堆物理第二章.ppt

核反应堆物理 主讲 王虎 第二章中子慢化和慢化能谱 基本概念慢化过程 中子由于散射碰撞而降低速度的过程叫做慢化过程 中子慢化能谱 当反应堆处于稳定时 在慢化过程中 堆内中子密度 或中子通量密度 按能量具有稳定的分布 称之为中子慢化能谱 第二章中子慢化和慢化能谱 2 1中子的弹性散射过程2 2热中子反应堆内能谱的近似分布 2 1中子的弹性散射过程 弹性散射时能量的变化平均对数能降平均散射角余弦慢化剂的选择中子的平均寿命 1弹性散射时能量的变化 慢化主要靠中子与慢化剂核的弹性散射 可以看成 中子与核是两个弹性刚球的相互碰撞 碰撞前后动量 动能守恒 讨论弹性碰撞时 通常采用两种坐标系 L系 试验坐标系 和C系 质心坐标系 L系内碰撞后的中子能量 根据动量 动能守恒 可得L系内碰撞后的中子能量E 式中 A M m注 靶核与中子的重量比可近似看成靶核的质量数 定性分析 时 此时碰撞前后没有能量损失 时 因而中子在一次碰撞中可能的最大能量损失为 即碰撞后中子能量 例如 对轻核 当A 1时 中子可能在一次碰撞中损失全部能量 对重核 如238U 即中子与238U核发生一次碰撞 可能损失的最大能量约为碰撞前中子能量的2 由此可见 从中子慢化的角度来看 应当采用轻核元素作慢化剂 2平均对数能降 为了计算方便 在反应堆物理分析中 还常用一种无量纲量 叫作 对数能降 来作为能量变量 用表示 式中 为选定的参考能量 一般取增大时 减小 平均对数能降 平均对数能降 就是每次碰撞中子能量的自然对数的平均变化值 用表示当A 10时 若用表示中子从慢化到 所需的平均碰撞次数 例题 试求使中子能量由2MeV慢化0 0253eV时分别所需的与H核 石墨核以及238U核的平均碰撞次数 例题 试求使中子能量由2MeV慢化0 0253eV时分别所需的与H核 石墨核以及238U核的平均碰撞次数 解 中子的对数能降增量为由附录3可得3种核的平均对数能降 因此对于轻核和重核 所需的碰撞次数是有很大差异的 该例题更充分地说明了一般选用轻核材料作为反应堆慢化剂的原因 3平均散射角余弦 中子与核发生弹性散射后 其运动方向将发生改变 若散射角为 那么就叫做散射角余弦 在C系内散射是各向同性的 但在L系内散射却是各向异性的 4慢化剂的选择 慢化剂的条件 它应具有大的平均对数能降值 具有较大的宏观散射截面 从减少中子损失的角度来看 慢化剂还应具有较小的吸收截面 慢化能力 通常把宏观散射截面和平均对数能降的乘积即叫作慢化剂的慢化能力 慢化比 5中子的平均寿命 平均寿命 快中子自裂变产生到慢化成为热中子 直至最后被俘获的平均时间 用表示 式中 慢化时间 裂变中子由裂变能慢化到热能所需的平均时间 扩散时间 无限介质内热中子在自产生至被俘获以前所经过的平均时间 对于压水堆中子的平均寿期 对于快中子反应堆中子的平均寿命 2 2热中子反应堆内能谱的近似分布 慢化能谱 在稳定情况下 在系统内形成某种稳定的中子能量分布 称这个能量分布为慢化能谱 讨论中子通量密度与能量之间的关系 可以把中子分为三个区间 即快中子区 慢化区和热中子区 快中子区 E 0 1MeV 高能区 中子从裂变产生尚未充分慢化 因而其能谱与裂变中子谱非常接近 可用近似表示 慢化区 1eV E 0 1MeV 反应堆内慢化区的中子能谱近似服从1 E谱或费米谱 热能区 E 1eV 反应堆内慢化区的中子能谱近似服从麦克斯韦谱 与温度有关 1eVE 293K500K1000K 其他因素对中子能谱的影响 能量自屏效应慢化区 慢化到第个共振能之前的中子数 吸收剂A和慢化剂M组成的均匀介质的 吸收剂 燃料A 的宏观吸收截面 混合物的宏观吸收截面 由于含有项 当中子截面呈共振峰形状时 在共振能量附近有很大的增大核剧变 这就是导致中子通量密度急剧下降畸变 在附近出现很大的凹陷 这种现象称为共振的 能量自屏效应 温度对共振吸收的影响温度升高 由于多普勒展宽效应 使得共振峰值降低 使能量自屏效应减弱 共振峰内中子通量密度增大 总的结果将使共振吸收增大 硬化 热中子区 原因 a在反应堆中 所有的热中子都是从较高的能量慢化而来 然后逐步与介质达到热平衡状态 这样 在能量较高区域内的中子数目相对地就要多些 b由于介质要吸收中子 一部分未达到平衡态的中子被吸收 低能区中子减少 由于这两个原因共同作用的结果 在能量较高处的中子数相对增大 而在能量较低处的中子数相对减少 使得实际的热中子能谱朝能量高的方向有所偏移 即热中子的平均能量