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3 材料与热源材料与热源3.1 核燃料3.2 包壳材料3.3 冷却剂和慢化剂3.4 堆热源及其分布堆热源及其分布清华大学工程物理系清华大学工程物理系清华大学工程物理系清华大学工程物理系 CopyrightCopyright 俞冀阳俞冀阳俞冀阳俞冀阳 201420143 材料与热源材料与热源3.1 核燃料清华大学工程物理系核燃料清华大学工程物理系 原子核模型与结合能原子核模型与结合能*原子核模型与结合能2原子核模型与结合能原子核模型与结合能*原子核模型与结合能原子核模型与结合能2中子模型中子模型*中子模型3中子模型中子模型*中子模型中子模型3*结合能43.4 堆热源及其分布堆热源及其分布 238238U U 119119Pd+Pd+119119PdPdQ=11928.5-2387.6=214.2MeVQ=11928.5-2387.6=214.2MeV，D D D DE 10E 1011 11 J/gJ/gC+OC+O2 2 CO CO2 2+4 4 4 4eVeV,D D D DE 3200 J/gE 3200 J/g*结合能结合能43.4 堆热源及其分布堆热源及其分布 238U 119P*激发能5发生裂变的条件发生裂变的条件*激发能激发能5发生裂变的条件发生裂变的条件*裂变能6裂变能分布之裂变能分布之裂裂变瞬瞬发类型型来源来源能量能量/Mev射程射程释热地点地点裂裂变瞬瞬发裂裂变碎片碎片动能能168极短，极短，0.025mm在燃料在燃料元件内元件内裂裂变中子中子动能能5中中大部分在大部分在慢化慢化剂内内瞬瞬发 g g 射射线能量能量7长堆内各堆内各处合合计180*裂变能裂变能6裂变能分布之裂变瞬发类型来源能量射程释热裂变裂变碎裂变能分布之裂变瞬发类型来源能量射程释热裂变裂变碎*裂变能7裂变能分布之裂变缓发裂变能分布之裂变缓发 类型型来源来源能量能量/Mev射程射程释热地点地点裂变裂变缓发缓发裂裂变产物物衰衰变 b b 射射线7短，短，10mm 大部分燃料元大部分燃料元件内件内,小部分小部分慢化剂内慢化剂内 裂裂变产物物衰衰变 g g 射射线6长长 堆内各处堆内各处 合计合计13*裂变能裂变能7裂变能分布之裂变缓发裂变能分布之裂变缓发 类型来源能量射程释热裂变裂变类型来源能量射程释热裂变裂变*裂变能8裂变能分布之裂变缓发裂变能分布之裂变缓发 类型型来源来源能量能量/Mev射程射程释热地点地点过剩中子引起过剩中子引起（n,g g）反应）反应 过剩中子引起过剩中子引起的非裂变反应的非裂变反应加上（加上（n,g g）反应产物的反应产物的 b b衰变和衰变和 g g 衰变衰变 7有短有短有长有长 大部分燃料大部分燃料元件内元件内,小部小部分慢化剂内分慢化剂内 合计合计7中微子：中微子：12MeV*裂变能裂变能8裂变能分布之裂变缓发裂变能分布之裂变缓发 类型来源能量射程释热过剩中子类型来源能量射程释热过剩中子*裂变能9裂变能分布裂变能分布类型能量/Mev裂变瞬发180裂变缓发13过剩中子引起（n,g）反应 7总计200工程上通常取工程上通常取97.4%的裂变能在燃料元件内转换为热能的裂变能在燃料元件内转换为热能*裂变能裂变能9裂变能分布类型能量裂变能分布类型能量/Mev裂变瞬发裂变瞬发180裂变缓发裂变缓发1*链式裂变10链式裂变反应链式裂变反应*链式裂变链式裂变10链式裂变反应链式裂变反应*基本概念11计算热源需要的几个基本概念计算热源需要的几个基本概念n裂变率裂变率q在单位时间单位体积燃料内，在单位时间单位体积燃料内，发生的裂变次数发生的裂变次数 R 为裂变率，单位是1/（cm3s）S 为宏观截面，单位是1/cms 为微观截面，单位是cm2；N5 为235U的核子密度，单位是1/cm3；j 为中子通量密度，单位是1/（cm2s）*基本概念基本概念11计算热源需要的几个基本概念裂变率计算热源需要的几个基本概念裂变率R 为裂变率为裂变率微观裂变截面微观裂变截面假设有一束单向均匀平行的假设有一束单向均匀平行的单能中子束单能中子束，其强度为，其强度为I，垂直入射到一个具有，垂直入射到一个具有单位面位面积的的薄靶薄靶上，靶的厚上，靶的厚度度为x,靶片内靶片内单位体位体积中的原子数是中的原子数是N。在靶后。在靶后测得的中子束得的中子束强强度是度是I，那么，那么I-I=I其其绝对值就等于与就等于与靶核靶核发生作用的中子数。生作用的中子数。实验表明表明：在靶面：在靶面积不不变的情况下，的情况下，I正比于中子正比于中子束束强强度度I，靶厚度，靶厚度x和靶的核密度和靶的核密度N，即，即I=-I N x式中：式中：为比例常数，称比例常数，称为微微观截面，它与靶核的性截面，它与靶核的性质和中子的能量有关。和中子的能量有关。*微观裂变截面12微观裂变截面假设有一束单向均匀平行的单能中子束，其强度为微观裂变截面假设有一束单向均匀平行的单能中子束，其强度为I，*微观裂变截面13微观裂变截面微观裂变截面n微观裂变截面表示的是平均一个入射中子与一个可裂微观裂变截面表示的是平均一个入射中子与一个可裂变核相互作用的变核相互作用的几率几率大小的一种度量，具有面积的量大小的一种度量，具有面积的量纲，通常用纲，通常用b（靶恩）作为单位，（靶恩）作为单位，1b=10-24cm2。材料裂变截面sf/b233U531235U582239Pu7430.0253eV中子的裂变截面中子的裂变截面 *微观裂变截面微观裂变截面13微观裂变截面微观裂变截面表示的是平均一个入微观裂变截面微观裂变截面表示的是平均一个入*基本概念14计算热源需要的几个基本概念计算热源需要的几个基本概念n裂变率裂变率n核子密度核子密度q在单位体积燃料内，在单位体积燃料内，易裂变核的数量易裂变核的数量 常数A00=6.0221023 mol-1Mu是UO2的摩尔质量C5是该核素的丰度 富集度是富集度是235U在铀中的质量数之比在铀中的质量数之比 丰度是同位素丰度是同位素235U和和U原子数之比原子数之比*基本概念基本概念14计算热源需要的几个基本概念裂变率常数计算热源需要的几个基本概念裂变率常数A00=6*基本概念15体积释热率体积释热率n裂变率裂变率n核子密度核子密度n体积释热率体积释热率q在单位时间单位体积燃料内释放的在单位时间单位体积燃料内释放的热量热量 Ef是每次裂变释放的能量是每次裂变释放的能量Fu是燃料内释热占全部释热的份额是燃料内释热占全部释热的份额 *基本概念基本概念15体积释热率裂变率体积释热率裂变率Ef是每次裂变释放的能量是每次裂变释放的能量*热源16热功率热功率n裂变率裂变率n核子密度核子密度n体积释热率体积释热率n堆芯燃料内总热功率堆芯燃料内总热功率*热源热源16热功率裂变率热功率裂变率*热源17热功率热功率n裂变率裂变率n核子密度核子密度n体积释热率体积释热率n堆芯燃料内总热功率堆芯燃料内总热功率n反应堆总热功率反应堆总热功率*热源热源17热功率裂变率热功率裂变率*均匀堆18均匀堆释热率分布均匀堆释热率分布 几何形状几何形状坐坐标热中子通量密度分布中子通量密度分布厚度厚度为a无限平无限平板板x边长为a,b,c的的长方体方体x,y,z半径半径为R的球体的球体 r半径半径为R，高度，高度为L的的圆柱体柱体r,z*均匀堆均匀堆18均匀堆释热率分布均匀堆释热率分布 几何形状坐标热中子通量密度分布几何形状坐标热中子通量密度分布*贝塞尔函数19第一类贝塞尔函数第一类贝塞尔函数 J0（x）:0阶第一类贝塞尔函数阶第一类贝塞尔函数 图形像衰减的余弦曲线图形像衰减的余弦曲线*贝塞尔函数贝塞尔函数19第一类贝塞尔函数第一类贝塞尔函数 J*圆柱堆20圆柱形堆芯圆柱形堆芯 Re为外推半径，Le为外推高度 *圆柱堆圆柱堆20圆柱形堆芯圆柱形堆芯 Re为外推半径，为外推半径，Le为外推高度为外推高度*功率展平21功率展平问题功率展平问题让堆芯内最大的体积释热率与平均体积释热率的比值尽可能小让堆芯内最大的体积释热率与平均体积释热率的比值尽可能小让堆芯内最大的体积释热率与平均体积释热率的比值尽可能小让堆芯内最大的体积释热率与平均体积释热率的比值尽可能小反应堆的功率输出是由传反应堆的功率输出是由传反应堆的功率输出是由传反应堆的功率输出是由传热能力来决定的，因此热能力来决定的，因此热能力来决定的，因此热能力来决定的，因此局局局局部的功率峰值部的功率峰值部的功率峰值部的功率峰值会限制整个会限制整个会限制整个会限制整个反应堆的输出功率。反应堆的输出功率。反应堆的输出功率。反应堆的输出功率。*功率展平功率展平21功率展平问题让堆芯内最大的体积释热率与平均体积功率展平问题让堆芯内最大的体积释热率与平均体积*功率展平22方法一：燃料分区装载方法一：燃料分区装载*功率展平功率展平22方法一：燃料分区装载方法一：燃料分区装载*功率展平23方法二：合理布置控制棒（轴向）方法二：合理布置控制棒（轴向）控制棒：控制棒：停堆棒、调节棒和补偿棒 *功率展平功率展平23方法二：合理布置控制棒（轴向）控制棒：停堆棒、方法二：合理布置控制棒（轴向）控制棒：停堆棒、*功率展平24方法二：合理布置控制棒（径向）方法二：合理布置控制棒（径向）*功率展平功率展平24方法二：合理布置控制棒（径向）方法二：合理布置控制棒（径向）*余热25停堆后反应堆的功率停堆后反应堆的功率 n主要由主要由q缓发中子引起的裂变反应缓发中子引起的裂变反应q裂变产物的衰变裂变产物的衰变q其它材料的中子俘获其它材料的中子俘获Glasstone关系式 *余热余热25停堆后反应堆的功率停堆后反应堆的功率 主要由主要由Glasstone关系式关系式*余热26Glasstone关系式*余热余热26Glasstone关系式关系式*余热27ANS和和Glasstone比较比较*余热余热27ANS和和Glasstone比较比较*小结28小结小结n热源热源计算计算问题问题q体积释热率体积释热率n裂变率（宏观截面和微观截面）裂变率（宏观截面和微观截面）n核子密度（丰度和富集度）核子密度（丰度和富集度）q功率展平功率展平q停堆后发热（余热）停堆后发热（余热）*小结小结28小结热源计算问题小结热源计算问题*核燃料29习题习题1 假设堆芯内所含燃料是富集度假设堆芯内所含燃料是富集度3.4%的的UO2，慢化剂为，慢化剂为H2O,慢化剂平均温度为慢化剂平均温度为300，并且假设中子是全部热能化的，在整个中子并且假设中子是全部热能化的，在整个中子能谱范围内都适用能谱范围内都适用1/v定律。定律。试计算中子注试计算中子注量率为量率为21013 1/（cm2s）处燃料元件内的）处燃料元件内的体积释热率。体积释热率。2 保守估保守估算一座算一座100万千瓦电万千瓦电功率的功率的反应堆反应堆停停堆一天后堆芯堆一天后堆芯的的发热功率。发热功率。*核燃料核燃料29习题习题1 假设堆芯内所含燃料是富集度假设堆芯内所含燃料是富集度3.4%的的U
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