裂变反应堆的工作原理

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1、裂变反应堆的工作原理为了深入讨论与核能有关的技术和发展趋势,我们必须对核电站所基于的原理--核反应堆中子物理、反应堆热工水力学、反应堆控制和反应堆安全等方面的基本知识,有一个初步的了解。一、反应堆中子物理（－）中子与原子核的相互作用在反应堆的心脏____堆芯中，大量的中子在飞行，不断与各种原子核发生碰撞。碰撞的结果，或是中子被散射、改变了自己的速度和飞行方向；或中子被原子核吸收。如果中子是被铀－235这类核燃料吸收，就可能使其裂变。下面我们较详细地进行介绍。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。能量比较高的中子

2、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慢化。散射反应有两种不同的机制。一种称为弹性散射。在弹性散射前后，中子——原子核体系的能量和动量都是守恒的。任何能量的中子都可以与原子核发生弹性散射。另一种称为非弹性散射。中子与原子核发生非弹性散射，实际上包括两个过程。首先是中子被原子核吸收，形成一个复合核。但这个复合核不是处于稳定的基态，而是处于激发态。很快它就会又放出一个中子，并且放出射线，回到稳定的基态。非弹性散射的反应式如下：并非所有能量的中子都能与原子核发生非弹性散射。中子能量必须超过一个阈值，非弹性散射才能发生。对于

3、铀－238原子核，中子能量要高于45千电子伏，才能与之发生非弹性散射。非弹性散射的结果也是使中子的能量降低。在热中子反应堆中，中子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．俘获反应亦称为（n，）反应。它是最常见的核反应。中子被原子核吸收后，形成一种新核素（是原核素的同位素），并放出射线。它的一般反应式如下：10反应堆内重要的俘获反应有:10这就是在反应堆中将铀－238转化为核燃料钚－239的过程。类似的反应还有：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

4、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，并且在低能中子作用下发生裂变的概率更大，通常被称为易裂变核素。而钍－232、铀－238等只有在中子能量高于某一值时才能发生裂变，通常称之为可裂变同位素。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；同时发出平均2．5个中子，还释放出约200兆电子伏的能量。裂变时放出的平均中子数不是一个常数，随轰击铀核的中子能量而异。此外还应指出，铀－235核吸收中子后并不一定发生裂

5、变，也可能发生俘获反应生成铀－236。因此反应堆中的铀－235有一部分并不能用来产生能量，而是白白浪费掉了。在堆中还会发生其他一些中子核反应，如吸收中子后放出粒子的（n，）反应、吸收中子后放出质子的（n，p）反应等。这里就不一一列举了。I△XI'图1-2-1平行中子束穿过薄靶后的衰减探测器（二）核反应截面和核反应率上面我们列举了几种重要的中子核反应，但这些反应发生的概率有多大？必须进行定量的研究和描述。核反应截面就是定量描述中子与原子核发生反应的概率的物理量。1．微观截面假定有一束平行中子，其强度为I（即在单位时间内通过垂直于中子飞行方向的单

6、位面积上有I个中子），该中子束垂直打在一个薄靶上，靶面积为1平方厘米，厚度为x厘米，靶内单位体积（1立方厘米）中的原子核数是N。在靶后某一距离处放一个中子探测器，见图1-2-1。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（散射后中子改变飞行方向，探测器测不到了），从而使靶后探测器测到的中子束强度I’要比I小。那么I=I－I’就等于与靶核发生作用的中子数。实验表明：I与入射中子束强度I、靶厚度x、靶的核密度N成正比。即有(1.2.1)式中的是比例系数，称为“徽观截面”。显然(1.2.2)上式中分子上的△I／I表示平行中子束中的中子与靶原

7、子核发生作用的概率，分母上的N△x表示的是靶中的原子核数（注意靶核面积为1平方厘米）。因此，微观截面是表示中子与单个靶核发生相互作用的概率大小的一种度量。它的量纲是面积。通常采用“靶”作为微观截面的单位，1靶＝10。为了区分各种不同的核反应，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。各截面之间有如下关系：s＝e＋ina＝r＋f＋n.p＋n.＋……t＝s＋a微观截面一般由实验测得，无法测量的用理论方法算出。2．宏观截面前已述，微观截面描述的是中

8、子与单个原子核发生相互作用的几率，但工程实践上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。宏观截面的定义是：Σ＝N（1.