核科學(xué)概論-反應(yīng)堆2

1、核科學(xué)概論核科學(xué)概論 東華理工大學(xué)東華理工大學(xué) 核工系核工系 本堂課主要內(nèi)容本堂課主要內(nèi)容 n核反應(yīng)堆原理與類型核反應(yīng)堆原理與類型 核電站是利用核能進(jìn)行發(fā)電的裝置。核電站是利用核能進(jìn)行發(fā)電的裝置。它類似于它類似于 燃煤的火力發(fā)電站，但火電站的燃煤鍋爐被核燃煤的火力發(fā)電站，但火電站的燃煤鍋爐被核 反應(yīng)堆所代替反應(yīng)堆所代替,核反應(yīng)堆是通過核裂變使易裂變核反應(yīng)堆是通過核裂變使易裂變 燃料釋放核能的關(guān)鍵裝置。燃料釋放核能的關(guān)鍵裝置。 第一節(jié)第一節(jié) 核反應(yīng)堆原理與類型核反應(yīng)堆原理與類型 基本概念基本概念 （reactor , nuclear reactor）：）： 能維持能維持可控自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可控

2、自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。的裝置。 （nuclear chain reaction）: 核反應(yīng)產(chǎn)物之一能引起同類的反應(yīng)，從而使該反應(yīng)能核反應(yīng)產(chǎn)物之一能引起同類的反應(yīng)，從而使該反應(yīng)能 鏈?zhǔn)降剡M(jìn)行的核反應(yīng)。鏈?zhǔn)降剡M(jìn)行的核反應(yīng)。根據(jù)一次反應(yīng)所直接引起的反根據(jù)一次反應(yīng)所直接引起的反 應(yīng)次數(shù)平均小于、等于或大于應(yīng)次數(shù)平均小于、等于或大于1，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可分為，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可分為次次 臨界的、臨界的或超臨界臨界的、臨界的或超臨界的三種。的三種。 基本概念基本概念 （reactor physics） 研究反應(yīng)堆內(nèi)中子行為的科學(xué)，有時(shí)研究反應(yīng)堆內(nèi)中子行為的科學(xué)，有時(shí)neutronics。 (nuclear react

3、ion) 粒子粒子(包括原子核包括原子核)與原子核碰撞導(dǎo)致原子核的與原子核碰撞導(dǎo)致原子核的質(zhì)量、質(zhì)量、 電荷或能量電荷或能量狀態(tài)改變的現(xiàn)象的統(tǒng)稱。狀態(tài)改變的現(xiàn)象的統(tǒng)稱。 核子數(shù)、電荷、動(dòng)量與角動(dòng)量、能量均守恒。核子數(shù)、電荷、動(dòng)量與角動(dòng)量、能量均守恒。 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) n原子核的結(jié)合能與比結(jié)合能原子核的結(jié)合能與比結(jié)合能 核力：核力：能克服質(zhì)子與質(zhì)子之間的靜電斥力而把核子聚能克服質(zhì)子與質(zhì)子之間的靜電斥力而把核子聚 集成原子核的力。集成原子核的力。 結(jié)合能：結(jié)合能：把原子核內(nèi)的全部核子一個(gè)個(gè)地拉開所需要把原子核內(nèi)的全部核子一個(gè)個(gè)地拉開所需要 的凈能量。的凈能量。 根據(jù)按因斯坦的質(zhì)能方程

4、：根據(jù)按因斯坦的質(zhì)能方程： 由此可得結(jié)合能的計(jì)算公式：由此可得結(jié)合能的計(jì)算公式： 2 mcE 2 () pn EZmAZ mm c 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) n原子核的結(jié)合能與比結(jié)合能原子核的結(jié)合能與比結(jié)合能 原子核的比結(jié)原子核的比結(jié) 合能是合能是原子核原子核 的結(jié)合能與該的結(jié)合能與該 原子核的核子原子核的核子 數(shù)之比數(shù)之比，它表，它表 示每個(gè)核子的示每個(gè)核子的 平均結(jié)合能平均結(jié)合能， 有時(shí)也稱為平有時(shí)也稱為平 均結(jié)合能。均結(jié)合能。 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) n中子核反應(yīng)中子核反應(yīng) 在核反應(yīng)堆內(nèi)中子與原子核的相互作用發(fā)生核反應(yīng)。在核反應(yīng)堆內(nèi)中子與原子核的相互作用發(fā)生核反應(yīng)。 核反應(yīng)可以

5、分為以下幾種：核反應(yīng)可以分為以下幾種： （1）中子與原子核發(fā)生彈性散射（）中子與原子核發(fā)生彈性散射（n，n） 中子與原子核碰撞后，把一部分動(dòng)能交給原子核，而中子與原子核碰撞后，把一部分動(dòng)能交給原子核，而 本身能量減少；本身能量減少； （2）中子與原子核發(fā)生非彈性散射（）中子與原子核發(fā)生非彈性散射（n，n） 原子核俘獲中子后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，然后放出動(dòng)能較原子核俘獲中子后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，然后放出動(dòng)能較 小的中子，但原子核仍處于激發(fā)態(tài)，把它多余的能量小的中子，但原子核仍處于激發(fā)態(tài)，把它多余的能量 以以射線形式放出；射線形式放出； 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) （3）吸收中子放出）吸收中子放出射線（射

6、線（n，） （4）吸收中子放出）吸收中子放出粒子（粒子（n，） （5）吸收中子放出質(zhì)子（）吸收中子放出質(zhì)子（n，p） 11*1 0 () AAA zZz XnXX HeYXnX A Z A Z A z 4 2 3 2 *11 0 )( 1010174 5032 ( ,)B nLiBnLiHe 如如 1616161161 8071 ( , )O n pNOnNH 水水中中放放射射性性： 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) （6）吸收中子發(fā)生原子核裂變（）吸收中子發(fā)生原子核裂變（n，f） 一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)（在少數(shù)情況下，可分裂成一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)（在少數(shù)情況下，可分裂成 三個(gè)或更多個(gè)）質(zhì)量為同

7、一量級(jí)的碎片的現(xiàn)象，通常三個(gè)或更多個(gè)）質(zhì)量為同一量級(jí)的碎片的現(xiàn)象，通常 伴隨著發(fā)射中子及伴隨著發(fā)射中子及射線，在少數(shù)情況下也發(fā)射輕帶射線，在少數(shù)情況下也發(fā)射輕帶 電粒子。電粒子。 12 12 11*1 00 () AAAA zZZZ XnXXXNnQ 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) n中子核反應(yīng)中子核反應(yīng) ：能與：能與相互相互 作用而進(jìn)行裂變的核素。作用而進(jìn)行裂變的核素。 ：俘獲中子后能直俘獲中子后能直 接或間接地轉(zhuǎn)變?yōu)榻踊蜷g接地轉(zhuǎn)變?yōu)椤?：能進(jìn)行裂變能進(jìn)行裂變 ()的核素的核素。 233235239241 UUPuPu、 232238237 ThUNp、 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) n中子反

8、應(yīng)截面與核反應(yīng)率中子反應(yīng)截面與核反應(yīng)率 為了定量說明核反應(yīng)的幾率大小，通常引進(jìn)為了定量說明核反應(yīng)的幾率大小，通常引進(jìn) “反應(yīng)截面反應(yīng)截面”的概念。如果某種物質(zhì)受到中子的概念。如果某種物質(zhì)受到中子 的作用，則發(fā)生特定核反應(yīng)的幾率取決于的作用，則發(fā)生特定核反應(yīng)的幾率取決于中子中子 的數(shù)目和速度的數(shù)目和速度，以及這種物質(zhì)中，以及這種物質(zhì)中核的數(shù)目和性核的數(shù)目和性 質(zhì)質(zhì)。 對(duì)于任一特定反應(yīng)的靶核，對(duì)于任一特定反應(yīng)的靶核，“截面截面”是是中子與中子與 核相互作用概率的一種量度核相互作用概率的一種量度，它又是原子核和，它又是原子核和 入射中子能量的一種特性。入射中子能量的一種特性。 原子核物理基礎(chǔ)原子核物

9、理基礎(chǔ) n中子反應(yīng)截面與核反應(yīng)率中子反應(yīng)截面與核反應(yīng)率 微觀截面微觀截面 表示平均一個(gè)入射中子與單位面積靶上一個(gè)靶核發(fā)生表示平均一個(gè)入射中子與單位面積靶上一個(gè)靶核發(fā)生 相互作用的幾率大小相互作用的幾率大小。它可形象地想象為一個(gè)入射粒。它可形象地想象為一個(gè)入射粒 子和靶核可以發(fā)生指定核反應(yīng)的圓盤的有效面積子和靶核可以發(fā)生指定核反應(yīng)的圓盤的有效面積(單單 位為位為m2，有時(shí)用靶恩，有時(shí)用靶恩-10-28m2)。反應(yīng)截面具有面積量。反應(yīng)截面具有面積量 綱，但不等于靶核的幾何截面。綱，但不等于靶核的幾何截面。 中子與物質(zhì)的相互作用有中子與物質(zhì)的相互作用有裂變、散射和吸收裂變、散射和吸收，所以微，所以微

10、 觀截面可分為觀截面可分為微觀裂變截面（微觀裂變截面（f）、微觀散射截面）、微觀散射截面 （s）和微觀吸收截面（）和微觀吸收截面（a）。 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) 宏觀截面宏觀截面 一個(gè)中子與單位體積內(nèi)原子核反應(yīng)的平均幾率。一個(gè)中子與單位體積內(nèi)原子核反應(yīng)的平均幾率。 宏觀截面的物理意義：中子行走單位長(zhǎng)度路程中與原宏觀截面的物理意義：中子行走單位長(zhǎng)度路程中與原 子核發(fā)生核反應(yīng)的幾率。子核發(fā)生核反應(yīng)的幾率。 混合物、化合物：混合物、化合物： N 單位：?jiǎn)挝唬簃-1 ,xi xi xi x ii N 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) n中子核反應(yīng)率中子核反應(yīng)率 中子密度：中子密度：每立方米內(nèi)中子數(shù)；

11、若中子速度為每立方米內(nèi)中子數(shù)；若中子速度為v，則，則 中子反應(yīng)率為：中子反應(yīng)率為： 中子通量：中子通量： Rnv nv 單位：?jiǎn)挝唬?/(m3s) 單位：?jiǎn)挝唬?/(m2s) R 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) n吸收截面隨中子能量的變化規(guī)律吸收截面隨中子能量的變化規(guī)律 對(duì)于許多元素，特別是那些質(zhì)量數(shù)較大的元素，考慮對(duì)于許多元素，特別是那些質(zhì)量數(shù)較大的元素，考慮 其吸收截面隨中子能量的變化，可以發(fā)現(xiàn)存在著三個(gè)其吸收截面隨中子能量的變化，可以發(fā)現(xiàn)存在著三個(gè) 區(qū)域。區(qū)域。 （1）低能區(qū)）低能區(qū) 也稱也稱1/v吸收區(qū)，在這一區(qū)吸收截面隨中子能量的增加吸收區(qū)，在這一區(qū)吸收截面隨中子能量的增加 而減小而減

12、小，這時(shí)吸收截面與中子的關(guān)系為：，這時(shí)吸收截面與中子的關(guān)系為： 11 22 12 1 2 111 ()() a nn CCC Em vv 1/v定律也可表示為：定律也可表示為： 0.5 122 0.5 211 an an Ev vE 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) （2）共振區(qū)）共振區(qū) 在中子的在中子的1/v區(qū)之后，通常在大約區(qū)之后，通常在大約0.1eV到到1000eV的中的中 子能量范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)共振區(qū)。這個(gè)區(qū)的特征是子能量范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)共振區(qū)。這個(gè)區(qū)的特征是 存在共振峰。存在共振峰。 原子核物理基礎(chǔ)原子核物理基礎(chǔ) （3）快中子區(qū)）快中子區(qū) 在清晰的共振區(qū)之后，還可能出現(xiàn)許多較小的共振

13、峰，在清晰的共振區(qū)之后，還可能出現(xiàn)許多較小的共振峰， 但這些共振峰是難于分辨的。但這些共振峰是難于分辨的。核截面隨中子能量增加核截面隨中子能量增加 而減小而減小。在能量大約超過。在能量大約超過10keV以后，出現(xiàn)快中子區(qū)，以后，出現(xiàn)快中子區(qū)， 那里通常截面很小，對(duì)大于那里通常截面很小，對(duì)大于0.1MeV量級(jí)的能量，其量級(jí)的能量，其 值更小。這時(shí)，吸收截面在數(shù)值上與核的幾何截面相值更小。這時(shí)，吸收截面在數(shù)值上與核的幾何截面相 近。近。 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和臨界條件裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和臨界條件 核裂變核裂變 核裂變是反應(yīng)堆內(nèi)最重要的核反應(yīng)，原子核吸收

14、一個(gè)核裂變是反應(yīng)堆內(nèi)最重要的核反應(yīng)，原子核吸收一個(gè) 中子后，分裂成兩個(gè)質(zhì)量相近的核，同時(shí)放出能量和中子后，分裂成兩個(gè)質(zhì)量相近的核，同時(shí)放出能量和 中子。中子。 235U的反應(yīng)：的反應(yīng)： 2351236*121 92092120 () AA ZZ UnUXXn 裂變裂變 2351236*236 9209292 ()UnUU 俘獲俘獲 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n 235U和 和239Pu等易裂變核素的裂變截面隨中子能量變化等易裂變核素的裂變截面隨中子能量變化 的規(guī)律可分為的規(guī)律可分為三個(gè)能區(qū)三個(gè)能區(qū)來討論。來討論。 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反

15、應(yīng)性變化 n裂變能量與反應(yīng)堆功率裂變能量與反應(yīng)堆功率 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，235U核每次裂變的平均能量約為核每次裂變的平均能量約為207MeV。 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)和臨界條件自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)和臨界條件 當(dāng)中子與裂變物質(zhì)作用而發(fā)生裂當(dāng)中子與裂變物質(zhì)作用而發(fā)生裂 變反應(yīng)時(shí)，裂變物質(zhì)的原子核通變反應(yīng)時(shí)，裂變物質(zhì)的原子核通 常分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量的核。與常分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量的核。與 此同時(shí)，還將平均地產(chǎn)生兩個(gè)以此同時(shí)，還將平均地產(chǎn)生兩個(gè)以 上的新的裂變中子，并釋放出蘊(yùn)上的新的裂變中子，并釋放出蘊(yùn) 藏在原子核內(nèi)部的核能。在適當(dāng)藏在原子核內(nèi)部的核能。

16、在適當(dāng) 的條件下，這些裂變中子又會(huì)引的條件下，這些裂變中子又會(huì)引 起周圍其它裂變同位素的裂變。起周圍其它裂變同位素的裂變。 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n如果每次裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)目大于引起核裂變所如果每次裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)目大于引起核裂變所 消耗的中子數(shù)目，那么一旦在少數(shù)原子核中引起了裂消耗的中子數(shù)目，那么一旦在少數(shù)原子核中引起了裂 變反應(yīng)之后，就有可能不再依靠外界的作用而使裂變變反應(yīng)之后，就有可能不再依靠外界的作用而使裂變 反應(yīng)不斷進(jìn)行下去。這樣的裂變反應(yīng)稱為自持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不斷進(jìn)行下去。這樣的裂變反應(yīng)稱為自持的鏈?zhǔn)?裂變反應(yīng)。裂變反應(yīng)。核反應(yīng)堆就是一種能以

17、可控方式產(chǎn)生自持核反應(yīng)堆就是一種能以可控方式產(chǎn)生自持 的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置。的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置。 n快中子增殖因數(shù)快中子增殖因數(shù) 熱熱中中子子和和快快中中子子引引起起裂裂變變所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的快快中中子子數(shù)數(shù) 僅僅由由熱熱中中子子裂裂變變所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的快快中中子子數(shù)數(shù) 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n熱中子利用因數(shù)熱中子利用因數(shù) n燃料核熱中子裂變因數(shù)燃料核熱中子裂變因數(shù) f 燃燃料料吸吸收收的的熱熱中中子子總總數(shù)數(shù) 被被吸吸收收的的熱熱中中子子總總數(shù)數(shù) aM f a5a8a5a8 a5a8a5a8 燃燃料料核核熱熱裂裂變變產(chǎn)產(chǎn)生生的的裂裂變變中中子子數(shù)數(shù) 燃燃料

18、料核核吸吸收收的的熱熱中中子子總總數(shù)數(shù) 55 58 f aa 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n反應(yīng)堆有效增殖因數(shù)反應(yīng)堆有效增殖因數(shù) n四因子公式四因子公式 eff k 堆堆內(nèi)內(nèi)一一代代裂裂變變中中子子總總數(shù)數(shù) 堆堆內(nèi)內(nèi)上上一一代代裂裂變變中中子子總總數(shù)數(shù) eff kpf kpf 對(duì)于一個(gè)無限大反應(yīng)堆，中對(duì)于一個(gè)無限大反應(yīng)堆，中 子無從泄漏。這時(shí)的增殖因子無從泄漏。這時(shí)的增殖因 數(shù)稱為無限介質(zhì)的增殖因數(shù)：數(shù)稱為無限介質(zhì)的增殖因數(shù)： 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n中子慢化中子慢化 反應(yīng)堆內(nèi)裂變中子具有相當(dāng)高的能量，其反應(yīng)堆內(nèi)裂變中子具有相當(dāng)

19、高的能量，其平均平均 值約為值約為2MeV。這些中子在系統(tǒng)中與原子核發(fā)。這些中子在系統(tǒng)中與原子核發(fā) 生連續(xù)的生連續(xù)的彈性和非彈性碰撞彈性和非彈性碰撞，使其能量逐漸地，使其能量逐漸地 降低到引起下一次裂變的平均能量。對(duì)于快中降低到引起下一次裂變的平均能量。對(duì)于快中 子反應(yīng)堆，這一平均能量一般在子反應(yīng)堆，這一平均能量一般在0.1MeV左右左右 或更高；而對(duì)于熱中子反應(yīng)堆，絕大多數(shù)裂變或更高；而對(duì)于熱中子反應(yīng)堆，絕大多數(shù)裂變 中子被慢化到中子被慢化到熱能區(qū)域（熱能區(qū)域（0.0253eV）。中子由中子由 于散射碰撞而降低速度的過程叫做慢化過程。于散射碰撞而降低速度的過程叫做慢化過程。 彈性散射過程彈性

20、散射過程 熱中子反應(yīng)堆內(nèi)，中子的慢化主要靠中子與慢化劑核熱中子反應(yīng)堆內(nèi)，中子的慢化主要靠中子與慢化劑核 的彈性散射的彈性散射。當(dāng)中子的能量比靶核的熱運(yùn)動(dòng)能量大得。當(dāng)中子的能量比靶核的熱運(yùn)動(dòng)能量大得 多時(shí)，可以不考慮靶核的熱運(yùn)動(dòng)及化學(xué)鍵的影響。中多時(shí)，可以不考慮靶核的熱運(yùn)動(dòng)及化學(xué)鍵的影響。中 子與核的彈性散射可以看做是兩個(gè)彈性鋼球的相互碰子與核的彈性散射可以看做是兩個(gè)彈性鋼球的相互碰 撞。撞。 討論彈性碰撞時(shí)通討論彈性碰撞時(shí)通 常采用兩種坐標(biāo)系，常采用兩種坐標(biāo)系， 處理時(shí)采用處理時(shí)采用C系可系可 以簡(jiǎn)化問題。以簡(jiǎn)化問題。 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n中子慢化中子慢

21、化 n在反應(yīng)堆內(nèi)，中子能量從裂變中子慢化到熱中子，為在反應(yīng)堆內(nèi)，中子能量從裂變中子慢化到熱中子，為 了計(jì)算方便，在反應(yīng)堆分析中了計(jì)算方便，在反應(yīng)堆分析中常用對(duì)數(shù)能降常用對(duì)數(shù)能降作為能量作為能量 變量，其定義為變量，其定義為 n中子在彈性碰撞后能量減少，對(duì)數(shù)能降增加。一次碰中子在彈性碰撞后能量減少，對(duì)數(shù)能降增加。一次碰 撞后撞后對(duì)數(shù)能降的增加量對(duì)數(shù)能降的增加量為為 0 ln E u E 00 lnlnln EEE uuu EEE n中子慢化中子慢化 n在研究中子慢化過程時(shí)，有一個(gè)常用的量，就是每次在研究中子慢化過程時(shí)，有一個(gè)常用的量，就是每次 碰撞中子能量的自然對(duì)數(shù)的平均變化值，或碰撞中子能量的

22、自然對(duì)數(shù)的平均變化值，或平均對(duì)數(shù)平均對(duì)數(shù) 能降增量能降增量： n在質(zhì)心系內(nèi)散射為各向同性的情況下，對(duì)質(zhì)量數(shù)在質(zhì)心系內(nèi)散射為各向同性的情況下，對(duì)質(zhì)量數(shù) A10的靶核可采用下列近似式來計(jì)算的靶核可采用下列近似式來計(jì)算 lnlnln E EEu E 2 2 3 A n中子慢化中子慢化 慢化劑慢化劑 前面的學(xué)習(xí)可知，中子的慢化劑應(yīng)選前面的學(xué)習(xí)可知，中子的慢化劑應(yīng)選輕元素輕元素，且它應(yīng)，且它應(yīng) 有有大的平均對(duì)數(shù)能降增量和較大的散射截面大的平均對(duì)數(shù)能降增量和較大的散射截面。通常把。通常把 叫做慢化劑的叫做慢化劑的慢化能力慢化能力。 s 慢化劑慢化劑水水重水重水氧氧鈹鈹石墨石墨 1.530.1701.610

23、-50.1760.064 721200083150170 1 / s cm / sa 不同材料的慢化能力和慢化比不同材料的慢化能力和慢化比 在實(shí)際選擇時(shí)，還需考慮輻照穩(wěn)定性和價(jià)格等因素。在實(shí)際選擇時(shí)，還需考慮輻照穩(wěn)定性和價(jià)格等因素。 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n中毒效應(yīng)中毒效應(yīng) 熱堆運(yùn)行后堆內(nèi)所產(chǎn)生的某些裂變產(chǎn)物，其熱堆運(yùn)行后堆內(nèi)所產(chǎn)生的某些裂變產(chǎn)物，其中子吸收中子吸收 截面較大截面較大。習(xí)慣上，把這種裂變產(chǎn)物分為兩大類：。習(xí)慣上，把這種裂變產(chǎn)物分為兩大類：穩(wěn)穩(wěn) 定或長(zhǎng)壽命的定或長(zhǎng)壽命的，稱為，稱為“結(jié)渣結(jié)渣(149Sm)”；短壽命的短壽命的，稱，稱 為為“毒物

24、毒物(135Xe)”。毒與渣對(duì)反應(yīng)性的影響，稱為反毒與渣對(duì)反應(yīng)性的影響，稱為反 應(yīng)性的毒渣效應(yīng)，簡(jiǎn)稱中毒效應(yīng)。應(yīng)性的毒渣效應(yīng)，簡(jiǎn)稱中毒效應(yīng)。 裂變產(chǎn)物的毒物對(duì)有效增殖因數(shù)裂變產(chǎn)物的毒物對(duì)有效增殖因數(shù)k中的熱中子利用因中的熱中子利用因 數(shù)數(shù)f影響較大，對(duì)其它因數(shù)的則沒有多大的影響影響較大，對(duì)其它因數(shù)的則沒有多大的影響。 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n燃耗燃耗 在反應(yīng)堆的運(yùn)行過程中，核燃料中的裂變同位素不斷在反應(yīng)堆的運(yùn)行過程中，核燃料中的裂變同位素不斷 的消耗，可轉(zhuǎn)換材料俘獲中子后又轉(zhuǎn)換成裂變同位素。的消耗，可轉(zhuǎn)換材料俘獲中子后又轉(zhuǎn)換成裂變同位素。 因此，核燃料中各種

25、重同位素的核密度將隨反應(yīng)堆運(yùn)因此，核燃料中各種重同位素的核密度將隨反應(yīng)堆運(yùn) 行時(shí)間不斷的變化。行時(shí)間不斷的變化。 n燃耗燃耗 核反應(yīng)堆堆芯壽期核反應(yīng)堆堆芯壽期 一個(gè)新的堆芯（或換料后的堆芯），它的燃料裝載量一個(gè)新的堆芯（或換料后的堆芯），它的燃料裝載量 比臨界燃料裝載量多，初始有效增殖因數(shù)比較大，因比臨界燃料裝載量多，初始有效增殖因數(shù)比較大，因 此必須此必須用控制毒物來補(bǔ)償這些過剩反應(yīng)性用控制毒物來補(bǔ)償這些過剩反應(yīng)性。隨著反應(yīng)。隨著反應(yīng) 堆運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，有效增殖因數(shù)逐漸減小。堆運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，有效增殖因數(shù)逐漸減小。當(dāng)反應(yīng)當(dāng)反應(yīng) 堆的有效增殖因數(shù)降到堆的有效增殖因數(shù)降到1時(shí)，反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行的

26、時(shí)時(shí)，反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行的時(shí) 間就是堆芯壽期。間就是堆芯壽期。 為了確定堆芯壽期，需要進(jìn)行為了確定堆芯壽期，需要進(jìn)行燃耗計(jì)算燃耗計(jì)算，即，即計(jì)算在無計(jì)算在無 控制毒物的情況下堆芯的有效增殖因數(shù)隨時(shí)間的變化控制毒物的情況下堆芯的有效增殖因數(shù)隨時(shí)間的變化 關(guān)系。關(guān)系。 燃耗深度燃耗深度 通常把單位質(zhì)量燃料所發(fā)出的能量作為燃耗深度的度通常把單位質(zhì)量燃料所發(fā)出的能量作為燃耗深度的度 量。量。 (/) t U Nt MW kd tU W 燃燃耗耗深深度度= = 燃耗深度是燃料貧化的一種度量，它表示了反應(yīng)燃耗深度是燃料貧化的一種度量，它表示了反應(yīng) 堆積分能量的輸出。堆積分能量的輸出。從堆芯卸出的燃料所達(dá)到的

27、從堆芯卸出的燃料所達(dá)到的 燃耗深度稱為卸料燃耗深度燃耗深度稱為卸料燃耗深度，它受反應(yīng)堆核特性它受反應(yīng)堆核特性 和燃料元件本身性能的影響和燃料元件本身性能的影響。 n燃耗燃耗 核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化核反應(yīng)堆臨界理論與反應(yīng)性變化 n反應(yīng)性控制反應(yīng)性控制 熱堆中熱堆中k=pf，所以原則上可以，所以原則上可以通過控制通過控制，p， f和和來實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)性或來實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)性或k的控制的控制。當(dāng)熱堆的燃料濃縮。當(dāng)熱堆的燃料濃縮 度以及燃料與慢化劑的相對(duì)組分等確定后，度以及燃料與慢化劑的相對(duì)組分等確定后，和和基本基本 不變，控制不變，控制p也不太有效。所以也不太有效。所以反應(yīng)性控制主要是通反應(yīng)性控制主要是

28、通 過控制熱中子利用系數(shù)過控制熱中子利用系數(shù)f及及來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)。 絕大多數(shù)反應(yīng)堆，都采用絕大多數(shù)反應(yīng)堆，都采用毒物控制法毒物控制法。最常見的是用。最常見的是用 吸收截面很高的材料做成控制棒，并插入堆芯或反射吸收截面很高的材料做成控制棒，并插入堆芯或反射 層內(nèi)。層內(nèi)。 核反應(yīng)堆類型核反應(yīng)堆類型 n概述概述 從從20世紀(jì)世紀(jì)40年代第一座反應(yīng)堆問世以來，核能的開發(fā)年代第一座反應(yīng)堆問世以來，核能的開發(fā) 利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。 上世紀(jì)上世紀(jì)40年代至年代至50年代初，美國(guó)建造的主要是年代初，美國(guó)建造的主要是生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆； 在二戰(zhàn)后，于在二戰(zhàn)后，于1955年建造世界第一艘年

29、建造世界第一艘核潛艇核潛艇；1954年，年， 前蘇聯(lián)奧布寧斯克前蘇聯(lián)奧布寧斯克5000kW實(shí)驗(yàn)核電站建成實(shí)驗(yàn)核電站建成；1957年，年， 美國(guó)建成了美國(guó)建成了60MW的西平港壓水堆核電站的西平港壓水堆核電站 20世紀(jì)世紀(jì)60年代以后，由于世界局勢(shì)緩和，以及工業(yè)的年代以后，由于世界局勢(shì)緩和，以及工業(yè)的 快速發(fā)展，核反應(yīng)堆的研究和使用主要集中在和平利快速發(fā)展，核反應(yīng)堆的研究和使用主要集中在和平利 用上。用上。 核反應(yīng)堆類型核反應(yīng)堆類型 n概述概述 隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，地球上隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，地球上 有限的化石能源在加速消耗，而核能是目前比較成熟有限的化石能

30、源在加速消耗，而核能是目前比較成熟 并已在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的新型能源。并已在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的新型能源。 核動(dòng)力反應(yīng)堆使用的一個(gè)重要領(lǐng)域是船用核動(dòng)力，包核動(dòng)力反應(yīng)堆使用的一個(gè)重要領(lǐng)域是船用核動(dòng)力，包 括括潛艇核動(dòng)力和航母核動(dòng)力潛艇核動(dòng)力和航母核動(dòng)力。 核動(dòng)力反應(yīng)堆應(yīng)用的另一個(gè)重要領(lǐng)域是核電站，目前核動(dòng)力反應(yīng)堆應(yīng)用的另一個(gè)重要領(lǐng)域是核電站，目前 全世界全世界31個(gè)國(guó)家和地區(qū)個(gè)國(guó)家和地區(qū)有有438座核電站座核電站在運(yùn)行。核電在運(yùn)行。核電 站已積累了站已積累了5000多堆年多堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。 經(jīng)過經(jīng)過50多年的研制、開發(fā)和不斷改進(jìn)，已經(jīng)形成了各多年的研制、開發(fā)和不斷改進(jìn)，已經(jīng)形成了各 具

31、特色的多種核反應(yīng)堆堆型。具特色的多種核反應(yīng)堆堆型。 核反應(yīng)堆類型核反應(yīng)堆類型 n概述概述 1、按用途分類：、按用途分類： 實(shí)驗(yàn)堆、生產(chǎn)堆、動(dòng)力堆實(shí)驗(yàn)堆、生產(chǎn)堆、動(dòng)力堆 2、按中子能量分類：、按中子能量分類： 熱中子堆、中能中子堆、快中子堆熱中子堆、中能中子堆、快中子堆 3、按慢化劑和冷卻劑分類：、按慢化劑和冷卻劑分類： 輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆、鈉冷快堆輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆、鈉冷快堆 4、按核燃料分類：、按核燃料分類： 固體燃料反應(yīng)堆、液體燃料反應(yīng)堆固體燃料反應(yīng)堆、液體燃料反應(yīng)堆 核反應(yīng)堆類型核反應(yīng)堆類型 n概述概述 此外，還可按核燃料種類劃分出此外，還可按核燃料種類劃分出天然鈾堆、稍

32、加濃鈾天然鈾堆、稍加濃鈾 堆、加濃鈾堆堆、加濃鈾堆等。等。 核反應(yīng)堆的分類都不是絕對(duì)的，而是為了滿足某種需核反應(yīng)堆的分類都不是絕對(duì)的，而是為了滿足某種需 要從特定角度加以區(qū)分的結(jié)果。要從特定角度加以區(qū)分的結(jié)果。 不同類型的反應(yīng)堆，相應(yīng)的核電站系統(tǒng)和設(shè)備有較大不同類型的反應(yīng)堆，相應(yīng)的核電站系統(tǒng)和設(shè)備有較大 的差別。的差別。 核反應(yīng)堆類型核反應(yīng)堆類型 n壓水堆（壓水堆（PWR） 壓水堆是世界上壓水堆是世界上最早開發(fā)的動(dòng)力堆堆型最早開發(fā)的動(dòng)力堆堆型。壓水堆出現(xiàn)。壓水堆出現(xiàn) 后，經(jīng)過了后，經(jīng)過了先軍用后民用先軍用后民用，由，由船用到陸用船用到陸用的發(fā)展過程。的發(fā)展過程。 壓水堆是目前世界上應(yīng)用最廣泛的反應(yīng)堆堆型，在已壓水堆是目前世界上應(yīng)用最廣泛的反應(yīng)堆堆型，在已 建成的核電站