2.1核反應堆的物理基礎任課老師：于立軍2019年03月目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應鈾-235裂變:8.32×1013J/kg鈾=2000t汽油氘聚變：3.5×1014J/kg=4kg鈾重要反應核燃料增殖過程核裂變反應2.1.1.1原子核的組成03原子質量單位02組成01質子中子

原子核2.1.1.2核力

飽和性短程力強相互作用力2.1.1.3核的結合能其核子的質量總和聚合釋放能量新原子核的質量<

m為質量虧損2.1.1.3核的結合能比結合能=總的結合能原子核質量數核能計算在原子能領域內，一般用電子伏特（eV）、（MeV）作為能量單位。1u質量相當于為931MeV；1MeV=1.6021

10-13J。2.核聚變反應質量虧損為0.0276u，則核聚變反應式＋MeV3.如果核裂變反應式+200MeV（0.215u），1g鈾含有2.6

1021個鈾原子，問完全裂變放出多少熱量（kJ）？思考題：1.m質量的質量虧損相當于能量E=，E的單位為MeV，m的單位為u2.6

1021

200=5.2

1023MeV=8.33

107kJ1克鈾-235裂變釋放的熱量:相當于3噸標準煤燃燒釋放的熱量2.1.1.4核的放射性當原子核內中子數與質子數的比例超出與質量數相應的穩定界限時，這種核將通過放射性衰變的方式向著更穩定的方向自發地變化。穿透能力比較2.1.1.4核的放射性半衰期：放射性原子數量衰減到初始數量的一半時所需要的時間周期。

目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應2.1.2.1核反應的定義核反應是指外來粒子引起某原子核發生變化的反應鈾核裂變氘氚核聚變2.1.2.2中子與原子核的相互作用中子觸發核反應的原理：中子與原子核結合之后，核的平均結合能造成了超出核素可以保持穩定的擾動，導致核素趨向生成了更加穩定的核素。2.1.2.2中子與原子核的相互作用Step.1吸收中子動能轉為內能處于激發態回到基態釋放能量Step.2Step.3Step.4Step.5復合核的形成反應堆主要的中子和原子核的相互作用形式2.1.2.2中子與原子核的相互作用中子觸發核反應的原理：中子與原子核結合之后，核的平均結合能造成了超出核素可以保持穩定的擾動，導致核素趨向生成了更加穩定的核素。最簡單的也是很主要的核反應，它是中子波和核表面勢相互作用的結果，中子并未進入耙核入射中子直接與耙核內的某個核子碰撞。這種情況要求中子的能量極大，基本可以不予考慮2.1.2.3反應截面和核反應率

2.1.2.3反應截面和核反應率宏觀截面：一個中子與單位體積內原子核發生核反應平均幾率的度量一個中子穿行單位距離與核發生相互作用的幾率大小的一種度量。

2.1.2.3反應截面和核反應率核反應率：單位時間單位體積內發生核反應的次數

宏觀截面和中子通量的乘積目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應2.1.3.1核燃料裂變臨界能量：復合核從變形到分裂需要能量，所需的最小能量每消耗一個易裂變核所生成的新易裂變核核數稱為轉換比

生成新易裂變核的數目消耗新易裂變核的數目r=核燃料增殖注：天然鈾中有鈾-235的含量僅為0.7%，其余99.3%為鈾-238（非裂變元素）。核燃料增殖過程核裂變反應r﹤1時反應堆稱為轉換堆

設初始的核燃料量M0，M0被消耗掉以后，會產生rM0的新燃料，進一步又能得到r2M0，依此類推，總共可供使用的核燃料量為（中間可能需要停爐）：r﹥=1時反應堆稱為增殖堆

反應堆消耗1kg的核燃料的同時，還能生產出超過1kg的新核燃料，這種增殖型反應堆。不僅可以大量發電，而且可以逐漸積累核燃料，經過一定時間的運行，將反應堆內產生的新核燃料提取，又可建造新的核反應堆。這種反應堆充分利用了自然界大量蘊藏的非裂變核燃料，使核電站反應堆成為一座可裂變核燃料的加工廠，為核電站提供了豐富的核燃料資源。

M0新堆的循環量，G為增殖堆每天消耗的裂變燃料。

倍增時間D=，單位為天數。思考：r有無理論上限？2.1.3.2核裂變產物的分布和能量常規的核反應堆中，熱中子與靶核碰撞，形成復合核，發生（n,f）反應，由于激發的能量是分配在許多核子上的，所以可能的產物有很多能量分布2.1.3.3中子的慢化平均對數能降增量：每次碰撞中子能量的自然對數的平均變化值

慢化劑2.1.3.4核裂變反應堆功率

核燃料消耗速率

目錄Contents2.1.1核物理基礎2.1.2核反應基礎2.1.3核裂變反應相關2.1.4自持鏈式核裂變反應2.1.4.1自持鏈式核裂變反應機理自持鏈式裂變反應：不依靠外來中子的補充，就能持續裂變下去的核反應。中子被核燃料吸收，發生裂變中子被核燃料吸收，卻不發生裂變中子被慢化劑、冷卻劑、結構材料等有害吸收中子被泄露2.1.4.2有效增殖系數

反應堆超臨界反應堆臨界反應堆次臨界2.1.4.3反應堆內中子循環剩余96個熱中子

漏失、被慢化劑和結構材料俘獲剩余76個熱中子中子循環剩余76個熱中子第二代100個快中子被235U俘獲發生裂變思考題與習題：原子核由哪些粒子組成，分別用什