核反应堆物理分析 第2章.ppt

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1、§第二章《中子慢化和慢化能谱》学习要求：本章中公式推导较多，只要求掌握或熟悉部分结论，对过程不做要求。如中子与靶核碰撞后的能量范围、散射函数、平均对数能降、实验室坐标系下的平均散射角余弦、中子温度、热中子的平均吸收截面需要掌握或熟悉的概念：慢化能力/慢化比、慢化时间/扩散时间、能力自屏效应、能谱硬化§第二章《中子慢化和慢化能谱》反应堆内裂变中子的平均能量为2MeV。由于中子散射碰撞而降低速度的过程成为慢化过程。热堆内，弹性散射对慢化过程起主要作用。在慢化过程，热堆内中子密度按能量具有稳定的分布，称之为中子慢化能谱2

2、.1中子的弹性散射过程2.1.1弹性散射时能量的变化在实验室（L系）和质心系（C系）内中子与核的弹性散射利用碰撞前后动量和动能守恒：可得：实验室系和质心系内散射角的关系有以上结果可以看出：（1）碰撞前后中子能量没有损失。（2）一次碰撞中中子的最大能量损失为（3）中子在一次碰撞中损失的最大能量与靶核的质量有关。A=1，则α=0，E´min=0，即中子与氢碰撞后能量全部损失掉。A=235，则α=0.983，E´min=0.02E，即中子与235U碰撞后能量最大损失约为碰撞前中子能量的2%。所以应该选择轻核元素作为慢化剂

3、。2.1.2散射后中子能量的分布实验和理论计算（量子力学）表明，对一般的轻元素，当能量E小于几个MeV时，在质心系内中子的散射是各向同性的，即碰撞后中子在任一立体角内出现的概率相等。射后能量是均匀分布的，与碰撞后能量无关。C系内散射角分布2.1.3平均对数能降对数能降u定义为：或E=E0e-u其中E0为选定的参考能量，一般选E0=2MeV或E0=10MeV。随中子能量的减小，中子的对数能降在增大，其变化与能量相反。一次碰撞后对数能降的增加量为：由（2-14）式可知，一次碰撞最大的对数能降为在研究中子的慢化过程时，有

4、一个常用的量，就是每次碰撞中子能量的自然对数的平均变化值，叫做平均对数能降在质心系内各向同性的情况下：积分后可得：当A>10如用Nc表示中子从能量E1慢化到能量E2平均碰撞次数，则使中子能量由2MeV慢化到0.0253eV时分别所需要的与H核、石墨核以及235U核的平均碰撞次数为:2.1.4平均散射角余弦在质心系中中子每次碰撞平均散射角余弦为：这是预期结果，因为在质心系中中子散射是各向同性。在实验室系中中子每次碰撞平均散射角余弦为：由于中子在实验室系和质心系中有对应关系，因此由（2-16）和（2-19）可得因而，尽

5、管在质心系是各向同性的，但在实验室系确是各向异性的，而且在实验室系中子散射后沿它原来运动方向的概率较大。平均散射角余弦的大小表示了各向异性的程度。在实验室系平均散射角余弦随着靶核质量数的减小而增大，靶核的质量越小，中子散射后各向异性（向前运动）的概率就越大。2.1.5慢化剂的选择反应堆中要求慢化剂具有较大宏观散射截面Σs和平均对数能降ξ。通常把乘积ξΣs叫做慢化剂的慢化能力。我们还要求慢化剂有较小的吸收截面，定义ξΣs/Σa叫做慢化比。慢化剂慢化能力ξΣs/m-1慢化比ξΣs/ΣaH2OD2OBe石墨1.53×10

6、-21.77×10-31.6×10-36.3×10-47021001501702.1.6中子的平均寿命在无限介质中，裂变中子慢化到热中子所需要的平均时间称为慢化时间。ts一般在10-4到10-6秒量级。介质中的热中子在自产生至被俘获以前所经历的平均时间，称为扩散时间，热中子的平均寿命。对于1/v介质热中子的平均寿命与中子能量无关。td一般在10-2到10-4秒量级。Table2-2几种慢化剂的慢化和扩散时间快中子自裂变产生到慢化成为热中子，直到最后被俘获的平均时间，称为中子的平均寿命。慢化剂慢化时间/s扩散时间/s

7、H2OD2OBeBeO石墨6.3×10-65.1×10-55.8×10-57.5×10-51.4×10-41.4×10-40.1373.89×10-36.71×10-31.67×10-22.3均匀介质中的共振吸收当中子能量慢化到100keV以下中能区，反应堆内的很多重要的材料如U，Pu，Th等多表现出强烈的共振吸收特征，具有很高并且很密集的共振峰。在慢化过程中必然有一部分中子被共振吸收。共振吸收对反应堆内的链式反应过程有非常重要的影响。能量自屏效应：当中子截面呈共振峰形状时，在共振能量附近有很大的增大和剧变，这就导

8、致了中子通量密度急剧下降畸变，出现很大的凹陷，这种现象称为共振的“能量自屏效应”2.4热中子能谱和热中子平均截面2.4.1热中子能谱在压水堆中通常将Ec=0.625eV定义为分界能或缝合能,Ec能量以下的中子称为热中子。所谓热中子是指中子与所在的介质的原子或分子处于热平衡状态的中子。处于热平衡状态的热中子，它们的能量分布也服从麦克斯韦-波耳兹曼分布，即T=3