第二章核反应堆工程基础
引言（P21）
1.1942年12月1日由美国科学家费米领导在芝加哥大学运动场看台下面建立了石墨反应堆，首次实现了原子核链式反应，开创人类利用核能新纪元。
2.核电、水电、火电一起构成世界电力能源的三大支柱。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。
3. 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变反应。 4.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。
5.核反应堆堆芯是核燃料存放的区域，核裂变链式反应就在其中进行。
6.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、对流换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
过热力系统转化为所需的动力。
第一节 核裂变及核能的利用（P21-25）
1. 核裂变的发现：
（1）哈恩和斯特拉斯曼于1939年1月正式确认，中子束辐照铀靶的产物中，观察到了56Ba和57La的放射性同位素。 （2）迈特纳（Meitner L）和福里施（Frisch O）对上述实验事实进行了解释，指出铀核的稳定性很差，在俘获中子之后本身分裂为质量差别不很大的两个核，裂变（Fission）一词就是由他们提出来的。
（3）裂变现象的发现，立刻引起人们极大的注意。这不仅是因为在裂变过程中释放出巨大的能量，而且在裂变过程中都伴随着中子的发射。这些中子将使裂变自动地继续下去，形成链式反应，从而使原子能的大规模利用成为可能。 （4）发现裂变到链式反应堆的建立，仅仅花了4年的时间，1942年12月第一个铀堆在美国投入运行。
2. 三分裂的概率很小，约为千分之三。
一、自发裂变与诱发裂变（P22-23）
1.在没有外来粒子轰击下，原子核自行发生裂变的现象叫自发裂变；在外来粒子轰击下，原子核才发生裂变的现象称为诱发裂变。
2.1自发裂变（P22）
1.自发裂变的一般表达式：
2.在自发裂变的母核与裂变产物间满足如下的关系：A=A1+A2；Z=Z1+Z2，即粒子数守恒和电荷数守恒。（其中，A1、A2和Z1、Z2分别为裂变产物的质量数和电荷数。）
3.自发裂变能Qf, s，定义为两个裂变产物Y1（Z1，A1）和Y2（Z2，A2）的动能之和。由能量守恒可以导出：
和
（式中B为结合能。）
4.自发裂变发生的条件：Qf,s＞0，即两裂变碎片的结合能大于裂变核的结合能。即两裂变碎片的结合能大于裂变核的结合能。仔细研究比结合能曲线可以发现，对于不是很重的核，例如A＞90，就可满足此条件。 5. 裂变碎片是很不稳定的原子核，一方面碎片处于较高的激发态，另一方面它们是远离稳定线的丰中子核而发射中子，所以自发裂变核又是一种很强的中子源。
6.超钚元素的某些核素，如244Cm（96锔（jú））、249Bk（97锫（péi））、252Cf（98锎（kāi））、255Fm（100镄（fèi））等具有自发裂变的性质；尤其以252Cf最为突出。1 g的252Cf体积甚小于1 cm3，而每秒可发射2.31×1012个中子。
2.2诱发裂变（P23）
1.能发生自发裂变的核素不多，大量的裂变过程是诱发裂变；
2.当具有一定能量的某粒子a轰击靶核时，形成的复合核发生裂变，其过程记为A(a,f1)f2或A(a,f)，其中a是入射粒子，f1、f2、或f分别代表裂变碎片或裂变；
3. 当形成复合核时，复合核一般处于激发态，其激发能E*超过它的裂变位垒高度Eb时，就会发生核裂变。
4.诱发裂变中，中子诱发裂变是最重要的，也是研究最多的诱发裂变；（中子与靶核没有库仑势垒，能量很低的中子就可以进入核内使其激发而发生裂变。裂变过程又有中子发射，可能形成链式反应。）
eg235U(n,f)热中子（入射中子能量为0.0253eV）即可引起235U诱发裂变
（1）处于激发态的复合核236U*是裂变核；
（2）Y1、Y2代表两个初级裂变碎片（如139Br和97Kr），按其碎片质量的大小，称为重碎片和轻碎片，一般也处于激发态。
5.诱发裂变的一般表达式为：
一、 裂变后现象（P23-25）
1.裂变后现象是指裂变碎片的各种性质及其随后的衰变过程及产物，如碎片的质量、能量、释放的中子、γ射线等。
2.原子核裂变后产生两个质量不同的碎片，它们受到库仑排斥而飞离出去，使得裂变释放的能量大部分转化成碎片的动能，这两个碎片称为初级碎片。
3.初级碎片是很不稳定的原子核，这一方面是由于碎片具有很高的激发能，另一方面它们是远离β稳定线的丰中子核，因而能直接发射中子（通常发射1～3个中子）。
4.发射中子后的碎片的激发能小于核子的平均结合能（8 MeV）不足以发射核子，主要以发射γ光子的形式退激。
5. 初级碎片发射的中子和光子是在裂变后小于10-15s和10-11s的短时间内完成的，所以称为瞬发裂变中子和瞬发γ光子。
6.发射中子后的碎片称为次级碎片或称裂变的初级产物。发射光子后初级产物仍是丰中子核，经过多次β衰变链，最后转变成为稳定的核素。
7.裂变产物是发射中子后裂变碎片的统称，包括β衰变前初级产物和β衰变字体。
8.对不同的裂变核就会有不同的衰变链
egA=140重碎片的衰变链：
在发现β放射性的同时又钡、镧的沉淀物，对这个衰变链，最后转变成稳定的核素。
A=99轻碎片的衰变链：
9.β衰变的半衰期一般是大于10﹣2s。相对于瞬发裂变中子和γ射线，这是慢过程。
10.在连续β衰变过程中，有些核素可能具有较高的激发能，其激发能超过中子结合能，就有可能发射中子，这时发射的中子称为缓发中子。
11.缓发裂变中子的产额占裂变中子数的1%左右。当然连续β衰变过程中各核素也仍会继续发射γ射线。
● 裂变后的过程可由图2-1示意：
2.1裂变碎片的质量分布（P24）
1.裂变碎片的质量分布，又称裂变碎片按质量分布的产额，具有一定的规律性。发射中子前和发射中子后的碎片的质量分布有些差异，但基本特征是相同的。
2.在二分裂情况下，碎片Y1、Y2的质量AY1、AY2的分布有两种情况：
（1）对Z≤84（如84Po）和Z≥100（如100Fm（镄（fèi））、101Md（钔（mén））等）的核素，AY1=AY2的对称分布的概率最大，被称为对称裂变；
（2）对于90≤Z≤98（90Th～98Cf（锎（kāi）））的核素其自发裂变和低激发能诱发裂变
的碎片质量分布是非对称的，称为非对称裂变；
（3）随激发能的提高，非对称裂变向对称裂变过渡。
2.2裂变能及其分配（P24）
1.根据能量守恒定律，重核发生二分裂的裂变能可以表示为：
Qf =ΔMc2=[M*(Z0, A0)－M(Z1, A1)－M(Z2, A2)－vmn]c2
ps:M*(Z0, A0)代表激发态复合核的原子质量；M(Z1, A1)， M(Z2, A2)为发射中子后的碎片经β衰变而形成的两个稳定核的原子质量；为裂变中发射的中子数。
2. 若用最终形成的稳定核表示裂变产物，的热中子诱发裂变为 :
（1）由各核素的原子质量代入，裂变能Qf = 208 MeV。
（2）这些能量大部分由裂变碎片带走；
2.3裂变中子（P24-25）
1.裂变中子包含瞬发中子和缓发中子两部分，缓发中子约占总数的1%。
2.瞬发中子的能谱N(E)和每次裂变放出的平均中子数是重要的物理量。
3.缓发中子产生于裂变碎片的某些β衰变链中，缓发中子的半衰期就是中子发射体的β衰变母核的β衰变的半衰期。
4.缓发中子的发射在反应堆的运行控制中具有十分重要的作用。
第二节 核反应堆的基本工作原理（P25-37）
一、中子与原子核的相互作用（P25-27）
1.在核反应堆堆芯，有大量的中子在飞行，不断地与各种原子核发生碰撞。碰撞的结果，或是中子被散射、或中子被原子核所吸收。
2.如中子是被235U这类易裂变燃料核所吸收，就可能使其裂变。
2.1散射反应（P25-26）
1.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。
2.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：
3.裂变产生的中子称为裂变中子，其能量比较高，该中子经过与原子核的多次散射反应后，能量会逐步减少，这种过程称为中子的慢化。
4.弹性散射最重要的特点是，中子与核整个系统的动量和动能在碰撞前后不变。中子会把一部分动能传给原子核，使自己逐渐慢化。
5. 非弹性散射反应中，入射中子的一部分动能转变成靶核的内能，使靶核处于激发态，通过发射γ射线返回到基态，散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。
6.入射中子的动能高于靶核的第一激发态能量时才能使靶核激发，从而发生非弹性散射反应。
eg对238U，中子能量大于45keV才能发生非弹性散射。
7.高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射。
8.在有慢化剂的热中子反应堆中，中子慢化主要依靠与慢化剂的弹性散射。
9.在快中子反应堆内，虽然没有慢化剂，但中子通过与238U的非弹性散射，能量也会有所降低。
2.2吸收反应（P26-27）
1.中子吸收反应表示为（n，a）包括中子俘获（n，c ）和中子裂变反应（n，f）。
2.中子俘获
（1）中子俘获（n，c ）：（n，）、（n，p）、（n，d）、（n，α）、（n，2n）
辐射俘获（n，）是最常见的吸收反应。
（2）①反应堆内重要的辐射俘获有：
生成的239U经过两次ß－衰变生成易裂变材料239Pu。
这就是在反应堆中将238U转化为核燃料239Pu的过程。
②232Th通过（n，γ）反应生成易裂变材料233U：
这就是将自然界中蕴藏量丰富的钍元素转化核燃料233U的过程。
235U吸收中子后，除了发生裂变反应外也可能发生辐射俘获反应：
