核安全填空背书-030101-核反应堆的基本工作原理

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1、引言（1942）年（美）国科学家（费米）在芝加哥大学运行场看台下面的（石墨）反应堆内，首次实现了原子核链式反应，开创了人类利用核能的新纪元。目前，已有（400）余座核电机组投入商业运行，是全世界发电站总发电的（17）%。核能是公认的经济、清洁、技术先进具有广阔发展前景的能源。同时，三哩岛和切尔诺贝利核电站事故也清楚告诉人们，核能具有潜在的（放射性）危险。保护（人员、社会、环境）免受放射性危害是核能发展必须遵循的前提条件。本章简述了核动力厂安全的专业工作概况。第一节核反应堆的基本工作原理核反应堆是一种综合的技术装置，用来实现重元素的（可控自持链式裂

2、变）反应。核反应堆由（堆芯、冷却剂系统、慢化剂系统、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统）等组成。核反应堆（堆芯）是核燃料存放的区域，是核动力厂的心脏，核裂变链式反应就在其中进行。链式裂变反应释放出来的能量，绝大部分首先在（燃料元件）内转化为热能，然后通过（热传导、对流传热和热辐射）等方式传递给燃料元件周围的（冷却剂），再由（冷却剂）带载到堆芯外，通过（动力）系统转化为所需的动力。本节主要讨论核反应堆的基本工作原理。一、中子与原子核的相互作用在核反应堆堆芯，有大量的中子在飞行，用来实现重元素的可控自持裂变反应。碰撞的结果，或是中子被（散射）、改

3、变了自己的（速度）和（飞行方向）；或中子被原子核所（吸收）。如果中子是被（铀-235）这类易裂变燃料核所吸收，就可能使其裂变。这就意味着在反应堆内可能发生多种不同类型的核反应。下面对核反应堆内存在的集中主要的核反应做一介绍。1.散射反应中子与原子核发生散射反应时，中子改变了（飞行方向）和（飞行速度）。散射反应有两种不同的机制。一种称为（弹性散射），另一种称为（非弹性散射）。非弹性散射的反应式如下：AAA11+*1X+→nXX()()→+nZZ00ZA↓→X+γZ能量比较高的中子经过与（原子核）的多次散射反应，其能量会逐步减少，这种过程称为（中子的

4、慢化）。在热中子反应堆中，中了慢化主要依靠（弹性散射）。在快中子反应堆内，虽然没有（慢化剂），但中子通过与（铀-238）的非弹性散射，能量也会有所降低。2.俘获反应-3-俘获反应也称为(n,γ)反应，中子被原子核吸收后，形成一种新核素，并放出(γ)射线。它的一般反应式如下：AA11++*1AXn+→()()X→X+γZZ0Z反应堆内重要的俘获反应有：2381239UnU+→+γ92092−−239ββ239239UN⎯⎯⎯→⎯pP⎯⎯→u9223−d9323min94这就是在反应堆内将（铀-238）转化为核燃料（钚-239）的过程。类似的反应还有

5、：2321233Th+n→+Thγ90090−−233ββ233233Th⎯⎯⎯→⎯Pa⎯→U9022min9127d92这就是将自然界中蕴藏量丰富的（钍元素）转化为核燃料（铀233）的过程。3.裂变反应（核裂变）是堆内最重要的核反应。（铀-233、铀-235、钚-239和钚-241）等核素在各种能量的中子作用下均能发生裂变，通常被称为（易裂变核素）。而（钍-232和铀-238）等只有在中子能量高于某一值时才能发生裂变，通常称之为（转换材料）。目前热中子反应堆内主要采用（铀-235）作核燃料。铀裂变时一般产生（两）个中等质量的核，叫做（裂变碎片）

6、；同时发出平均（2.5）个中子，还释放出约（200MeV）的能量。在反应堆中还会发生其他一些中子和原子核的反应，这里就不一一列举了。二、核反应截面和核反应率密度核反应截面是定量描述中子与原子核发生反应（概率）的物理量。1.微观截面3假定有一束平行中子，其强度为I，该中子束垂直打在一个面积为1m、厚度为ΔXm的薄靶上，靶内核密度为N。靶后放一个中子探测器，见图1-1。由于中子在穿过靶的过程中会与靶核发生吸收或散射反应，使探测器测到的中子束强度I’减小。记ΔI=I-I’，实验表明：ΔI=σNIΔX式中的σ是比例系数，称为“（微观截面）”。-4-图1-

7、1平行中子束穿过薄靶后的衰减微观截面σ是中子与（单个靶核）发生相互作用概率大小的一种度量。它的量纲是（面-242积）。通常采用“（靶）”作为微观截面的单位，1靶=（10）cm。为了区分不同的核反应，要给微观截面带上不同的下标，通常用下标s、e、in、f、r、a、t分别表示（散射、弹性散射、非弹性散射、裂变俘获、非裂变俘获、吸收和总的）作用截面。2.宏观截面工程实践中要处理的是中子与大量原子核发生反应的问题，所以又引入一个新的物理量：宏观截面，符号为Σ。宏观截面的定义：Σ=Nσ3核密度N的常用单位是1/cm。N可用下式计算：N=N0（ρ/A）从宏观

8、截面的定义可知，它是中子与（单位体积）中所有原子核发生相互作用的概率的一种度量。从定义可知，宏观截面的量纲是（长度的倒数）。常用（1/c