核反应堆物理分析教学大纲
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核反应堆物理分析课程设计课程设计目标:1. 理解核反应堆的基本物理原理和工作原理;2. 学习核反应堆中的热传导、中子传输以及反应堆动力学等物理过程;3. 掌握核反应堆参数的计算和分析方法;4. 了解核反应堆的安全与控制措施。
课程设计内容:1. 核反应堆的基本物理原理介绍- 核反应堆的发展历史及应用领域- 核反应堆的组成和工作原理- 核反应堆中的物理过程- 核燃料材料和反应堆材料2. 核反应堆中的热传导分析- 热传导基本理论及方程- 核反应堆中的热传导问题- 热工能量平衡方程的建立和求解- 核反应堆热工过程的优化分析3. 核反应堆中的中子传输分析- 中子传输基本理论及方程- 核反应堆中的中子传输问题- 中子输运方程的建立和求解- 反应堆中子传输过程的优化分析4. 反应堆动力学及稳态分析- 反应堆动力学的基本概念和方程- 反应堆的稳态分析方法- 反应堆动态过程分析- 反应堆动力学稳定性评估5. 反应堆参数计算与分析- 反应堆重要参数的计算方法- 反应堆参数与性能的关系分析- 反应堆参数计算与调整方法- 反应堆性能分析与优化6. 反应堆安全与控制措施- 反应堆事故及事故防范- 反应堆安全控制措施和安全设备- 反应堆安全分析方法和评估指标- 反应堆安全与环境保护关系课程设计要求:1. 学生要通过课程设计,掌握核反应堆物理分析的基本方法和工具;2. 学生要能够使用计算机模拟工具进行核反应堆物理分析;3. 学生要能够分析和评估核反应堆参数对反应堆性能的影响;4. 学生要了解核反应堆的安全与控制措施,能够进行反应堆事故的分析和预防。
一 题目设计一个带有反射层的球形堆,芯部半径为 R ,带有厚度为 T (包括外推距离)的反射层,根据含有反射层的单群扩散理论,解出在 T 取特定值时 R 的值,并定性说明 T 与 R 的关系。
反应堆材料 及参数如下堆芯材料:二氧化铀和水,水铀比为 3.5 ,热中子年龄为 40 ×10-4m 2 反射层材料:水二 设计内容1,带有反设层均匀裸堆的临界方程 )]coth(1[)]cot(1[rr r c C c L T L R D R B R B D +=- 2.参数的选择堆芯材料为二氧化铀和水,水铀比为 3.5,其中UO 2的富集度为3.5%,二氧化铀密度为10.42×103 kg/m 3,反射层中成分为水。
热中子年龄为th τ= 40 ×10-4m 2。
3.计算步骤已知UO 2的富集度为3.5%,密度为10.42×103 kg/m 3中,设以C 5表示富集铀内235U 的核子数与铀(235U+238U )的核子数之比,则ε=-⨯+⨯⨯))1(238235/(235555C C C代入ε=3.5%,可得C 5=,求得UO 2的分子量为892.269999.152)1(238235552=⨯+-+=C C M UO因而单位体积内UO 2的分子数为32823330103242.2892.26910022.6101042.10222-⨯=⨯⨯⨯⨯==m M N N UO UO UO ρ单位体积内235U ,238U 和氧的原子核密度为32855103242.203543.02-⨯⨯==m N C N UO3282858102419.2103242.2)03543.01()1(2-⨯=⨯⨯-=-=m N C N UO328280106484.4102342.2222-⨯=⨯⨯==m N N UO又在0.0253ev 时相关微观截面为bb b bUs U s O s H s 9.84.147.338238235,,,,====σσσσbb b bbUU U O H 07.25.5839.6801027332.0238235235,a ,f ,a 5-,a ,a ===⨯==σσσσσ则可得到1,12842828282828,a 33711.38092.6210107.2106484.4107.2102419.2109.680100823.022------=∑=⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=∑m m UO s UO 同理1,s 1,a 34522.222--=∑=∑mm O H O H 1,02.48235-=∑m U f已知水铀比为3.5,即V H20/V UO2=3.5,416.2=ν 则662.12.2)]15.3/(5.3[092.62)]15.3/(1[02.48)]15.3/(1[416.2af=⨯++⨯+⨯+⨯=∑∑=∞νK(1)在芯部中2741.0)(0=∑⨯∑=i i i N M N μ散射平均自由程m O H s uo s s s 003612.0)5.45.35.41/(1/122,,=∑⨯+∑⨯=∑=λ吸收平均自由程m O H a uo a 06441.0)5.45.35.41/(1/122,,a a =∑⨯+∑⨯=∑=λ而输运平均自由程m s tr 04976.02741.01003612.010=-=-=μλλ 芯部的热扩散系数m D trC 01658.03==λ扩散长度2tra 20001068.001658.006441.03m L =⨯==λλ徙动长度244221007.4110400001068.0m L M th --⨯=⨯+=+=τ对于修正单群理论,当临界时即K=1,则 244221001612.01007.4111/662.11/--∞⨯=⨯-=-=m M K K B c 即11270.0-=m B c(2)在反射层中,即水中散射平均自由程m OH s 3,a a 10899.2345/1/1/12-⨯==∑=∑=λ输运平均自由程m str 3102879.41-⨯=-=μλλ 吸收平均自由程m O H a 4505.0)/(1/12,a a =∑=∑=λ热扩散系数m D trr 310429.13-⨯==λ扩散长度23-tra 210×0.64963m L r ==λλ则=r L cm 549.2将以上需要用到的系数进行单位换算,并统一后得cmL cm D cm B cmD r r C C 549.21429.01270.01658.01====-将其代入带有反设层均匀裸堆的临界方程得)]549.2coth(549.21[1429.0)]1270.0cot(1270.01[1658.0TR R R +=-⨯4. 编程求解编写C 语言程序来求解上述超越方程在特定T 值下,R 的值。
核反应堆物理分析修订本教学大纲1. 课程概述本课程是关于核反应堆物理学的基础课程,旨在介绍核反应堆的基本结构、原理和运行方式,并深入探讨核反应堆中的物理过程及其影响因素。
本课程主要包括核反应堆物理分析的基础知识、反应堆动力学、热工水力学、安全与控制等方面的内容。
2. 课程目标本课程的主要目标是让学生掌握以下核反应堆物理分析的基础知识:1.掌握核反应堆的基本结构和原理,并了解核反应堆的不同类型及其特点;2.熟悉核反应堆中的核反应过程及其影响因素;3.掌握核反应堆反应动力学的基本理论;4.熟悉核反应堆热工水力学的基本理论;5.掌握核反应堆的安全与控制原理。
3. 授课方式本课程采用讲授与实践相结合的方式进行教学。
其中,讲授部分主要以讲解核反应堆物理分析的基础理论为主,实践部分则以实验等形式进行,通过实践来深化学生的理解与应用。
4. 课程内容4.1 核反应堆的基本结构和原理1.核反应堆的基本组成2.核反应堆的原理与分类3.核燃料的选用和制备4.2 核反应过程与影响因素1.核反应过程2.反应堆中的中子3.反应堆中的反应性4.反应堆中的吸收和散射5.反应堆中的截面4.3 核反应堆反应动力学1.反应堆动力学的基本概念2.反应堆动力学的数学模型3.反应堆反应率与反应性系数4.4 核反应堆热工水力学1.核反应堆中的热传递2.核反应堆的冷却剂3.核反应堆的热工水力学参数4.5 核反应堆的安全与控制1.核反应堆的安全控制原理2.核反应堆的事故防范3.核反应堆的紧急停堆措施5. 考核方式本课程的考核方式采用闭卷考试和实验报告两种方式。
其中,闭卷考试主要对学生对核反应堆物理分析的理论掌握程度进行考核,实验报告则主要考核学生在实践中的能力。
6. 参考资料1.K. O. Ott, W. A. Bezella, and J. J. Duderstadt,。
课程编号:828 课程名称:核反应堆物理分析一、考试的总体要求了解中子与原子核相互作用的机理、中子截面和核反应率的定义;非增殖介质内中子扩散方程的解;中子的弹性散射过程、扩散-年龄近似;双群扩散理论、多群扩散理论;栅格的非均匀效应;核燃料中重同位素成分随时间的变化;核燃料的转换与循环;可燃毒物控制、化学补偿控制。
掌握核裂变过程;单速中子扩散方程;无限均匀介质内中子的慢化能谱、均匀介质中的共振吸收;裂变产物中毒、反应性随时间的变化与燃耗深度;反应性温度系数;反应性控制的任务和方式。
熟练掌握多普勒效应;扩散长度;均匀裸堆的单群扩散方程及其解、热中子反应堆的临界条件、各种几何形状的裸堆的几何曲率和中子通量密度分布、反应堆曲率和临界计算、有反射层反应堆的单群扩散理论及计算;单根中心控制棒价值的计算;点堆动态方程、反应堆周期。
二、考试的内容及比例第一章核反应堆的核物理基础中子与原子核的相互作用,中子截面和核反应率,共振吸收(共振截面—单能级布勒特-魏格纳公式、多普勒效应),核裂变过程(裂变能量的释放、反应堆功率和中子通量密度的关系、裂变产物与裂变中子的发射),链式裂变反应。
第二章中子慢化和慢化能谱中子的弹性散射过程(弹性散射时能量的变化、弹性散射中子能量的分布、对数能降和平均对数能降增量、平均散射角余弦、慢化剂的选择、弹性慢化时间),无限均匀介质内中子的慢化能谱(无限均匀介质内中子的慢化方程、在含氢介质内的慢化、在A>1的无限介质内的慢化),均匀介质中的共振吸收(共振峰间距很大时的逃脱共振吸收几率、有效共振积分的近似计算、温度对共振吸收的影响),热中子能谱和热中子平均截面。
第三章中子扩散理论单能中子扩散方程(斐克定律、单能扩散方程的建立、扩散方程的边界条件、斐克定律和扩散理论的适用范围),非增殖介质内中子扩散方程的解,扩散长度、化慢长度、动长度。
第四章均匀反应堆的临界理论均匀裸堆的单群理论(均匀裸堆的单群扩散方程及其解、热中子反应堆的临界条件、各种几何形状的裸堆的几何曲率和中子通量密度分布、反应堆曲率和临界计算任务、单群理论的修正),有反射层反应堆的单群扩散理论(反射层的作用、一侧带有反射层的反应堆、反射层节省),中子通量密度分布不均匀系数和中子通量密度分布展平的概念。
微观截面:一个中子和一个靶核发生反应的几率。
宏观截面:一个中子和单位体积靶核发生反应的几率。
停堆周期:全部无控制毒物都投入反应堆内时所具有的反应性。
堆芯寿期:一个新装料堆芯从开始运行到有效增殖因数降到1时,反应堆满功率运行的时间。
反应堆周期:反应堆内平均中子密度变化e倍所需的时间。
剩余反应性:堆芯没有任何控制毒物时的反应性。
瞬发临界:反应堆仅依靠瞬发中子就能达到临界的状态。
瞬发超临界:反应堆仅依靠瞬发中子就能达到超临界的状态。
多普勒效应(展宽):共振吸收截面随温度展宽的现象。
菲克定律:中子流密度J与通量密度成正比。
控制棒微分价值:控制棒移动一步或单位距离所引起的反应性变化。
控制棒积分价值:控制棒从一参考位置移动到某一高度时,所引入的反应性。
控制棒的(反应性)价值:堆芯在有控制棒和没有控制棒时的反应性之差。
1、在热中子反应堆中为什么要使用慢化剂?慢化剂的工作原理是什么?并举出几种常用的慢化剂。
①反应堆内产生的中子能量相当高,其平均值约为2MeV;而微观裂变截面在热能区较大,热中子反应堆内的裂变反应基本上都是发生在这一能区,所以在热中子反应堆中使用慢化剂。
②在热中子反应堆中,慢化过程中弹性散射起主要作用,因为裂变中子经过与慢化剂和其他材料核的几次碰撞,中子能量便很快降低到非弹性散射的阈能一下,这是中子的慢化主要靠中子与慢化剂核的弹性散射进行。
③水、重水、石墨等。
2、缓发中子是如何产生的?在反应堆动力学分析计算中,份额不足1%的缓发中子与份额超过99%的瞬发中子相比是否可以忽略不计?为什么?①缓发中子是在裂变碎片衰变过程中发射出来的,占裂变中子的不到1%②缓发中子不可以忽略不计③缓发中子份额虽然很少,但它的发射时间较长,缓发效应大大增加了两代中子之间的平均时间间隔,从而滞缓了中子密度的变化率。
反应堆的控制实际上正是利用了缓发中子的作用才得以实现的。
3、解释碘坑现象和强迫停堆时间。
船用反应堆要求不能出现强迫停堆现象,请问在设计上应如何考虑。
“核反应堆物理分析”课程教学大纲
英文名称:Analysis of Nuclear Reactor Physics
课程编码:NUCL0006
学时:64学分:4
适用对象:核能专业本科
先修课程:核辐射物理基础
使用教材及参考书:
谢仲生主编,《核反应堆物理分析》,西安交大出版社,2004年
一、课程性质、目的和任务
“核反应堆物理分析”是核能专业区别于常规能源动力类专业的核心课程,是核工程与核技术专业的专业基础理论课程。
讲述的是中子核反应的基础理论和分析计算方法,讲述的内容主要包括中子与原子核的作用、中子慢化与扩散、核反应堆临界理论、反应性控制、核燃料循环与管理等。
“核反应堆物理分析”课程主要讲授核反应堆的基础理论知识,目的是培养学生具备从事核反应堆工程领域或相关工作的基础知识。
任务是让学生掌握核反应堆基础理论知识和基本原理。
二、教学基本要求
1.注重讲解物理概念,帮助学生正确理解抽象的知识。
2.培养学生的分析问题理解问题的能力,切实掌握所学知识。
3.达到全部理解并接受基本知识的目的。
三、教学内容及要求
第一章核反应堆的核物理基础
本章主要介绍学习本课程所必须具备的基础知识和基本概念,主要包括:中子与原子核的相互作用,中子截面和核反应率,共振吸收,核裂变过程,热中子能谱和链式裂变反应等。
第二章中子慢化和慢化能谱
本章主要讲述中子在慢化过程中的规律和相关知识,主要有:中子的弹性散射过程,无限均匀介质中子的慢化能谱,均匀介质中的共振吸收,热中子反应堆内能谱的近似分布与热中子的平均截面等。
第三章中子扩散理论
本章主要讲述中子在扩散过程中的规律和相关知识,具体包括:单能中子扩散方程,非增殖介质内中子扩散方程的解,扩散长度,与能量相关的中子扩散方程和分群扩散理论,扩散-年龄近似等。
第四章均匀反应堆的临近理论
本章主要介绍均匀反应堆的临界理论,具体包括:均匀裸堆的单群理论,有反射层的反应堆的单群扩散理论,双群扩散理论,多群扩散方程的数值解法等。
第五章栅格的非均匀效应与均匀化群常数的计算
本章主要介绍非均匀反应堆的非均匀效应和均匀化方法,具体包括:栅格的非均匀效应,栅格的均匀化处理,栅元均匀化群常数的计算,燃料组件内中子通量密度分布及少群常数的计算,非均匀栅格的共振吸收,栅格几何参数的选择等。
第六章反应性随时间的变化
本章主要讲述反应堆的反应性随时间的变化规律,主要内容为:燃料中重同位素成分随时间的变化,裂变产物中毒,反应性随时间的变化与燃耗深度,核燃料的转换与增殖等。
第七章温度效应与反应性控制
本章主要讲反应堆的温度效应和反应性,主要包括:反应性温度系数,反应性控制的任务和方式,控制棒控制,可燃毒物控制,化学补偿控制。
第八章核反应堆动力学
本章主要介绍核反应堆的点堆动力学知识,主要包括:不考虑缓发中子的核反应堆动力学,考虑缓发中子的核反应堆动力学,阶跃扰动时点堆模型动态方程的解,反应堆周期等。
第九章核燃料管理简介
本章简介核电厂反应堆燃料管理基本知识,具体有:多循环燃料管理,单循环燃料管理,堆芯换料设计的优化等。
四、实践环节
无
五、课内学时分配(按此表填写)
章内容参考学时1核反应堆的核物理基础6 2中子慢化和慢化能谱6 3中子扩散理论8 4均匀反应堆的临界理论10 5栅格的非均匀效应与均匀化群常数的计算6 6反应性随时间的变化6 7温度效应与反应性控制10 8核反应堆动力学4 9核燃料管理简介4
习题课5-9章习题讲解2
总复习2
大纲制定者:吴宏春执笔
大纲审定者:张斌
大纲批准者:
大纲校对者:。