【2017年整理】2-中子慢化和扩散.ppt

第2章 中子慢化和扩散,1,中子与散射核碰撞而降低能量的过程称为中子的慢化过程显然，对于热中子反应堆而言，慢化过程是一个非常重要的物理过程处于与周围介质同样温度的热中子在系统中要进行扩散同样，扩散过程也是一个非常重要的物理过程本章首先介绍热中子反应堆内的中子循环和链式裂变反应产生的条件其次介绍中子的慢化过程和扩散过程的特点以及对反应堆内的链式裂变反应起着的重要作用一个中子如何渡过从出生到消亡的短暂生命？反应堆如何实现自持链式裂变反应？裂变产生的中子如何慢化到热中子？反应堆中热中子的扩散规律？慢化年龄(慢化长度)、扩散长度和徙动面积(徙动长度）的概念？,引 言,第二章 中子的慢化、扩散,1）平均或统计的原则；2）平衡的思想,2,第一节 中子循环,1.自持链式反应：反应堆系统内发生的裂变反应在不依靠外界补充中子的情况下，能持续一代一代地发展下去，这样的链式反应称为自持链式反应怎样才能持续进行裂变反应呢？,反应堆内的链式反应有几种情况？,3,第一节 中子循环,2.三种链式反应：,可以实现自持：（1）维持系统内中子数不变，即稳定自持链式反应，这种情况下每次核裂变产生的中子中正好有一个中子再引起一个核裂变，系统中子数保持不变，单位时间内裂变数也不变；（临界状态）（2）系统内中子不断增加，每次裂变产生的中子，有一个以上的中子再引起新的核裂变，系统内裂变率随时间不断增加，系统内中子数亦不断增多；（超临界状态）,无法实现自持：（3）系统内中子不断减少，每次核裂变产生的中子，只有少于一个中子再引起核裂变，系统的裂变率随时间而减少，系统的中子数随时间增加而减少。

次临界状态）,宏观情形,4,3.中子循环：,第一节 中子循环,反应堆堆芯－中子生存的家园,堆芯组成：热堆的堆芯是由核燃料、慢化剂、冷却剂，控制棒及各种结构材 料组成堆芯的空间：压水堆堆芯约1－2米直径，高2-3米压力壳内径4米，高为13米，厚为0.2米5,堆芯中裂变产生的中子要在堆芯空间里四处迁移，随着和堆芯内的燃料、慢化剂、冷却剂，结构材料等不断发生各种作用（反应），期间中子可能引发燃料裂变产生下一代中子，也可能被非裂变材料吸收，也可能泄漏出堆芯等中子就是在堆芯这样装有各种不同材料的空间里循环中子循环: 就是指裂变中子经过慢化成为热中子、热中子击中燃料核引发裂 变又放出裂变中子这一不断循环的过程微观情形,3.中子循环：,第一节 中子循环,6,3.中子循环：,第一节 中子循环,中子的消失方式,（1）铀-238的快中子增殖；（2）燃料吸收热中子引起的裂变；（3）慢化剂以及结构材料等物质的 辐射俘获；（4）慢化过程中的共振吸收；（5）中子的泄漏包括： （i）慢化过程中的泄漏； （ii）热中子扩散过程中的泄漏；,反应堆内中子的数目的增减与平衡，主要取决于下列几种过程,7,中子的长征路,1.首先是快中子倍增过程：部分裂变中子由于能量较高（高于铀－238的裂变阈能）可引起一些铀－238核裂变。

这一过程可用一个称为快中子倍增系数ε的量来描述快中子倍增系数ε的定义是：由一个初始裂变中子所得到的、慢化到铀－238裂变阈能以下的平均中子数（仍是快中子）3.中子循环：,8,2.快中子在慢化过程中：1）要经过共振能区（1～1000电子伏），而U-238在该能区有许多共振峰因此当中子慢化到该能区时，必然有一部分中子被吸收（一般称为共振吸收）而损失掉，可以用一个称为逃脱共振几率的因子来描述这种过程逃脱共振几率p的定义是慢化过程中逃脱共振吸收的中子所占的份额2）快中子慢化过程中都有一部分中子会泄出堆外快中子不泄漏几率PF:快中子没有泄漏出堆芯的几率（份额）中子的长征路,3.中子循环：,9,3.热中子扩散过程：1）热中子扩散过程中都有一部分中子会泄出堆外定义热中子不泄漏几率这两个量PT来加以描述热中子不泄漏几率PT:热中子在扩散过程中没有泄漏出堆芯的几率（份额）2）逃脱了共振吸收的中子被慢化成热中子，热中子在扩散过程中被堆芯的各种材料吸收，其中一部分被核燃料吸收我们定义一个称为热中子利用系数的因子来描述被核燃料吸收的热中子所占的份额热中子利用系数记为f：f= （燃料吸收的热中子数） / （被吸收的全部热中子数分母中包括被燃料、慢化剂、冷却剂和结构材料等所有物质吸收的热中子数）。

3.中子循环：,,10,4.热中子裂变过程：燃料吸收了热中子，很大可能要发生裂变，但也有较小的可能不发生裂变，例如铀－235吸收一个热中子后也可能发生（n，r）反应故燃料每吸收一个热中子引起裂变的概率是 ，其中分子分母分别是燃料的裂变和吸收截面我们定义一个称为有效裂变中子数的因子来反映这种影响它的定义是：燃料每吸收一个热中子所产生的平均裂变中子数它的记号是η3.中子循环：,,11,中子循环过程,微观情形,快中子倍增过程,热中子裂变过程,12,假设在某一代开始时有n个裂变中子，这n个中子被有效慢化前，由于能引发铀－238裂变，快中子数目将增至n个这些中子继续慢化，但由于共振吸收将损失一部分，只有np个中子能逃脱共振吸收而慢化成热中子如果考虑到中子泄漏的损失，那么被吸收的热中子数目将只有npPFPT个，被燃料吸收的中子将只有npfPFPT个，其余热中子被其他材料吸收燃料吸收这些热中子后发生裂变重新放出新一代的裂变中子由于燃料每吸收一个热中子可产生个裂变中子，因而新的裂变中子数目等于npηfPFPT根据有效增殖系数的定义，即可知道：,,,13,3.中子循环(小结)：,这个关于k∞的公式称为四因子公式，上面那个关于k的公式称为六因子公式。

它们对于热中子反应堆内中子循环过程给出了形象、清晰的描述，对于我们分析反应堆中各种物理现象极有帮助物理意义：,14,中子循环角度：临界时，每代中子循环的中子数都一样；中子数守恒角度：临界时，中子的产生率与消失率处于动态平衡补充：,15,从热中子反应堆内的中子循环可知，能否实现自持的链式反应，取决于下列几个过程：（1）燃料吸收热中子引起的裂变 主要是热中子引起235U的裂变，这是产生中子的主要来源（2）238U的快中子增殖 能量大于1.1MeV的中子引起238U的裂变，产生裂变中子对于天然铀，这些裂变中子约占燃料裂变中子的3％左右（3）慢化过程中的共振吸收（4）慢化剂以及结构材料等物质的辐射俘获（5）中子的泄漏,影响因素,16,ε＝ε（燃料性质）；η＝η（燃料性质）p和f两个因素是互相制约的，它们与燃料和慢化剂所占的份额有关 燃料份额，慢化剂份额，f将，而p将 燃料份额，慢化剂份额，f将，而p将在实际应用上，必须找出一种能使乘积pf为最大的成分和布置，以使链式反应得以维持堆芯尺寸，不泄漏几率P，如果P1，则有四因子公式：k∞＝εpfη，可以写为keff= k∞P=1 为临界条件。

第二节 中子慢化,反应堆内产生的裂变中子都是快中子，平均能量约为2MeV在大的热中子反应堆中，这些快中子要在慢化剂中慢化，使其成为热中子，热中子再扩散及被吸收，再引起裂变例如，在热中子反应堆内几乎所有的裂变中子在引起燃料核进一步裂变之前，都已慢化到热能1.中子慢化概念和物理机制,1）中子由于散射（包括弹性和非弹性）碰撞而降低速度的过程叫做慢化过程2）弹性散射：把中子与介质核的相互作用当作两个刚性球之间的完全弹性碰撞此过程中，系统的动能和动量均守恒碰撞后，中子因把自己动能的一部分传递给介质核而减速，运动方向也发生变化能量较低的中子再质量较小的介质内的慢化过程，主要就是这种弹性碰撞机制3） 非弹性散射：可按照复核模型来理解中子与靶核结合形成复核，复核获得中子的动能与结合能，便处于激发状态，放出r射线，同时再重新释放出一个中子该反应是阈能反应，过程中动能不守恒，动量守恒这种非弹性散射碰撞为几千电子伏以上的中子与质量数较大的铀，铁等介质核相互作用而慢化的主要机理17,18,压水堆内中子的慢化主要是中子与轻核的弹性散射在弹性散射中，快中子将自己的动能传递给慢化剂H原子核，而本身被慢化成热中子如果有大量的中等核或重核存在时，那么由这些核引起的非弹性碰撞也须予以考虑。

2.弹性散射理论,第三节 中子慢化,1）基本假设：（1）和中子相比，慢化剂核可以看成是静止的（不考虑靶核热运动）；（2）核不束缚在固体液体或气体中（不考虑靶核的化学键影响）,2）两个参考系：讨论弹性碰撞时通常采用两种方便的参考系：实验室（L）系和质量中心（C）系1）实验室系中：假定散射核在碰撞前是静止的，和中子相比，慢化剂核可以看成是静止的（不考虑靶核热运动），实际测量是在该系中进行；（2）质心系：认为中子与靶核的质量中心在碰撞过程中是静止的(质心为坐标原点)，理论处理采用C系比较简单方便19,3.散射过程,实验室系（L）,质心系（C）,质心系中：中子与核碰撞后的速度与它们碰撞前的速度完全相等，碰之前，中子和核相向运动，碰撞后以同样的速度相反运动碰撞相对于质量中心的总动量为零转换到实验室系：,20,L系：,21,碰撞前：中子 质量为1，速度为v1；靶核质量为A，速度为0质量中心速度为vm碰撞前后总动量相等,,C系：,22,C系中，假定质量中心是静止的，所以碰撞前靶核以vm的速度向质心接近碰撞前中子与靶核的相对速度是v1，故中子接近质心的速度为v1-vm C系,23,在C系里，中子和散射核似乎分别以 和 的速度相互接近着。

因此，质量为1的中子沿着它运动方向的动量是 ，而质量为A的核的动量也是 ，但沿着相反方向这样，在碰撞前对于质量中心的总动量是零，而根据动量守恒原理，在碰撞后总动量也必为零C系：,24,在碰撞以后，C系里的中子沿着与原方向成θ角的方向离开质心，这就是C系中的散射角这时反冲核必须沿相反方向运动，因为质心永远在两个粒子的连线上如果 是C系里碰撞后的中子速度，而 是核的速度，那末总动量为零的条件可以表示成：,,,,质心系（C）,C系,25,上面已经看到，在C系里，中子和核的碰撞前的速度分别 为： 和 由C系能量守恒条件得： 再加上动量守恒条件： 求得：,,,C系：,26,把碰撞后的中子和靶核速度的计算结果与碰撞前相比较，可以看出，在C系里，中子与核碰撞后的速度与它们碰撞前的速度完全相等因此，一个位于碰撞粒子质量中心的观察者，在碰撞前会看到中子和核沿相反方向、以反比于它们质量的速度向他接近，而在碰撞后粒子就好象沿着相反方向(通常不同于原方向)离开他而运动，它们各自的速度不变。

参考系的转换,27,为了决定中子在碰撞时的动能损失，必须把C系中得到的结果变回L系要进行这种变换，需要利用两系统恒以速度(即L系中的质心速度)作相对运动的关系在L系内中子碰撞后的速度，可以由C系内中子碰撞后速度矢量加上L系内质心运动矢量得到转换到 L系：,28,v2是L系内中子碰撞后的速度，则由余弦定律得到：代入求得的vm和va，结果得：,,,,,,4.碰撞后能量,29,θ =0 碰撞未造成中子能量损失,θ=π 碰撞造成中子能量损失最大,碰撞最大损失能量,结论： 0<能量损失△E<(1-α)E1；碰撞损失最大能量与α成反比，即α越小，碰撞可能损失的能量越大，由α的表达式可以看出， α与A成正比；因此可看出中子与质量数A越小的核碰撞后能量损失越大掠射碰撞,迎头碰撞，最大的能量交换,。