核反应堆物理分析_前言

1、核工程原理核工程原理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，马里兰大学上世纪例如，马里兰大学上世纪90年代出的一本年代出的一本“Nuclear Engineering , An Introduction”,共共11章，前章，前7章都是讲反应堆物理的章都是讲反应堆物理的.第第8章讲中子和伽玛的辐射效应，章讲中子和伽玛的辐射效应，第第9章讲屏蔽，章讲屏蔽，第第10章讲反应堆堆芯传热，章

2、讲反应堆堆芯传热，第第11章讲反应堆的安全审评和如何取得许可执照。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：学时安排：46学时（学时（23次课）次课）6-17周（周一周（周一1-2节，周四节，周四7-8节）节）教材与参考书 1 谢仲生谢仲生. 核反应堆物理分析核反应堆物理分析(修订本修订本). 西安交通西安交通大学出版社大学出版社. 2004 2 拉马什. 核反应堆物理导论

3、. 原子能出版社 3杜德斯塔特, 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。与核物理核物理的区别核反应堆核反

4、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。中国的裂变反应堆中国的裂变反应堆核电厂反应堆核电厂反应堆:秦山、大亚湾/岭澳，田湾实验反应堆：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

5、堆生产堆：生产堆：404厂，821厂（皆已关闭，正在退役）军用核潜艇动力堆军用核潜艇动力堆Operational reactors sorted by countryOperational reactors sorted by type我国我国2020年前核电发展前景年前核电发展前景图图 2020年前运行核电机组容量预测对比年前运行核电机组容量预测对比裂变反应堆原理 物理原理物理原理核反应堆物理核反应堆物理 传热原理传热原理核反应堆热工水力学核反应堆热工水力学 控制原理控制原理核反应堆控制核反应堆控制 结构原理结构原理核反应堆结构力学核反应堆结构力学 安全原理安全原理核反应堆安全核反应堆安全

6、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、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。地位、内容及意义的简述。请认真阅读。Nuclear Reactor PhysicsNuclear Reactor Physics Nuclear reactor physics is the physics

7、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 engine

8、ering.课程内容 中子与物质的相互作用及其定量描述中子与物质的相互作用及其定量描述8学时学时 堆堆内中子的慢化内中子的慢化4学时学时 中子的中子的扩散扩散8学时学时 反应堆临界理论反应堆临界理论8学时学时 反应反应性随时间的变化性随时间的变化4学时学时 反应反应性效应与反应性控制性效应与反应性控制6学时学时 反应堆动力学反应堆动力学4学时学时 压水堆压水堆堆芯燃料管理堆芯燃料管理2学时学时 机动机动2学时学时本课程特点涉及物理概念多，涉及物理概念多，用到用到的数学工具多，的数学工具多，与工程与工程实际联系多。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。学习本课程，有利于能力培养

9、和全面素质的提高。重点训练：重点训练：物理物理原理、物理思想原理、物理思想对复杂物理系统建模的能力对复杂物理系统建模的能力运用数学工具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运用计算机进行数值计算的能力考核方式：考核方式：课堂练习（课堂练习（20%）课后作业（课后作业（20%）期末考试（期末考试（60%）课堂表现（课堂表现（-40%10%）项目训练（可代替期末考试）项目训练（可代替期末考试）课件下载方式：课件下载方式：公共邮箱：公共邮箱：密码：密码：heredownload教学要求 分层次教学： 从定性到定量从定性到定量 一般掌握到较深刻领会一般掌握到较深刻领会 一般会用到灵活应用

10、一般会用到灵活应用 最低要求： 听课，认真完成作业听课，认真完成作业( (鼓励讨论鼓励讨论, ,反对抄袭反对抄袭),),通过考试。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；文专业词汇； 积极参与项目训练和课程建设积极参与项目训练和课程建设(bonus)(bonus)预备知识预备知识原子核由质子和中子两种核子组成（氢核无原子核由质子和中子两种核子组成（氢核无中子）。中子）。质子质量质子质量 1.0072765 u中子质量中子质量 1.0086649 u 1 u =1.66054 E-27

11、kg中子中子中子是组成这个物质世界的基本粒子之一，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除了氢核之外，其他元素的原子核里面都有中子。有中子。自由中子是不稳定的，会自发地转变为一个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。自由中质子、一个电子和一个反中微子。自由中子的半衰期约为子的半衰期约为10.6分。分。中子的波长中子的波长微观粒子具有波粒二象性，中子也不例外。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，有时又表现中子的行为有时表现出粒子性，有时又表现为波。为波。102 4.55 10 -=hpppEcmEll

12、pp电动量为的粒子，其波长为 其约化波长 能量为（）的中子子伏特的约化波长 核素，同位素核素，同位素一般把具有相同质子数、中子数的一类一般把具有相同质子数、中子数的一类原子（或原子核）称为一种原子（或原子核）称为一种核素核素。具有相同质子数，不同中子数的核素称为同具有相同质子数，不同中子数的核素称为同位素。位素。例如，天然氧中含有氧例如，天然氧中含有氧-16, -16, 氧氧-17, -17, 氧氧-18-18三种三种不同的核素。它们的原子核中都含有个不同的核素。它们的原子核中都含有个质子，因而是同位素。质子，因而是同位素。质量亏损质量亏损自由质子和自由中子结合成原子核时，要发自由质子和自由中

13、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。是小于组成它的所有核子的质量。例例: : AlAl27 27 的原子核含有的原子核含有1313个质子和个质子和1414个中子，个中子，其质量为其质量为26.9744 26.9744 amuamu而而 1313个质子和个质子和1414个中子的质量为个中子的质量为 27.2159 27.2159 amuamu 亏损的质量为亏损的质量为0.2415 0.2415 amuamu结合能结合能亏损的质量转化为能量释放出来，这一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。部分

14、能量称为结合能。据爱因斯坦质能关系公式，据爱因斯坦质能关系公式， 1 相当于相当于931.5Mev,上例中的结合能是上例中的结合能是0.2415*931.5=224.9Mev2=Emc平均结合能平均结合能平均到原子核中每个核子的结合能称为平均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）。结合能（也称为比结合能）。 上例中的平均结合能是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。平均结合能越大，原子核结合得越牢固。裂变和聚变裂变和聚变从上图中可以看到，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

15、，可以放出能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）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）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 核力与结合能核力与结合能众所周知，任何两个互相吸引的物体，当它众所周知，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。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。出的能量就是结合能。思考题思考题把自由中子和质子结合成原子核时，会放出把自由中子和质子

16、结合成原子核时，会放出能量（结合能），反过来，欲将原子核打能量（结合能），反过来，欲将原子核打碎，要供给能量。碎，要供给能量。为什么用能量很低的中子就可以把铀为什么用能量很低的中子就可以把铀235核打核打碎，而且还能放出很多能量？碎，而且还能放出很多能量？原子核的能态（能级）原子核的能态（能级）在学习在学习大学物理大学物理时，我们就知道，核外的电子可以时，我们就知道，核外的电子可以处于不同的能量状态（能级处于不同的能量状态（能级/ /轨道）轨道）, ,受到激发的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。高能级跳

17、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。能量最小的状原子核也可以处于不同的能量状态。能量最小的状态称为态称为基态基态，能量较大的状态称为，能量较大的状态称为激发态激发态。激发态一般是不稳定的（寿命很短）。激发态一般是不稳定的（寿命很短）。放射性核素的衰变规律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该时刻存有的该种放射性核的数目成正比。比。= -dNNdtll称为衰变常数,它与时间无关，与核素的化学状态、温度、压力等因素都无关。00( )( )(0) ()( ) -= -=tdN tN tdtN

18、NN tN ell初始条件放射性核的平均寿命1=ttll平均寿命是衰变常数的倒数例如 0.02/s则 50半衰期半衰期12121212 010 2 / 2 1/ 2 2 ln2 -=TTTTN eNeeTllll某种放射性核的数目减少一半所需要的时间称为该种放射性核的半衰期,一般用表示放射性活度放射性活度某放射性样品，其在单位时间内发生的衰某放射性样品，其在单位时间内发生的衰变次数，称为该样品的的活度。变次数，称为该样品的的活度。活度的单位：贝可，居里活度的单位：贝可，居里10贝可次衰变/秒居里3.7 10 贝可N活度 例子例子人体中大约含有人体中大约含有0.2 % 的钾，钾在天然钾中的的钾，

19、钾在天然钾中的丰度为丰度为0.0117 %, 其半衰期为其半衰期为12.77亿年。求体重亿年。求体重公斤的人体内的放射性活度。公斤的人体内的放射性活度。贝可贝可实际上人体中还含有的碳，天然碳中放射性实际上人体中还含有的碳，天然碳中放射性碳碳-14的丰度为的丰度为1.2E-12,其半衰期为其半衰期为5730年。考虑年。考虑此因素后，人体内的放射性活度大约是此因素后，人体内的放射性活度大约是贝可贝可考古断代碳考古断代碳14由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分放由于宇宙射线作用，大气中会产生一部分放射性的碳射性的碳14。活的植物由于不断进行光。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，其体内的碳作用和新陈代谢，其体内的碳14核由于核由于不断衰变，含量越来越少。因此今天挖掘不断衰变，含量越来越少。因此今天挖掘出来古代植物遗体内，碳中碳出来古代植物遗体内，碳中碳14的含量，的含量，低于大气中的含量。低于大气中的含量。0 ,14121214例题假定在活的植物体内C 与 C 的原子数之比是1.2:1 C 的半衰期是年。考古工作者将某古代遗址中的一块木头碳化后，测得每克碳的放射性活度为3