核反應(yīng)堆物理分析前言

1、核工程原理核工程原理The Principles of Nuclear Engineering釋義 核工程 核能工程 核反應(yīng)堆工程這三個(gè)名詞在國(guó)外經(jīng)?；煊谩８鞣N教科書中，各大學(xué)開設(shè)的以它們?yōu)槊恼n程中，其內(nèi)容的廣度也不盡相同。但是其中主要部分都是講核反應(yīng)堆的物理原理的。例如，馬里蘭大學(xué)上世紀(jì)例如，馬里蘭大學(xué)上世紀(jì)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章都是講反應(yīng)堆物理的章都是講反應(yīng)堆物理的.第第8章講中子和伽瑪?shù)妮椛湫?yīng)，章講中子和伽瑪?shù)妮椛湫?yīng)，第第9章講屏蔽，章講屏蔽，第第10章講反應(yīng)堆堆芯傳熱，章

2、講反應(yīng)堆堆芯傳熱，第第11章講反應(yīng)堆的安全審評(píng)和如何取得許可執(zhí)照。章講反應(yīng)堆的安全審評(píng)和如何取得許可執(zhí)照。本課程主要介紹反應(yīng)堆物理相關(guān)內(nèi)容，注意強(qiáng)調(diào)物理與工程問題的關(guān)系，力圖使學(xué)生對(duì)核能工程中的種種問題有深刻的認(rèn)識(shí)。這些知識(shí)不僅對(duì)從事核事業(yè)的人有用，對(duì)當(dāng)代任何一位高素質(zhì)人士了解國(guó)際政治、國(guó)家安全和發(fā)展戰(zhàn)略都有莫大的好處。學(xué)時(shí)安排：學(xué)時(shí)安排：46學(xué)時(shí)（學(xué)時(shí)（23次課）次課）6-17周（周一周（周一1-2節(jié)，周四節(jié)，周四7-8節(jié)）節(jié)）教材與參考書 1 謝仲生謝仲生. 核反應(yīng)堆物理分析核反應(yīng)堆物理分析(修訂本修訂本). 西安交通西安交通大學(xué)出版社大學(xué)出版社. 2004 2 拉馬什. 核反應(yīng)堆物理導(dǎo)論

3、. 原子能出版社 3杜德斯塔特, 漢密爾頓. 核反應(yīng)堆分析. 原子能出版社 4 格拉斯登. 原子核反應(yīng)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本是反應(yīng)堆物理的經(jīng)典著作，物理概念講述得極為清楚；第5本是2001年出的新書，2007年又出了第二版，包括初等反應(yīng)堆物理、高等反應(yīng)堆物理兩大部分；第3、4本也是反應(yīng)堆物理分析方面的優(yōu)秀教材。核反應(yīng)堆物理核反應(yīng)堆物理Nuclear Reactor Physics目前的核反應(yīng)堆主要是裂變反應(yīng)堆；核反應(yīng)堆物理就是鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)系統(tǒng)的物理學(xué)。與核物理核物理的區(qū)別核反應(yīng)堆核反

4、應(yīng)堆核反應(yīng)堆就是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)可控自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。其功能是提供能量（核能）和中子。核能可用于如下領(lǐng)域：核電廠核供熱核能海水淡化艦船核動(dòng)力空間核動(dòng)力（衛(wèi)星、宇宙飛船）核能制氫。中子用途：放射性同位素生產(chǎn)材料改性核孔膜生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)單晶硅生產(chǎn)中子照相中子治療癌科學(xué)研究。中國(guó)的裂變反應(yīng)堆中國(guó)的裂變反應(yīng)堆核電廠反應(yīng)堆核電廠反應(yīng)堆:秦山、大亞灣/嶺澳，田灣實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆：實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆：原子能院：輕水游泳池堆，重水堆，微型堆，中國(guó)先進(jìn)研究堆，中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆一院：高通量工程試驗(yàn)堆，潛艇（陸上）模式堆，脈沖堆九院：老堆，新堆21所：脈沖堆（深圳，山東）微堆清華大學(xué)：游泳池式屏蔽實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，5MW低溫供熱堆，10MW高溫氣冷

5、堆生產(chǎn)堆：生產(chǎn)堆：404廠，821廠（皆已關(guān)閉，正在退役）軍用核潛艇動(dòng)力堆軍用核潛艇動(dòng)力堆Operational reactors sorted by countryOperational reactors sorted by type我國(guó)我國(guó)2020年前核電發(fā)展前景年前核電發(fā)展前景圖圖 2020年前運(yùn)行核電機(jī)組容量預(yù)測(cè)對(duì)比年前運(yùn)行核電機(jī)組容量預(yù)測(cè)對(duì)比裂變反應(yīng)堆原理 物理原理物理原理核反應(yīng)堆物理核反應(yīng)堆物理 傳熱原理傳熱原理核反應(yīng)堆熱工水力學(xué)核反應(yīng)堆熱工水力學(xué) 控制原理控制原理核反應(yīng)堆控制核反應(yīng)堆控制 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué) 安全原理安全原理核反應(yīng)堆安全核反應(yīng)堆安全

6、其中最核心、最有特色的是反應(yīng)堆的物理原理，核反應(yīng)堆物理是其下各門課程的基礎(chǔ)。核反應(yīng)堆物理 核反應(yīng)堆物理揭示核反應(yīng)堆的特有的性質(zhì) 不管大堆、小堆，簡(jiǎn)單堆、復(fù)雜堆，各種類型的堆，其物理原理都是一樣的。核電廠發(fā)電流程安全殼穩(wěn)壓器蒸汽發(fā)生器控制棒壓力容器發(fā)電機(jī)凝汽器汽輪機(jī)核反應(yīng)堆物理下面幾頁英文資料，是對(duì)反應(yīng)堆物理的性質(zhì)、下面幾頁英文資料，是對(duì)反應(yīng)堆物理的性質(zhì)、地位、內(nèi)容及意義的簡(jiǎn)述。請(qǐng)認(rèn)真閱讀。地位、內(nèi)容及意義的簡(jiǎn)述。請(qǐng)認(rèn)真閱讀。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.課程內(nèi)容 中子與物質(zhì)的相互作用及其定量描述中子與物質(zhì)的相互作用及其定量描述8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 堆堆內(nèi)中子的慢化內(nèi)中子的慢化4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 中子的中子的擴(kuò)散擴(kuò)散8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 反應(yīng)堆臨界理論反應(yīng)堆臨界理論8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 反應(yīng)反應(yīng)性隨時(shí)間的變化性隨時(shí)間的變化4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 反應(yīng)反應(yīng)性效應(yīng)與反應(yīng)性控制性效應(yīng)與反應(yīng)性控制6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 壓水堆壓水堆堆芯燃料管理堆芯燃料管理2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 機(jī)動(dòng)機(jī)動(dòng)2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)本課程特點(diǎn)涉及物理概念多，涉及物理概念多，用到用到的數(shù)學(xué)工具多，的數(shù)學(xué)工具多，與工程與工程實(shí)際聯(lián)系多。實(shí)際聯(lián)系多。學(xué)習(xí)本課程，有利于能力培養(yǎng)和全面素質(zhì)的提高。學(xué)習(xí)本課程，有利于能力培養(yǎng)

9、和全面素質(zhì)的提高。重點(diǎn)訓(xùn)練：重點(diǎn)訓(xùn)練：物理物理原理、物理思想原理、物理思想對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)建模的能力對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)建模的能力運(yùn)用數(shù)學(xué)工具的能力運(yùn)用數(shù)學(xué)工具的能力運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的能力運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的能力考核方式：考核方式：課堂練習(xí)（課堂練習(xí)（20%）課后作業(yè)（課后作業(yè)（20%）期末考試（期末考試（60%）課堂表現(xiàn)（課堂表現(xiàn)（-40%10%）項(xiàng)目訓(xùn)練（可代替期末考試）項(xiàng)目訓(xùn)練（可代替期末考試）課件下載方式：課件下載方式：公共郵箱：公共郵箱：密碼：密碼：heredownload教學(xué)要求 分層次教學(xué)： 從定性到定量從定性到定量 一般掌握到較深刻領(lǐng)會(huì)一般掌握到較深刻領(lǐng)會(huì) 一般會(huì)用到靈活應(yīng)用

10、一般會(huì)用到靈活應(yīng)用 最低要求： 聽課，認(rèn)真完成作業(yè)聽課，認(rèn)真完成作業(yè)( (鼓勵(lì)討論鼓勵(lì)討論, ,反對(duì)抄襲反對(duì)抄襲),),通過考試。通過考試。 每章交一次作業(yè) 希望： 多看些教材外的參考資料，閱讀部分英文資料，掌握有關(guān)英多看些教材外的參考資料，閱讀部分英文資料，掌握有關(guān)英文專業(yè)詞匯；文專業(yè)詞匯； 積極參與項(xiàng)目訓(xùn)練和課程建設(shè)積極參與項(xiàng)目訓(xùn)練和課程建設(shè)(bonus)(bonus)預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)原子核由質(zhì)子和中子兩種核子組成（氫核無原子核由質(zhì)子和中子兩種核子組成（氫核無中子）。中子）。質(zhì)子質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量 1.0072765 u中子質(zhì)量中子質(zhì)量 1.0086649 u 1 u =1.66054 E-27

11、kg中子中子中子是組成這個(gè)物質(zhì)世界的基本粒子之一，中子是組成這個(gè)物質(zhì)世界的基本粒子之一，除了氫核之外，其他元素的原子核里面都除了氫核之外，其他元素的原子核里面都有中子。有中子。自由中子是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)自由中子是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子。自由中質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子。自由中子的半衰期約為子的半衰期約為10.6分。分。中子的波長(zhǎng)中子的波長(zhǎng)微觀粒子具有波粒二象性，中子也不例外。微觀粒子具有波粒二象性，中子也不例外。中子的行為有時(shí)表現(xiàn)出粒子性，有時(shí)又表現(xiàn)中子的行為有時(shí)表現(xiàn)出粒子性，有時(shí)又表現(xiàn)為波。為波。102 4.55 10 -=hpppEcmEll

12、pp電動(dòng)量為的粒子，其波長(zhǎng)為 其約化波長(zhǎng) 能量為（）的中子子伏特的約化波長(zhǎng) 核素，同位素核素，同位素一般把具有相同質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)的一類一般把具有相同質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)的一類原子（或原子核）稱為一種原子（或原子核）稱為一種核素核素。具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的核素稱為同具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的核素稱為同位素。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-18-18三種三種不同的核素。它們的原子核中都含有個(gè)不同的核素。它們的原子核中都含有個(gè)質(zhì)子，因而是同位素。質(zhì)子，因而是同位素。質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損自由質(zhì)子和自由中子結(jié)合成原子核時(shí)，要發(fā)自由質(zhì)子和自由中

13、子結(jié)合成原子核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損。也就是說，原子核的質(zhì)量總生質(zhì)量虧損。也就是說，原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量。是小于組成它的所有核子的質(zhì)量。例例: : AlAl27 27 的原子核含有的原子核含有1313個(gè)質(zhì)子和個(gè)質(zhì)子和1414個(gè)中子，個(gè)中子，其質(zhì)量為其質(zhì)量為26.9744 26.9744 amuamu而而 1313個(gè)質(zhì)子和個(gè)質(zhì)子和1414個(gè)中子的質(zhì)量為個(gè)中子的質(zhì)量為 27.2159 27.2159 amuamu 虧損的質(zhì)量為虧損的質(zhì)量為0.2415 0.2415 amuamu結(jié)合能結(jié)合能虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量釋放出來，這一虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量釋放出來，這一部分能量稱為結(jié)合能。部分

14、能量稱為結(jié)合能。據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系公式，據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系公式， 1 相當(dāng)于相當(dāng)于931.5Mev,上例中的結(jié)合能是上例中的結(jié)合能是0.2415*931.5=224.9Mev2=Emc平均結(jié)合能平均結(jié)合能平均到原子核中每個(gè)核子的結(jié)合能稱為平均平均到原子核中每個(gè)核子的結(jié)合能稱為平均結(jié)合能（也稱為比結(jié)合能）。結(jié)合能（也稱為比結(jié)合能）。 上例中的平均結(jié)合能是上例中的平均結(jié)合能是8.33Mev平均結(jié)合能越大，原子核結(jié)合得越牢固。平均結(jié)合能越大，原子核結(jié)合得越牢固。裂變和聚變裂變和聚變從上圖中可以看到，輕核的平均結(jié)合能較小，重核的平均結(jié)合能也較小，中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能較大。因此：兩個(gè)輕核聚合為一個(gè)核時(shí)

15、，可以放出能兩個(gè)輕核聚合為一個(gè)核時(shí)，可以放出能量（核聚變反應(yīng)堆原理）量（核聚變反應(yīng)堆原理）一個(gè)重核分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量核時(shí)，可一個(gè)重核分裂為兩個(gè)中等質(zhì)量核時(shí)，可以放出能量（核裂變反應(yīng)堆原理）以放出能量（核裂變反應(yīng)堆原理） 。裂變能的來源：核子重新組合 核力與結(jié)合能核力與結(jié)合能眾所周知，任何兩個(gè)互相吸引的物體，當(dāng)它眾所周知，任何兩個(gè)互相吸引的物體，當(dāng)它們的相對(duì)位置靠近時(shí)，總要放出能量。們的相對(duì)位置靠近時(shí)，總要放出能量。核子在強(qiáng)大的核力吸引下聚合為原子核時(shí)放核子在強(qiáng)大的核力吸引下聚合為原子核時(shí)放出的能量就是結(jié)合能。出的能量就是結(jié)合能。思考題思考題把自由中子和質(zhì)子結(jié)合成原子核時(shí)，會(huì)放出把自由中子和質(zhì)子

16、結(jié)合成原子核時(shí)，會(huì)放出能量（結(jié)合能），反過來，欲將原子核打能量（結(jié)合能），反過來，欲將原子核打碎，要供給能量。碎，要供給能量。為什么用能量很低的中子就可以把鈾為什么用能量很低的中子就可以把鈾235核打核打碎，而且還能放出很多能量？碎，而且還能放出很多能量？原子核的能態(tài)（能級(jí)）原子核的能態(tài)（能級(jí)）在學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)大學(xué)物理大學(xué)物理時(shí)，我們就知道，核外的電子可以時(shí)，我們就知道，核外的電子可以處于不同的能量狀態(tài)（能級(jí)處于不同的能量狀態(tài)（能級(jí)/ /軌道）軌道）, ,受到激發(fā)的受到激發(fā)的電子可以從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，電子也可以從電子可以從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，電子也可以從高能級(jí)跳回低能級(jí)，同時(shí)釋放能量。高能級(jí)跳

17、回低能級(jí)，同時(shí)釋放能量。原子核也可以處于不同的能量狀態(tài)。能量最小的狀原子核也可以處于不同的能量狀態(tài)。能量最小的狀態(tài)稱為態(tài)稱為基態(tài)基態(tài)，能量較大的狀態(tài)稱為，能量較大的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)一般是不穩(wěn)定的（壽命很短）。激發(fā)態(tài)一般是不穩(wěn)定的（壽命很短）。放射性核素的衰變規(guī)律放射性核素的衰變規(guī)律單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的放射性核的數(shù)目與單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的放射性核的數(shù)目與該時(shí)刻存有的該種放射性核的數(shù)目成正該時(shí)刻存有的該種放射性核的數(shù)目成正比。比。= -dNNdtll稱為衰變常數(shù),它與時(shí)間無關(guān)，與核素的化學(xué)狀態(tài)、溫度、壓力等因素都無關(guān)。00( )( )(0) ()( ) -= -=tdN tN tdtN

18、NN tN ell初始條件放射性核的平均壽命1=ttll平均壽命是衰變常數(shù)的倒數(shù)例如 0.02/s則 50半衰期半衰期12121212 010 2 / 2 1/ 2 2 ln2 -=TTTTN eNeeTllll某種放射性核的數(shù)目減少一半所需要的時(shí)間稱為該種放射性核的半衰期,一般用表示放射性活度放射性活度某放射性樣品，其在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的衰某放射性樣品，其在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的衰變次數(shù)，稱為該樣品的的活度。變次數(shù)，稱為該樣品的的活度。活度的單位：貝可，居里活度的單位：貝可，居里10貝可次衰變/秒居里3.7 10 貝可N活度 例子例子人體中大約含有人體中大約含有0.2 % 的鉀，鉀在天然鉀中的的鉀，

19、鉀在天然鉀中的豐度為豐度為0.0117 %, 其半衰期為其半衰期為12.77億年。求體重億年。求體重公斤的人體內(nèi)的放射性活度。公斤的人體內(nèi)的放射性活度。貝可貝可實(shí)際上人體中還含有的碳，天然碳中放射性實(shí)際上人體中還含有的碳，天然碳中放射性碳碳-14的豐度為的豐度為1.2E-12,其半衰期為其半衰期為5730年?？紤]年?？紤]此因素后，人體內(nèi)的放射性活度大約是此因素后，人體內(nèi)的放射性活度大約是貝可貝可考古斷代碳考古斷代碳14由于宇宙射線作用，大氣中會(huì)產(chǎn)生一部分放由于宇宙射線作用，大氣中會(huì)產(chǎn)生一部分放射性的碳射性的碳14?；畹闹参镉捎诓粩噙M(jìn)行光。活的植物由于不斷進(jìn)行光合作用和新陳代謝，其體內(nèi)的碳中的碳合作用和新陳代謝，其體內(nèi)的碳中的碳14含量與大氣中相同。死的植物停止了光合含量與大氣中相同。死的植物停止了光合作用和新陳代謝，其體內(nèi)的碳作用和新陳代謝，其體內(nèi)的碳14核由于核由于不斷衰變，含量越來越少。因此今天挖掘不斷衰變，含量越來越少。因此今天挖掘出來古代植物遺體內(nèi)，碳中碳出來古代植物遺體內(nèi)，碳中碳14的含量，的含量，低于大氣中的含量。低于大氣中的含量。0 ,14121214例題假定在活的植物體內(nèi)C 與 C 的原子數(shù)之比是1.2:1 C 的半衰期是年?？脊殴ぷ髡邔⒛彻糯z址中的一塊木頭碳化后，測(cè)得每克碳的放射性活度為3