下，碎片Y1、Y2的质量AY1、AY2的分布有两种情况： 对Z84（如84Po）和Z100（如100Fm、101Md等）的核素，AY1=AY2的对称分布的概率最大，被称为对称裂变； 对于90Z98（90Th98Cf）的核素其自发裂变和低激发能诱发裂变的碎片质量分布是非对称的，称为非对称裂变； 随激发能的提高，非对称裂变向对称裂变过渡。,核安全综合知识,2. 裂变能及其分配 根据能量守恒定律，重核发生二分裂的裂变能可以表示为 Qf =Mc2=M*(Z0, A0)M(Z1, A1)M(Z2, A2)vmnc2 M*(Z0, A0)代表激发态复合核的原子质量；M(Z1, A1)， M(Z2, A2)为发射中子后的碎片经衰变而形成的两个稳定核的原子质量；v为裂变中发射的中子数。若用最终形成的稳定核表示裂变产物，的热中子诱发裂变为 由各核素的原子质量代入，裂变能Qf = 208 MeV。 这些能量大部分由裂变碎片带走；,核安全综合知识,2. 裂变能及其分配 裂变能大部分由裂变碎片带走，表2-1中给出了慢中子诱发的235U和239Pu的裂变能量分配，表中的数值均为平均值。 表2-21 慢中子诱发裂变每次裂变的能量分配 单位：MeV,核安全综合知识,3. 裂变中子 裂变中子包含瞬发中子和缓发中子两部分，缓发中子约占总数的1%。瞬发中子的能谱N(E)和每次裂变放出的平均中子数是重要的物理量 。 缓发中子产生于裂变碎片的某些衰变链中，缓发中子的半衰期就是中子发射体的衰变母核的衰变的半衰期。 缓发中子的发射在反应堆的运行控制中具有十分重要的作用。,核安全综合知识,第二节 核反应堆的基本工作原理 一、中子与原子核的相互作用 在核反应堆堆芯，有大量的中子在飞行，不断地与各种原子核发生碰撞。碰撞的结果，或是中子被散射、或中子被原子核所吸收。 如中子是被235U燃料核所吸收，就可能使其裂变。 核反应堆内存在的几种主要的核反应： 1散射反应： 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。 散射反应有两种不同的机制。一种称为弹性散射，另一种称为非弹性散射。,核安全综合知识,1散射反应 非弹性散射的反应式如下： 裂变产生的中子称为裂变中子，其能量比较高，该中子经过与原子核的多次散射反应后，能量会逐步减少，这种过程称为中子的慢化。 弹性散射最重要的特点是，中子与核整个系统的动量和动能在碰撞前后不变。中子会把一部分动能传给原子核，使自己逐渐慢化。 非弹性散射反应中，入射中子的一部分动能转变成靶核的内能，使靶核处于激发态，通过发射射线返回到基态，散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。,核安全综合知识,1散射反应 入射中子的动能高于靶核的第一激发态能量时才能使靶核激发，从而发生非弹性散射反应。 对238U，中子能量大于45keV才能发生非弹性散射。高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射。 在有慢化剂的热中子反应堆中，中子慢化主要依靠与慢化剂的弹性散射。 在快中子反应堆内，虽然没有慢化剂，但中子通过与238U的非弹性散射，能量也会有所降低。,核安全综合知识,2吸收反应 中子吸收（n，a）包括 中子俘获（ n，c ）： （n，）、 （n，p）、（n，d）、（n，）、（n，2n） 中子裂变（n，f）。 核裂变反应（n，f）是反应堆中最重要的反应。热中子反应堆内主要采用235U作核燃料。中子引起235U的裂变表示为： 235U （n，）反应：,核安全综合知识,2吸收反应 233U，235U，239Pu和241Pu在各种能量中子的作用下都可以引起裂变，通常被称为易裂变核素。 232Th和238U只有在中子能量高于某一值时才能发生裂变，通常称之为转换材料。,核安全综合知识,二、核反应截面和核反应率密度 核反应截面是定量描述中子与原子核发生反应概率大小的物理量。 1微观截面 微观截面的物理意义是一个中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，是一个中子与单个靶核发生相互作用概率大小的一种度量 区分各种不同的核反应，微观截面带上不同的下标，s、e、in、f、r、a、t分别表示散射、弹性散射、非弹性散射、裂变俘获、非裂变俘获、吸收和总的作用截面。 对某一种核反应的微观截面i称为分截面。分截面之和称为全微观截面（也称总微观截面）。,核安全综合知识,2宏观截面 宏观截面，符号为，它反映的是一个中子与单位体积内所有原子核发生核反应的平均概率。 宏观截面的定义是：N 宏观截面是一个中子在介质穿过单位距离与核发生核反应的概率。 宏观截面的量纲是长度的倒数。常用1/cm为单位。 平均自由程定义为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。 宏观截面是中子通过靶核单位距离与靶核发生核反应的概率，所以当中子穿过的距离为宏观截面倒数时，平均而言就会发生一次核反应。 故平均自由程就为宏观截面的倒数：,核安全综合知识,3中子通量与核反应率 中子通量密度定义为中子密度n与中子速度v的乘积： =nv 中子与堆内物质原子核发生的核反应率R： R= 核反应率R表示每单位时间、每单位体积内中子与物质原子核发生作用的总平均次数。 中子通量可以理解为单位体积中所有中子在单位时间内飞行的总路程，也称为轨迹长度。 应该注意到，中子通量密度是标量，不是矢量，它与中子的流动并没有直接的关系。,核安全综合知识,4截面随中子能量变化的规律 核截面的数值决定于入射中子的能量和靶核的性质。对许多核素，大体上存在三个区域： 低能区（一般指E1 eV），在该能区吸收截面a随中子能量的减小而逐渐增大，大致与中子的速度成反比，故这个区域亦称为吸收截面的1/v区。 中能区（1eVE104eV），在此能区内许多重元素核的截面出现了许多峰值，这些峰一般称为共振峰。 快中子区，E104eV，那里的截面一般都很小，通常小于10靶，而且截面随