反应堆材料学chapter01绪论part2

1、龙龙 斌斌 教授教授 核工业研究生部核工业研究生部 China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China 反应堆材料反应堆材料 总体安排总体安排 p 授课授课对象：硕士、博士研究生对象：硕士、博士研究生

2、基础课基础课 p 总总课时课时64课时课时 p 每个课时为每个课时为50分钟授课，每章结束进行一分钟授课，每章结束进行一 次课堂练习；做次课堂练习；做ppt学术报告学术报告 p 考试方式：笔试考试方式：笔试 + 口试口试 （？）（？） p 实习和参观：实习和参观： 1）反应堆（）反应堆（CEFR，CAAR） 2）反应堆材料试验装置台架）反应堆材料试验装置台架 3）热室）热室 4）材料分析检测实验室）材料分析检测实验室 掌握几个概念掌握几个概念 p 中子是如何与材料（或原子核）发生反应的？中子是如何与材料（或原子核）发生反应的？- -散射和吸收散射和吸收 p 中子与材料发生反应的机会（概率）有多

3、大中子与材料发生反应的机会（概率）有多大- -中子反应截面中子反应截面 p 所有能量区间的中子都能材料原子发生反应吗？所有能量区间的中子都能材料原子发生反应吗？- -中子能谱中子能谱 p 燃耗和辐照参数的关系燃耗和辐照参数的关系 p 材料研究与辐射防护材料研究与辐射防护 第一章第一章 绪论绪论 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 中子的质量与质子的质量大约相等中子的质量与质子的质量大约相等, ,并且中子与并且中子与射线一射线一 样也不带电样也不带电.

4、 .因此因此, ,中子与原子核或电子之间没有静电作用中子与原子核或电子之间没有静电作用. . 当中子与物质相互作用时当中子与物质相互作用时, ,主要是和原子核内的核力相互主要是和原子核内的核力相互 作用作用, ,与外壳层的电子不会发生作用与外壳层的电子不会发生作用. . 物质是什么？物质是什么？ 10-10m 10-1510-14m 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 作用机制：作用机制： I. I. 势

5、散射；势散射；II.II.直接相互作用；直接相互作用；III. III. 形成复合核形成复合核 作用机制作用机制I-势散射：势散射：是中子与原子核表面势相互作用的结 果。在整个作用过程中，中子并未进入原子核内部。-能量能量 交换交换 入射中子入射中子 原子核原子核 势散射前后中子与靶核系统的势散射前后中子与靶核系统的 动能和动量守恒，所以动能和动量守恒，所以势散射势散射 是是一种一种弹性散射弹性散射 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 作用机制：作用机制： I. I. 势散射；势散射；II.II.直接相互作用；直接相

6、互作用；III. III. 形成复合核形成复合核 作用机制作用机制II-直接相互作用：直接相互作用：当入射中子能量很高时，中子 将进入原子核内部，直接与原子核内的某个核子发生碰撞， 并将其从原子核中打出，而入射中子则留在原子核内。 直接相互作用对中子能量要求直接相互作用对中子能量要求 较高，较高，对于反应堆中的材料，对于反应堆中的材料， 可忽略此反应类型可忽略此反应类型 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 作用机制：作用机制： I. I. 势散射；势散射；II.II.直接相互作用；直接相互作用；III. III. 形

7、成复合核形成复合核 作用机制作用机制III-形成复合核：形成复合核：对于低能核反应，该模型认为， 中子与原子核的反应分为两个独立的过程： 中子先与靶核作用后，融合成一个处于激发态的新核，即形 成复合核； 复合核按照不同的方式进行衰变，分解为出射粒子和剩余核 a + A C*B + b 反应堆中，中子与材料原子（除燃料）的相互作用简单地反应堆中，中子与材料原子（除燃料）的相互作用简单地 分为：分为：散射散射和和吸收吸收 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 散射和吸收散射和吸收 散射：散射：根据入射粒子a和出射粒子b是同

8、一种粒子（中子）， 则称之为散射。 根据在散射过程中能量的转换，可将散射分为弹性散射弹性散射和 非弹性散射非弹性散射。 弹性散射弹性散射：总动能保持不变，即散射前后动能和动量守恒 a + A C*B + b 根据该公式，按照中子与靶核反应后出射粒子根据该公式，按照中子与靶核反应后出射粒子b的种类，的种类， 可以将核反应分为散射和吸收可以将核反应分为散射和吸收 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 散射和吸收散射和吸收 非弹性散射非弹性散射：中子和靶核发生作用后， 1）靶核处于激发态，需要吸收一部分能量； 2）体系的动量

9、守恒，动能不守恒 反应式为：反应式为： 1.1.中子与原子核的反应中子与原子核的反应 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 吸收吸收 p (n,(n, ),),成为辐射俘获成为辐射俘获反应。反应。 比如比如58 58Fe(n, Fe(n, ) )59 59Fe, Fe, 55 55Mn Mn(n,(n, ) )56 56Mn Mn 113 113Cd Cd (n,(n, ) ) 114 114Cd Cd （控制棒）（控制棒） p (n,(n,c):c):核转化生成异种原子的反应，即中子被靶核吸收后，核转化生成异种原子的反应，即中子被靶核吸收后， 生成新核并放出质子

10、生成新核并放出质子(p)(p)或或a a粒子（粒子（He)He)的反应的反应 如果出射粒子中没有中子，则成为如果出射粒子中没有中子，则成为吸收吸收 分为：分为：(n,(n, ), (n,c), (n,c)和和(n,f)(n,f) 10 5B + n 73Li + 42He 16 8O + n 167N + 11H 167N + n 16 8O + -1 + 2.2.中子反应截面中子反应截面 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 中子与物质的相互作用用中子与物质的相互作用用反应截面反应截面来度量，它的物理意义来度量，它的物理意义 是是发生某种核反应的概率发生某种核反

11、应的概率 微观截面微观截面：其物理意义是一个中子入射到单位面积内：其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，它是一个中子只含一个靶核的靶子上所发生的反应概率，它是一个中子 与一个靶核发生相互作用概率大小的一种度量。与一个靶核发生相互作用概率大小的一种度量。的量纲的量纲 是面积的量纲。是面积的量纲。是一个是一个 很小的量，为此用很小的量，为此用 1010-24 -24cm cm2 2 作为微观截面的单位，称作为微观截面的单位，称 为为“靶恩（靶恩（barnbarn）”。微观。微观 截面截面是中子能量的函数。是中子能量的函数。 微观截面表征了一个中子和一个原子核微

12、观截面表征了一个中子和一个原子核 相互作用（发生核反应）的概率大小相互作用（发生核反应）的概率大小 微观截面工程中常用的单位：靶恩微观截面工程中常用的单位：靶恩(barn), 1barn = 10-24cm2 2.2.中子反应截面中子反应截面 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 中子与物质的相互作用用中子与物质的相互作用用反应截面反应截面来度量，它的物理意义来度量，它的物理意义 是是发生某种核反应的概率发生某种核反应的概率 每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。 散射（散射（scattering）：）

13、： s 辐射俘获：辐射俘获： 裂变（裂变（fraction）：）： f 吸收（吸收（absorption）：）： a 微观截面工程中常用的单位：靶恩微观截面工程中常用的单位：靶恩(barn), 1barn = 10-24cm2 2.2.中子反应截面中子反应截面 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 宏观截面宏观截面 ：它是微观截面和单位体积的靶原子核数的乘积：它是微观截面和单位体积的靶原子核数的乘积 = N N为单位体积内原子核的数目为单位体积内原子核的数目 其物理意义：其物理意义： 表征了一个中子和单位体积内所有的原子核发生反应的概率大小表征了一个中子和单位体积

14、内所有的原子核发生反应的概率大小； 一个中子在介质内穿行单位距离与原子核发生反应的概率大小一个中子在介质内穿行单位距离与原子核发生反应的概率大小 微观截面（微观截面（ ）表示一个中子去轰击一个核时的有效截面，）表示一个中子去轰击一个核时的有效截面， 其单位是其单位是cmcm2 2；宏观截面（；宏观截面（ ）表示在）表示在1cm1cm3 3的物质所含有的全的物质所含有的全 部核的有效靶面积，其单位是部核的有效靶面积，其单位是cmcm-1 -1. . 3.3.中子能谱中子能谱 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 在实际的反应堆中，中子并不是具有同一速度或者能量，在实

15、际的反应堆中，中子并不是具有同一速度或者能量， 它是它是分布在一个很宽的能量范围内分布在一个很宽的能量范围内的的 p 中子数按能量的分布中子数按能量的分布n(E)n(E)称为称为中子能谱中子能谱 p 在反应堆物理中习惯把中子通量密度按能量的分在反应堆物理中习惯把中子通量密度按能量的分 布布 （E)E)称为中子能谱称为中子能谱 3.3.中子能谱中子能谱 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 热堆和快堆的堆芯中子能谱热堆和快堆的堆芯中子能谱 4.4.燃耗和辐照参数燃耗和辐照参数 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 燃耗（燃耗（burnu

16、pburnup）：反应堆运行过程中核燃料的消耗程度，即：反应堆运行过程中核燃料的消耗程度，即 消耗掉的燃料数量。或者叫消耗掉的燃料数量。或者叫燃耗深度燃耗深度。 燃耗达到一定限度后，燃料元件就应该更换，否则元件将破燃耗达到一定限度后，燃料元件就应该更换，否则元件将破 损或者反应堆的反应性因裂变产生的中子毒物不能维持反应损或者反应堆的反应性因裂变产生的中子毒物不能维持反应 堆的正常运行。堆的正常运行。 4.4.燃耗和辐照参数燃耗和辐照参数 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 燃耗的表示方法燃耗的表示方法 核燃料的燃耗有三种表示方法：核燃料的燃耗有三种表示方法： p

17、 单位重量的核燃料所释放的能量单位重量的核燃料所释放的能量( (兆瓦兆瓦 日日/ /吨吨 MWMW d/t(U)d/t(U)） p 用消耗掉的易裂变同位素核子数与初装该核子数之比用消耗掉的易裂变同位素核子数与初装该核子数之比 （ at.%at.%）（多用于研究堆）（多用于研究堆） p 工程上，采用工程上，采用“等效满功率天（等效满功率天（EFPDEFPD）”或或“等效满功率等效满功率 小时（小时（EFPHEFPH）”来表示燃耗深度，来表示燃耗深度，1EFPD1EFPD等于在等于在100%100%满功率下满功率下 运行运行1 1天天 4.4.燃耗和辐照参数燃耗和辐照参数 第二节第二节 反应堆材料

18、与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 中子通量密度（中子通量密度（neutron fluxneutron flux） 中子通量密度是中子物理中一个应用广泛的物理量（中子通量密度是中子物理中一个应用广泛的物理量（ ）。 （1 1）单一速度平行中子束的通量密度）单一速度平行中子束的通量密度 沿一固定方向有一束沿一固定方向有一束 密度为密度为n n，速度为，速度为 的的 中子中子 密度：密度：n 速度：速度： 单位时间内通过与中子运动方向垂直的单位面积的中子数单位时间内通过与中子运动方向垂直的单位面积的中子数 =n=n 中子中子/(cm/(cm2 2 s s）即中子通量密度，也叫中子注量密）即

19、中子通量密度，也叫中子注量密 度度 物理意义物理意义：单位时间内通过与中子运动方向垂直的单位面积的单位时间内通过与中子运动方向垂直的单位面积的 中子数量中子数量 4.4.燃耗和辐照参数燃耗和辐照参数 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 中子通量密度（中子通量密度（neutron fluxneutron flux） 中子通量密度是中子物理中一个应用广泛的物理量。中子通量密度是中子物理中一个应用广泛的物理量。 （2 2）非平行束单速中子的通量密度）非平行束单速中子的通量密度 中子运动的方向四面八方，此时中子运动的方向四面八方，此时 某点的中子通量密度定义为：以某点的

20、中子通量密度定义为：以 此点为中心迎着各个方向射来的此点为中心迎着各个方向射来的 中子做许多垂直的单位面积，然中子做许多垂直的单位面积，然 后把在单位时间内通过这些面积后把在单位时间内通过这些面积 的中子统统加起来，就是该点的的中子统统加起来，就是该点的 中子通量密度中子通量密度 4.4.燃耗和辐照参数燃耗和辐照参数 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 中子注量（中子注量（neutron fluenceneutron fluence） 中子通量密度也称为中子注量率中子通量密度也称为中子注量率 = = 0 0 t t dt dt （n/cmn/cm2 2) ) 中

21、子注量率对时间的积分即为中子注量，它表征：中子注量率对时间的积分即为中子注量，它表征：在整个在整个 辐照时间辐照时间t t内，通过单位面积的中子总数内，通过单位面积的中子总数。 当中子通量密度不随时间当中子通量密度不随时间t t变化时，中子注量变化时，中子注量 = = t t （n/cmn/cm2 2) ) 5.5.放射性元素的衰变放射性元素的衰变 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 原子核的衰变（原子核的衰变（decaydecay） 原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变 5.5.放射性元素

22、的衰变放射性元素的衰变 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 p 衰变：衰变：原子核自发地放射出原子核自发地放射出粒子而转变成另一种核的过粒子而转变成另一种核的过 程叫做程叫做衰变。衰变。 例如例如 对于天然放射性同位素而对于天然放射性同位素而 言，只有质量数言，只有质量数A A大于大于140140 的重原子核才能产生的重原子核才能产生衰衰 变变 5.5.放射性元素的衰变放射性元素的衰变 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 p 衰变：衰变：原子核自发地放射出原子核自发地放射出粒子或俘获一个轨道电子而粒子或俘获一个轨道电子而 发生的转

23、变叫做发生的转变叫做 衰变。衰变。 例如例如 在在 衰变中，原子核的衰变中，原子核的 质量数不变，只是电荷数质量数不变，只是电荷数 改变了一个单位改变了一个单位 5.5.放射性元素的衰变放射性元素的衰变 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 p 衰变：衰变：放射性原子核在发生放射性原子核在发生衰变、衰变、衰变后产生的新核衰变后产生的新核 往往处于高能量级，要向低能级跃迁，辐射出往往处于高能量级，要向低能级跃迁，辐射出光子光子 例如例如 210 84Po 206 82Pb + 4 2He 206 82Pb + + 5.5.放射性元素的衰变放射性元素的衰变 第二节第二

24、节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 5.5.放射性元素的衰变放射性元素的衰变 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 1/10光速光速 接近光速接近光速 光速光速 6.6.放射性活度及剂量监测放射性活度及剂量监测 第二节第二节 反应堆材料与中子的相互作用反应堆材料与中子的相互作用 p 辐射量辐射量：1 1）描述辐射源的量；）描述辐射源的量；2 2）描述辐射场的量；以及）描述辐射场的量；以及 3 3）辐射剂量和辐射与物质相互作用的量）辐射剂量和辐射与物质相互作用的量 主机主机 铅罐铅罐 探头探头 辐射源放射性强弱或放射性辐射源放射性强弱或放射性 物质数量的度量用物质数量的度量用放射性活放射性活 度度来表示来表示 放射性活度：指放射性元素放射性活度：指放射性元素 或同位素每秒衰变的原子数，或同位素每秒衰变的原子数， 目前放射性活度的国际单位目前放射性活度的国际单位 为贝克勒（为贝克勒（BqBq），也就是每），也就是每 秒有一个原子衰变，一克的秒有一个原子衰变，一克的 镭放射性活度有镭放射性活度有3.73.7101010 10Bq Bq。 1 1居里（居里（CiCi）=3.7E+10=3.7E