反应堆物理分析省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

4.0.14.0.1核裂变过程与材料核裂变过程与材料 (a)(a)液滴模型液滴模型:(b)(b)(b)(b)裂变过程裂变过程:4.4.核裂变过程核裂变过程 靶核俘获中子靶核俘获中子形成复合核形成复合核复合核退激复合核退激核裂变核裂变图2-7 液滴裂变机制示意图原子核液滴分裂模型原子核液滴分裂模型裂变临界能第1页核裂变是中子轰击核裂变是中子轰击原子核，原子核接原子核，原子核接收中子后变得不稳收中子后变得不稳定，从而分裂。定，从而分裂。复合核从变形到分复合核从变形到分裂需要能量，所需裂需要能量，所需最小能量称为裂变最小能量称为裂变临界能量。临界能量。材料材料材料材料外部入射自外部入射自外部入射自外部入射自由中子由中子由中子由中子材料裂变临界能材料裂变临界能材料裂变临界能材料裂变临界能量小于入射中子量小于入射中子量小于入射中子量小于入射中子能量能量能量能量复合核复合核第2页临界能临界能:发生核裂变最小激发能发生核裂变最小激发能Ecr(criticalenergy)靶原子核靶原子核复合核临界裂变能复合核临界裂变能(Mev)中子结合能（中子结合能（Mev）钍钍-2326.55.1铀铀-2385.54.9铀铀-2355.36.4铀铀-2334.66.6钚钚-2394.06.4几个核素临界裂变能几个核素临界裂变能 易易裂裂变变材材料料重核裂变临重核裂变临界能量小界能量小天然核燃料天然核燃料可转换核素可转换核素第3页燃料裂变时能量释放燃料裂变时能量释放燃料裂变时能量释放燃料裂变时能量释放(MeV)(MeV)(MeV)(MeV)n n易裂变燃料易裂变燃料易裂变燃料易裂变燃料 233233U U190.0+/-0.5190.0+/-0.5 235235U U192.9+/-0.5192.9+/-0.5 239239PuPu198.5+/-0.8198.5+/-0.8 241241PuPu200.3+/-0.8200.3+/-0.8n n可裂变燃料可裂变燃料可裂变燃料可裂变燃料 232232ThTh184.2+/-0.9184.2+/-0.9 234234U U188.9+/-1.0188.9+/-1.0 236236U U191.4+/-0.9191.4+/-0.9 238238U U193.9+/-0.8193.9+/-0.8 237237NpNp193.6+/-1.0193.6+/-1.0 238238PuPu196.9+/-0.8196.9+/-0.8 240240PuPu196.9+/-1.0196.9+/-1.0 242242PuPu200.0+/-1.9200.0+/-1.9天然存在天然存在第4页裂变能量释放裂变能量释放裂变能量释放裂变能量释放 n n反应前后质量改变反应前后质量改变反应前后质量改变反应前后质量改变 裂变前裂变前裂变前裂变前质量质量质量质量(u)(u)裂变后裂变后裂变后裂变后质量质量质量质量(u)(u)235235U U235235.1241249595KrKr9494.945945n n1 1.0086700867139139BaBa138138.955955 2n2n2 2.0173401734总计总计总计总计236236.1326713267 235235.917917质量亏损：质量亏损：质量亏损：质量亏损：236.132 67-235.917236.132 67-235.9170.2150.215（u u）=200Mev=200Mev=200Mev=200Mev 1u1u总能量为总能量为总能量为总能量为931931兆电子伏兆电子伏兆电子伏兆电子伏第5页4.1.1 4.1.1 235235铀核裂变裂变能量释放铀核裂变裂变能量释放 EnergyEnergy%MeVMeVFissionfragmentkineticenergyFissionfragmentkineticenergy8080168168Promptgammarays4 47 7NeutronsNeutrons3 35 5Fissionproductgammarays4 47 7Betaparticles4 48 8NeutrinosNeutrinos5 51212TotalTotal100100207207第6页80%3%4%4%4%5%neutrinos裂变中放出能量分布裂变中放出能量分布裂变中放出能量分布裂变中放出能量分布第7页第8页停堆余热计算（堆芯长久冷却）停堆余热计算（堆芯长久冷却）平均每次裂变衰变功率与延迟时间关系：平均每次裂变衰变功率与延迟时间关系：Mev/st t t t为裂变发生后时间为裂变发生后时间为裂变发生后时间为裂变发生后时间 若反应堆在功率水平若反应堆在功率水平P P运行了运行了T T秒，则停堆后秒，则停堆后秒时刻裂秒时刻裂变产物变产物射线和射线和射线释放总功率为射线释放总功率为 PP堆功率水平；堆功率水平；停堆后停堆后时刻（时刻（10s 100d10s 0.1Mev）热中子热中子(1K 1 超临界，功率增加超临界，功率增加K=1K=1 临界，临界，功率恒定功率恒定K 1K 1 次临界，功率降低次临界，功率降低第46页设计时保守预计设计时保守预计反应堆有限大，定义为反应堆有限大，定义为Keff可见：可见：Keff=kPL第47页PLPL临界尺寸临界尺寸临界质量临界质量几何形状几何形状第48页中子寿命循环中子寿命循环Neutron life cycleNeutron life cycle第49页1.1.反应堆内中子数目标增减与平衡浓度决定过程反应堆内中子数目标增减与平衡浓度决定过程(1)(1)铀铀-238-238快中子倍增；快中子倍增；(2)(2)燃料吸收热中子引发裂变；燃料吸收热中子引发裂变；(3)(3)慢化剂以及结构材料等物质辐射俘获；慢化剂以及结构材料等物质辐射俘获；(4)(4)慢化过程中共振吸收；慢化过程中共振吸收；(5)(5)中子泄漏。中子泄漏。I)I)慢化过程中泄漏慢化过程中泄漏(II)(II)热中子扩散过程中泄漏热中子扩散过程中泄漏竞争竞争第50页2.2.热中子反应堆热中子反应堆内中子平衡图内中子平衡图第51页举一个例子第52页循环往复循环往复20第53页 包含铀包含铀238238核裂变在内全部裂变产生快中子总数与铀核裂变在内全部裂变产生快中子总数与铀235235核热核热中子裂变产生快中子数之比中子裂变产生快中子数之比:第54页4.4.逃脱共振吸收几率逃脱共振吸收几率 在慢化过程中逃脱共振吸收中子份额就称作逃脱共振吸在慢化过程中逃脱共振吸收中子份额就称作逃脱共振吸收几率收几率 慢化到热能区中子数与慢化到热能区中子数与1.1Mev1.1Mev以下以下且留在堆内快中子数且留在堆内快中子数之比之比第55页5.5.不泄漏几率不泄漏几率L L（NLNL）第56页FNTN第57页6.6.热中子利用系数热中子利用系数f f第58页第59页7.7.有效裂变中子数有效裂变中子数第60页四因子公式四因子公式四因子公式四因子公式n快中子倍增因子快中子倍增因子npp逃脱共振吸收几率逃脱共振吸收几率nf f 热中子利用系数热中子利用系数n有效裂变中子数有效裂变中子数=（热中子裂变产生快中子数（热中子裂变产生快中子数+快中子裂变产生净快中子数）快中子裂变产生净快中子数）/热热中子裂变产生快中子数中子裂变产生快中子数p=p=经过共振吸收能量间隔而进入经过共振吸收能量间隔而进入热能区中子数热能区中子数/进入共振能量间隔进入共振能量间隔快中子数快中子数=核燃料吸收热中子所产生裂变核燃料吸收热中子所产生裂变中子数中子数/核燃料吸收热中子数核燃料吸收热中子数n n无限介质增殖系数无限介质增殖系数无限介质增殖系数无限介质增殖系数k=pf四因子公式四因子公式f=f=核燃料吸收热中子数核燃料吸收热中子数/（核燃料（核燃料吸收热中子数吸收热中子数+其它材料吸收热中其它材料吸收热中子数）子数）第61页六因子公式六因子公式六因子公式六因子公式n nk k 无限介质增殖无限介质增殖系数系数k=pfPL=PsPdk keff eff=k=kP PL L=pfP=pfPs sP Pd d不泄漏几率不泄漏几率PNL=第62页6363第63页Six factors formula for a typical thermal reactorSix factors formula for a typical thermal reactor经典一个热中子反应堆六因子数值经典一个热中子反应堆六因子数值经典一个热中子反应堆六因子数值经典一个热中子反应堆六因子数值第64页n 核裂变原理；核裂变原理；n 裂变能量分配；裂变能量分配；n 裂变产生中子；裂变产生中子；n 裂变产物；裂变产物；n 反应堆功率与中子通量；反应堆功率与中子通量；n 衰变热、放射性活度估算；衰变热、放射性活度估算；n中子生命循环；中子生命循环；n四因子公式和六因子公式中每一个因子含义；四因子公式和六因子公式中每一个因子含义；n链式裂变反应、临界质量和临界体积。链式裂变反应、临界质量和临界体积。Review第65页Any questions?第66页