反应堆原理：第二章-核物理基础1

《反应堆原理》

第二章核反应堆的核物理基-I反应堆原理反应堆原理中子与原子核的相互作用中子截面、中子通量密度和和反应率共振吸收核数据库核裂变12345目录反应堆原理一.中子与原子核的相互作用

1.中子的基本性质中子存在于除氢以外的所有原子核中，是构成原子核的重要组分。Size~10-10mSize~10-15m中子不带电它与核外电子相互作用很小，基本不会使原子电离和激发而损失能量，中子在物质中损失能量的主要机制是与原子核发生碰撞，因此它具有很强的穿透能力反应堆原理一.中子与原子核的相互作用中子的质量中子的静止质量mn稍大于质子的静止质量mpmn＝1.0086649ump＝1.007825u中子质量的测量是通过间接方法得到的：

n＋p→2D＋γmn＝mD＋Eγ/c2－mpa.通过核反应b.根据能量守恒反应堆原理一.中子与原子核的相互作用HPGeLi2CO3板H20容器铅皮Am-Be中子源（吸收源发出的低能γ）(中子打在水中的氢核上n＋p→2D＋γ)（吸收穿过容器的慢化中子）自由中子的不稳定性中子在原子核外自由存在时是不稳定的，它通过自发的β衰变转变为质子，其半衰期为10.3min

n→β－＋p＋

ν反应堆原理一.中子与原子核的相互作用在热中子反应堆中，瞬发中子的寿命约为10-3~10-4s，它比自由中子的半衰期短得多，因此在反应堆物理分析中可以不考虑自由中子的不稳定性问题.中子按能量大小的分类中子的能量不同，它与原子核相互作用的概率、方式也就不同。在反应堆物理分析中，通常按中子能量的大小把中子分为:（1）快中子E＞0.1MeV（2）中能中子1eV＜E＜0.1MeV

（3）热中子E＜1eV反应堆原理一.中子与原子核的相互作用中子与原子核的相互作用，可以按照三种根本不同的机理中的一种或几种发生。这三种不同的机理分别是复合核的形成、势散射和直接相互作用.

(1)复合核的形成在这个过程中，入射中子被靶核吸收，形成一个复合核若在质心系中观察复合核的形成过程:中子质心靶核

2.中子与原子核相互作用的机理中子和靶核两者在质心系的动能Ec

就转化为复合核的内能，如果靶核在实验室坐标系中是静止的，则：m和M分别为中子和靶核的质量，ul为中子在实验系中的速度反应堆原理一.中子与原子核的相互作用中子和靶核形成复合核时，中子将它携带的结合能Eb也交给了复合核因此形成复合核激发态的能量为：Ec＋Eb通过复合核形成的相互作用可分为两个阶段：①复合核的形成n＋→→反冲核＋散射粒子②复合核的衰变分解p(n,p)反应α(n,α)反应nn共振弹性散射共振非弹性散射γ(n,γ)反应轻核轻核核裂变反应堆原理通过形成复合核而进行的相互作用的几率（截面）对入射中子能量的依赖关系十分敏感。用量子力学可以证明，假如靶核在能量Ec＋Eb附近有一激发态的话，则形成复合核的几率就很大，相应可能发生的相互作用的截面也很就大，这种现象就成为共振现象共振截面入射中子能量(2)势散射

势散射是最简单的核反应，任何能量的中子都可能引起这种反应势散射是中子波和核表面势相互作用的结果，入射中子并未进入靶核，它将一部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。势散射前后靶核的内能没有变化，因此势散射是一种弹性散射，散射前后中子和靶核系统的动能和动量守恒一.中子与原子核的相互作用反应堆原理一.中子与原子核的相互作用(3)直接相互作用直接相互作用是入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使其从核里发射出来或者被激发如果有一个质子从核里发射出来，而中子留在核内，则称该过程为直接相互作用的(n,p)反应。如果有一个中子从核里发射出来，并使原子核达到激发态，这个过程就称为直接非弹性散射。综上所述，根据中子与靶核相互作用的结果不同，中子与原子核的相互作用可以分为两大类。

（1）散射：包括弹性散射和非弹性散射

（2）吸收：包括辐射俘获、核裂变、(n,α)和(n,p)反应等反应堆原理一.中子与原子核的相互作用

(1).中子的散射散射是核反应堆中使中子慢化的主要核反应过程,它有非弹性散射和弹性散射两种。A.非弹性散射

非弹性散射包括共振非弹性散射和直接非弹性散射。在非弹性散射过程中，入射中子把它的一部分动能（通常为绝大部分）转变为靶核的内能，使靶核处于激发态，因此中子能量损失是可观的。非弹性散射具有阈能的特点，只有当入射中子的动能高于靶核的第一激发态的能量时，才有可能发生非弹性散射。

反应堆原理一.中子与原子核的相互作用核第一激发态/MeV第二激发态/MeV12C4.437.6516O6.066.1423Na0.452.027Al0.841.0156Fe0.842.1238U0.0450.145几种核的前两个激发态的能量反应堆原理一.中子与原子核的相互作用B.弹性散射

弹性散射分共振弹性散射和势散射

＋n→→＋n＋n→＋n弹性散射前后中子-靶核系统的动量和动能守恒在热中子反应堆中，对中子从高能慢化到低能的过程起主要作用的是弹性散射。(2).中子的吸收中子的吸收导致中子的消失，它对反应堆内中子平衡起着重要的作用。中子吸收反应包括有(n,γ)，(n,α)，(n,p)和(n,f)反应等。反应堆原理一.中子与原子核的相互作用A.辐射俘获(n,γ)辐射俘获是最常见的吸收反应，一般反应式为

＋n→→＋γ一般低能中子与中等质量核、重核作用时，易发生辐射俘获反应例如：反应堆原理一.中子与原子核的相互作用B.(n,p)、(n,α)反应(n,p)反应的一般反应式为:例如：16N的半衰期只有7.13s，它每次衰变放出三种高能γ射线：7.12MeV(5%)，6.13MeV(69%)，2.75MeV(1%)

(n,α)反应的一般反应式为:例如:热中子与10B发生(n,α)反应为在低能区，这个反应的截面很大，所以10B被广泛地用作热中子反应堆的反应性控制材料

。反应堆原理一.中子与原子核的相互作用C.核裂变裂变同位素分易裂变同位素和可裂变同位素易裂变同位素：233U，235U，239Pu，24