堆物理第二章

堆物理第二章第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四第二章中子慢化和慢化能譜基本概念慢化過程：中子由于散射碰撞而降低速度的過程叫做慢化過程。中子慢化能譜：當(dāng)反應(yīng)堆處于穩(wěn)定時(shí)，在慢化過程中，堆內(nèi)中子密度（或中子通量密度）按能量具有穩(wěn)定的分布，稱之為中子慢化能譜。第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四第二章中子慢化和慢化能譜2.1中子的彈性散射過程2.2熱中子反應(yīng)堆內(nèi)能譜的近似分布第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2.1中子的彈性散射過程彈性散射時(shí)能量的變化平均對數(shù)能降平均散射角余弦慢化劑的選擇中子的平均壽命第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四1彈性散射時(shí)能量的變化慢化主要靠中子與慢化劑核的彈性散射。可以看成，中子與核是兩個(gè)彈性剛球的相互碰撞，碰撞前后動(dòng)量、動(dòng)能守恒。討論彈性碰撞時(shí)，通常采用兩種坐標(biāo)系：L系（試驗(yàn)坐標(biāo)系）和C系（質(zhì)心坐標(biāo)系）第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四L系內(nèi)碰撞后的中子能量根據(jù)動(dòng)量、動(dòng)能守恒，可得L系內(nèi)碰撞后的中子能量E′：

式中：A=M/m

注：

靶核與中子的重量比可近似看成靶核的質(zhì)量數(shù)第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四定性分析：⑴時(shí)，,此時(shí)碰撞前后沒有能量損失。⑵時(shí)，。因而中子在一次碰撞中可能的最大能量損失為：即碰撞后中子能量⑶第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四例如：

①對輕核，當(dāng)A=1時(shí)，中子可能在一次碰撞中損失全部能量。②對重核，如238U，即中子與238U核發(fā)生一次碰撞，可能損失的最大能量約為碰撞前中子能量的2%。由此可見，從中子慢化的角度來看，應(yīng)當(dāng)采用輕核元素作慢化劑。第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2平均對數(shù)能降為了計(jì)算方便，在反應(yīng)堆物理分析中，還常用一種無量綱量，叫作“對數(shù)能降”來作為能量變量，用表示。式中：為選定的參考能量，一般取增大時(shí)，減小。第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四平均對數(shù)能降平均對數(shù)能降：就是每次碰撞中子能量的自然對數(shù)的平均變化值，用表示當(dāng)A>10時(shí)，若用表示中子從慢化到，所需的平均碰撞次數(shù)：

第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四例題：試求使中子能量由2MeV慢化0.0253eV時(shí)分別所需的與H核、石墨核以及238U核的平均碰撞次數(shù)。第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四例題：試求使中子能量由2MeV慢化0.0253eV時(shí)分別所需的與H核、石墨核以及238U核的平均碰撞次數(shù)。解：中子的對數(shù)能降增量為由附錄3可得3種核的平均對數(shù)能降：因此對于輕核和重核，所需的碰撞次數(shù)是有很大差異的，該例題更充分地說明了一般選用輕核材料作為反應(yīng)堆慢化劑的原因。第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四3平均散射角余弦中子與核發(fā)生彈性散射后，其運(yùn)動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變。若散射角為，那么就叫做散射角余弦。在C系內(nèi)散射是各向同性的，但在L系內(nèi)散射卻是各向異性的。第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四4慢化劑的選擇慢化劑的條件：⑴它應(yīng)具有大的平均對數(shù)能降值，⑵具有較大的宏觀散射截面，⑶從減少中子損失的角度來看。慢化劑還應(yīng)具有較小的吸收截面。慢化能力：通常把宏觀散射截面和平均對數(shù)能降的乘積即叫作慢化劑的慢化能力。慢化比：第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四5中子的平均壽命平均壽命：快中子自裂變產(chǎn)生到慢化成為熱中子，直至最后被俘獲的平均時(shí)間，用表示。式中：——慢化時(shí)間：裂變中子由裂變能慢化到熱能所需的平均時(shí)間。

——擴(kuò)散時(shí)間：無限介質(zhì)內(nèi)熱中子在自產(chǎn)生至被俘獲以前所經(jīng)過的平均時(shí)間。對于壓水堆中子的平均壽期，對于快中子反應(yīng)堆中子的平均壽命。第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

2.2熱中子反應(yīng)堆內(nèi)能譜的近似分布慢化能譜：在穩(wěn)定情況下，在系統(tǒng)內(nèi)形成某種穩(wěn)定的中子能量分布，稱這個(gè)能量分布為慢化能譜。討論中子通量密度與能量之間的關(guān)系，可以把中子分為三個(gè)區(qū)間，即快中子區(qū)、慢化區(qū)和熱中子區(qū)。第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四快中子區(qū)（E>0.1MeV）高能區(qū)，中子從裂變產(chǎn)生尚未充分慢化，因而其能譜與裂變中子譜非常接近，可用近似表示。Ф0.110E(MeV)第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四慢化區(qū)（1eV<E<0.1MeV）反應(yīng)堆內(nèi)慢化區(qū)的中子能譜近似服從1/E譜或費(fèi)米譜。Ф1eV0.1MeVE第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四熱能區(qū)（E<1eV)反應(yīng)堆內(nèi)慢化區(qū)的中子能譜近似服從麥克斯韋譜。與溫度有關(guān)。Ф1eVE293K500K1000K第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四其他因素對中子能譜的影響⑴能量自屏效應(yīng)慢化區(qū)：

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慢化到第個(gè)共振能之前的中子數(shù)。

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吸收劑A和慢化劑M組成的均勻介質(zhì)的

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吸收劑（燃料A）的宏觀吸收截面。

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混合物的宏觀吸收截面。由于含有項(xiàng)，當(dāng)中子截面呈共振峰形狀時(shí)，在共振能量附近有很大的增大核劇變，這就是導(dǎo)致中子通量密度急劇下降畸變，在附近出現(xiàn)很大的凹陷，這種現(xiàn)象稱為共振的“能量自屏效應(yīng)”。第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四溫度對共振吸收的影響溫度升高，由于多普勒展寬效應(yīng)，使得共振峰值降低，使能量自屏效應(yīng)減弱。共振峰內(nèi)中子通量密度增大，總的結(jié)果將使共振吸收增大。第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四⑵硬化（熱中子區(qū)）原因：a在反應(yīng)堆中，所有的熱中子都是從較高的能量慢化而來，然后逐步與介質(zhì)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這樣，在能量較高區(qū)域內(nèi)的中子數(shù)目相對地就要多些。b由于介質(zhì)要吸收中子，一部分未達(dá)到平衡態(tài)的中子被吸收，低能區(qū)中子減少。由于這兩個(gè)原因共同作用的結(jié)果，在能量較高處的中子數(shù)相對增大，而在能量較低處的中子數(shù)相對減少，使得實(shí)際的熱中子能譜朝能量高的方向有所偏移，即熱中子的平均能量和最