核动力工程与辐射科学(上3b)

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1、核动力工程与辐射科学（上）匡波bkuang@sjtu.edu.cn上海交通大学核科学与工程学院2012年第三章核电站与反应堆(B)3.4核能发电原理“反应堆”-“Pile”,-Reactor世界第一座链式核裂变装置是费米在美国芝加哥大学的足球场西看台下建造的，慢化材料采用了石墨，核裂变材料被放在其中，由于石墨被堆成一个堆，故称为“反应堆”。实际上应该称为又称为“原子锅炉”，或“原子炉”。第一个反应堆“Pile”核电厂的反应堆Reactor“原子锅炉”能量转换机械能动力装置汽轮机发电机核能电能蒸汽的动能（热能）核电厂中的能量转换与转递核能水的热能蒸汽的热能叶轮动（机械）能

2、电能核能如何转变成热能冷却剂的输热和热量释放燃料芯块到冷却剂的热量传递蒸汽的产生蒸汽热能如何转化成电能蒸汽在汽轮机中作功转子带动发电机发电3.3核裂变反应堆原理核裂变反应堆原理反应堆反应堆容器核电站维持自持链式核裂变反应的条件易裂变材料fissilematerial中子neutron临界critical易裂变材料fissilematerial燃料棒fuelrod中子neutron中子源裂变产生的中子慢化剂moderator使中子慢化的材料冷却剂coolant从核燃料“取热”并带走热量的介质中子吸收材料neutronabsorbingmaterial控制中子数量的材

3、料反射层reflector防止中子泄漏的材料反应堆是如何被控制的?维持自持链式裂变反应的条件发生裂变的条件易裂变材料（235U/239Pu/233U）中子维持裂变的条件－临界影响裂变速率的因素中子：热中子、快中子裂变材料的“浓度”（富集度）周围材料吸收中子的能力维持裂变的条件－临界临界：产生的中子数=被吸收的中子数系统内中子产生率正好等于中子消失率临界状态系统内中子数会逐渐减少，裂变量也逐渐降低次临界状态系统内产生的中子多于损失的中子，会使裂变率不断增加超临界状态临界质量：能使得反应堆达到临界的燃料装载方式裂变、吸收、泄漏反应堆内的中子来源中子源，仅用于启堆时；裂变

4、，产生中子。中子的利用热中子：热中子反应堆（热堆）快中子：快中子增殖堆（快堆）中子的慢化慢化剂中子的吸收裂变；结构材料；冷却剂；泄漏；控制材料。中子源作用用于提高反应堆启动时的中子通量密度水平，以使源量程核测量仪器能可靠地测出中子通量密度水平，并保证反应堆安全启动组成中子源组件(包括初级源和次级源)；初级源材料为Po-Be源或Cf源，会自发地发射出中子，用于反应堆首次启动；次级源棒由不锈钢包壳、Sb-Be源芯块和上下端塞组成；Sb-Be源是一种稳定源材料，它在反应堆运行期间吸收中子而活化，随后释放出中子，这样，在反应堆低中子通量密度期间(如换料后启动时)起中子源作用。反

5、应堆能实现控制的决定性条件！！裂变产生的中子快中子（>0.1MeV）99.3%瞬发中子0.65%缓发中子裂变后百万分之一秒左右放出；能量约在12MeV范围内，速度为1400020000km/s慢中子(<0.1eV)裂变后几分钟的时间内逐渐释放出来平均能量约在0.5MeV左右热中子易发生裂变的中子－热中子快中子Fastneutron慢中子慢化剂慢化剂moderator轻水、重水、石墨等常用慢化剂用于使中子减速的材料称为慢化剂H2OD2O核电站常用的0.025eV慢中子，又称为热中子(thermalneutron)碰撞减速1～2MeV0.025eV石墨易裂变材料fiss

6、ilematerials在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为易裂变核素：铀-235铀-233钚-239钚-241在天然铀中，铀-235只占约0.72%铀-238约99.28%鈣铀云母铜铀云母慢化剂moderator作用通过“碰撞”使高能中子慢化（减速），主要通过弹性散射反应来实现；提高裂变发生概率。选择慢化剂的基本条件散射截面（概率）大；吸收截面（概率）小，即不易俘获中子。常用材料普通水、重水、石墨等。功能流过燃料表面，带走核裂变产生的热量（输热）；同时使核燃料棒得到冷却（换热）。选择冷却剂的基本条件传热性能好；吸收中子能力小；价廉；最好可以兼作慢化剂：慢

7、化功能好。种类选择标准水：普通水（轻水堆）、重水（重水堆）；液态金属：液态金属钠、钠-钾合金、铅-铋合金（快堆）；气体：二氧化碳、氦气（石墨气冷堆、高温气冷堆）。冷却剂coolant中子吸收材料neutronabsorbingmaterial功能吸收多余的中子调节功率停堆选择吸收材料的基本条件吸收中子能力大调节能力强种类控制棒：银-铟-镉合金；可燃毒物：三氧化二钆、硼玻璃等；可溶毒物：硼酸。反应堆内装载的核燃料足够产生一年所需的能量，如何控制这些核燃料不是在短时间内全部裂变，而是在一段时间（如：一年、18个月）内逐渐发生裂变呢？KEY: