核反应堆物理分析-前言

1、核工程原理,The Principles of Nuclear Engineering,释义,核工程 核能工程 核反应堆工程 这三个名词在国外经常混用。各种教科书中，各大学开设的以它们为名的课程中，其内容的广度也不尽相同。但是其中主要部分都是讲核反应堆的物理原理的。,例如，马里兰大学上世纪90年代出的一本“Nuclear Engineering , An Introduction”, 共11章，前7章都是讲反应堆物理的. 第8章讲中子和伽玛的辐射效应， 第9章讲屏蔽， 第10章讲反应堆堆芯传热， 第11章讲反应堆的安全审评和如何取得许可执照。,本课程主要介绍反应堆物理相关内容，注意强调物理与工程问题的关系，力图使学生对核能工程中的种种问题有深刻的认识。 这些知识不仅对从事核事业的人有用，对当代任何一位高素质人士了解国际政治、国家安全和发展战略都有莫大的好处。,学时安排： 46学时（23次课） 6-17周（周一1-2节，周四7-8节）,教材与参考书,1 谢仲生. 核反应堆物理分析(修订本). 西安交通大学出版社. 2004 2 拉马什. 核反应堆物理导论. 原子能出版社 3杜德斯塔特,

2、汉密尔顿. 核反应堆分析. 原子能出版社 4 格拉斯登. 原子核反应堆工程. 原子能出版社 5 Weston M. Stacy. Nuclear Reactor Physics.,第1本是基本教材； 第2本是反应堆物理的经典著作，物理概念讲述得极为清楚； 第5本是2001年出的新书，2007年又出了第二版，包括初等反应堆物理、高等反应堆物理两大部分； 第3、4本也是反应堆物理分析方面的优秀教材。,核反应堆物理 Nuclear Reactor Physics,目前的核反应堆主要是裂变反应堆； 核反应堆物理就是链式裂变反应系统的物理学。 与核物理的区别,核反应堆 核反应堆就是一个能实现可控自持链式反应的装置。 其功能是提供能量（核能）和中子。,核能可用于如下领域： 核电厂 核供热 核能海水淡化 舰船核动力 空间核动力（卫星、宇宙飞船） 核能制氢 。,中子用途： 放射性同位素生产 材料改性 核孔膜生产 优质单晶硅生产 中子照相 中子治疗癌 科学研究 。,中国的裂变反应堆,核电厂反应堆: 秦山、大亚湾/岭澳，田湾 实验反应堆： 原子能院：轻水游泳池堆，重水堆，微型堆，中国先进研究堆，中国实验快

3、堆 一院：高通量工程试验堆，潜艇（陆上）模式堆，脉冲堆 九院：老堆，新堆 21所：脉冲堆 （深圳，山东）微堆 清华大学：游泳池式屏蔽实验反应堆，5MW低温供热堆，10MW高温气冷堆 生产堆： 404厂，821厂 （皆已关闭，正在退役） 军用核潜艇动力堆,Operational reactors sorted by country,Operational reactors sorted by type,我国2020年前核电发展前景,图 2020年前运行核电机组容量预测对比,裂变反应堆原理,物理原理核反应堆物理 传热原理核反应堆热工水力学 控制原理核反应堆控制 结构原理核反应堆结构力学 安全原理核反应堆安全 其中最核心、最有特色的是反应堆的物理原理，核反应堆物理是其下各门课程的基础。,核反应堆物理,核反应堆物理揭示核反应堆的特有的性质 不管大堆、小堆，简单堆、复杂堆，各种类型的堆，其物理原理都是一样的。,核电厂发电流程,安全壳,稳压器,蒸汽发生器,控制棒,压力容器,发电机,凝汽器,汽轮机,核反应堆物理,下面几页英文资料，是对反应堆物理的性质、地位、内容及意义的简述。请认真阅读。,Nucle

4、ar Reactor Physics,Nuclear reactor physics is the physics of neutron fission chain reacting systems. It encompasses those applications of nuclear physics and radiation transport and interaction with matter that determine the behavior of nuclear reactors. As such,it is both an applied physics discipline and the core discipline of the field of nuclear engineering.,课程内容,中子与物质的相互作用及其定量描述 8学时 堆内中子的慢化 4学时 中子的扩散 8学时 反应堆临界理论 8学时 反应性随时间的变化 4学时 反应性效应与反应性控制 6学时 反应堆动力学 4学时 压水堆堆芯燃料管理 2学时 机动 2学时,本课程特点,涉及物理概念多

5、， 用到的数学工具多， 与工程实际联系多。 学习本课程，有利于能力培养和全面素质的提高。 重点训练： 物理原理、物理思想 对复杂物理系统建模的能力 运用数学工具的能力 运用计算机进行数值计算的能力,考核方式： 课堂练习（20%） 课后作业（20%） 期末考试（60%） 课堂表现（-40%10%） 项目训练（可代替期末考试）,课件下载方式： 公共邮箱： 密码：heredownload,教学要求,分层次教学： 从定性到定量 一般掌握到较深刻领会 一般会用到灵活应用 最低要求： 听课，认真完成作业(鼓励讨论,反对抄袭),通过考试。 每章交一次作业 希望： 多看些教材外的参考资料，阅读部分英文资料，掌握有关英文专业词汇； 积极参与项目训练和课程建设(bonus),预备知识,原子核由质子和中子两种核子组成（氢核无中子）。 质子质量 1.0072765 u 中子质量 1.0086649 u 1 u =1.66054 E-27kg,中子,中子是组成这个物质世界的基本粒子之一，除了氢核之外，其他元素的原子核里面都有中子。 自由中子是不稳定的，会自发地转变为一个质子、一个电子和一个反中微子。自由中子的半

6、衰期约为 10.6分。,中子的波长,微观粒子具有波粒二象性，中子也不例外。中子的行为有时表现出粒子性，有时又表现为波。,核素，同位素,一般把具有相同质子数、中子数的一类原子（或原子核）称为一种核素。 具有相同质子数，不同中子数的核素称为同位素。 例如，天然氧中含有氧-16, 氧-17, 氧-18三种不同的核素。它们的原子核中都含有个质子，因而是同位素。,质量亏损,自由质子和自由中子结合成原子核时，要发生质量亏损。也就是说，原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量。 例: Al27 的原子核含有13个质子和14个中子，其质量为26.9744 amu 而 13个质子和14个中子的质量为 27.2159 amu 亏损的质量为 0.2415 amu,结合能,亏损的质量转化为能量释放出来，这一部分能量称为结合能。 据爱因斯坦质能关系公式， 1 相当于931.5Mev, 上例中的结合能是0.2415*931.5=224.9Mev,平均结合能,平均到原子核中每个核子的结合能称为平均结合能（也称为比结合能）。 上例中的平均结合能是8.33Mev 平均结合能越大，原子核结合得越牢固。,裂变和聚变,从上

7、图中可以看到，轻核的平均结合能较小，重核的平均结合能也较小，中等质量核的平均结合能较大。因此： 两个轻核聚合为一个核时，可以放出能量（核聚变反应堆原理） 一个重核分裂为两个中等质量核时，可以放出能量（核裂变反应堆原理） 。,裂变能的来源：核子重新组合,核力与结合能,众所周知，任何两个互相吸引的物体，当它们的相对位置靠近时，总要放出能量。 核子在强大的核力吸引下聚合为原子核时放出的能量就是结合能。,思考题,把自由中子和质子结合成原子核时，会放出能量（结合能），反过来，欲将原子核打碎，要供给能量。 为什么用能量很低的中子就可以把铀235核打碎，而且还能放出很多能量？,原子核的能态（能级）,在学习大学物理时，我们就知道，核外的电子可以处于不同的能量状态（能级/轨道）,受到激发的电子可以从低能级跃迁到高能级，电子也可以从高能级跳回低能级，同时释放能量。 原子核也可以处于不同的能量状态。能量最小的状态称为基态，能量较大的状态称为激发态。 激发态一般是不稳定的（寿命很短）。,放射性核素的衰变规律,单位时间内发生衰变的放射性核的数目与该时刻存有的该种放射性核的数目成正比。,放射性核的平均寿命,半衰期

8、,放射性活度,某放射性样品，其在单位时间内发生的衰变次数，称为该样品的的活度。 活度的单位：贝可，居里,例子,人体中大约含有0.2 % 的钾，钾在天然钾中的丰度为0.0117 %, 其半衰期为12.77亿年。求体重公斤的人体内的放射性活度。 贝可 实际上人体中还含有的碳，天然碳中放射性碳-14的丰度为1.2E-12,其半衰期为5730年。考虑此因素后，人体内的放射性活度大约是 贝可,考古断代碳14,由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分放射性的碳14。活的植物由于不断进行光合作用和新陈代谢，其体内的碳中的碳14含量与大气中相同。死的植物停止了光合作用和新陈代谢，其体内的碳14核由于不断衰变，含量越来越少。因此今天挖掘出来古代植物遗体内，碳中碳14的含量，低于大气中的含量。,能否用碳14技术来确定古代恐龙化石的年代？,丰度和富集度,设样品中有一种元素，此元素有若干种同位素。 某种同位素的原子数目在该元素原子总数中所占的份额，称为这种同位素的丰度。 某种同位素的重量在该元素总重量中所占的份额，称为这种同位素的富集度。 丰度和富集度一般都用百分比表示。 （不如称为 原子百分比和重量百分比）,例如,在天然铀中，主要有铀235和铀238两种同位素。 铀235的丰度是： 0.72% 铀235的富集度是： 0.712% 为什么富集度的值小于丰度的值？,

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