核反应堆复习题目.doc
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1、第一章1.某压水堆采用做燃料,其富集度为2.43%(重量),密度为1,试计算:当中子能量为0.0253eV时,的宏观吸收截面和宏观裂变截面(富集度表示在铀中所占的重量百分比)。解:在中子能量为0.0253eV时, =680.9b =583.5b =2.7b =0.00027b 以表示富集铀内U-235与U-238核子数之比,表示富集度,则有: =0.0246 =235+238(1-)+162=269.9 所以, 2.某反应堆堆芯由U-235,和组成,各元素所占体积比例分别为0.002,0.6和0.398,计算堆芯的总吸收截面(E=0.0253eV)。解:由18页表1-3查得,0.0253eV时
2、 由289页附录3查得,0.0253eV时:可得天然U核子数密度则纯U-235的宏观吸收截面:总的宏观吸收截面:解:当中子能量为0.0253eV时, , ,易知, 【】 3.求热中子()在和中运动时,被吸收前平均遭受散射碰撞次数。 解:热中子在介质中运动, 吸收前的碰撞次数= 从产生点到吸收点穿过的平均路程每两次散射穿过的平均路程 4.试比较:将2.0 的中子束强度减弱到分别所需的和的厚度。 解:窄束衰减规律: 在以内,铝、钠、铅的吸收截面满足定律与吸收截面不同的是,在以内,散射截面基本不变 分别求的:如果不考虑散射导致的束流损失,只考虑吸收损失: 这样的结果显然是低估了散射使得束流偏移导致
3、的束流损失,同时也说明窄射束衰减中散射效应对束流损失的较大贡献。5.一个中子运动两个平均自由程以及个平均自由程而不与介质发生作用的概率分别是多?少?解: 就是一个中子穿过长的路程仍未发生核反应的概率 当为两个平均自由程时 当为个平均自由程时 6.堆芯的宏观裂变截面为,功率密度为,求堆芯的平均热中子通量密度。 解: 7.有一座小型核电站,电功率为150,设电站的效率为30%,试估算该电站反应堆额定功率运行1h所消耗的量。 解: 由题意可知: 每个裂变所释放的能量为: 则运行1h,发生裂变的数为: 对于 ,俘获裂变比为:=0.169 8. 有一座热中子反应堆,无限增值因数为1.10,快中子增值系数
4、逃脱共振俘获概率和热中子利用系数三者的乘积为0.65,试确定该堆所用核燃料铀的富集度。 解:由于 又 富集度: 9.设燃料中的富集度为:3.2%(重量),试求其和的核子数之比。 解: 10.为使铀的,试求铀中的富集度应为多少?(设中子的能量为)。解:由18页表1-3查得,0.0253eV时:由定义易得:为使铀的1.7, 富集度11.为了得到的能量,需要使多少发生裂变? 解: = 单次所释放出来的能量为: 则,发生裂变的的数目为: 质量为: 12.反应堆的电功率为1000,设电站的效率为,试问每秒有多少个核发生裂变?运行一年共需要消耗多少易裂变物质?一座相同功率火电厂在同样时间需要多少燃料?已
5、经标准煤的发热值为。 解: 每秒钟发出的热量: 每秒钟裂变的: 运行一年的裂变的: 消耗的质量: 需要的煤: 13. 一核电站以富集度20%的U-235为燃料,热功率900MW,年负荷因子(实际年发电量/额定年发电量)为0.85, U-235的俘获裂变比取0.169,试计算其一年消耗的核燃料质量。解:该电站一年释放出的总能量=对应总的裂变反应数=因为对核燃料而言:核燃料总的核反应次数=消耗的U-235质量=消耗的核燃料质量=14.某反应堆在额定功率500兆瓦下运行了31天后停堆,设每次裂变产生的裂变产物的放射性活度为1.0810-16t-1.2居里。此处t为裂变后的时间,单位为天,试估算停堆2
6、4小时堆内裂变产物的居里数。15、某压水堆的电功率为990MW,设电站的效率为32%,运行了三个月后停堆。试计算停堆后1分钟、1小时、10小时、1天、10天、1月后的衰变热。同样计算运行一年后停堆的情况。第二章1、 H和O在1000eV到1eV能量范围内的散射截面似为常数,分别为20b和38b.计算的以及在和中子从1000eV慢化到1eV所需要的碰撞次数。 解:不难得出,的散射截面与平均对数能降应有下列关系: 即 查附录3,可知平均对数能降:,代入计算得: 可得平均碰撞次数: 2设表示L系中速度速度的中子弹性散射后速度在附近内的概率。假定在C系中散射是各向同性的,求的表达式,并求一次碰撞后的平
7、均速度。 解: 由: 得: = 3456.在讨论中子热化时,认为热中子源项是从某给定分解能以上能区的中子,经过弹性散射慢化二来的。设慢化能谱服从分布,试求在氢介质内每秒每单位体积内由以上能区,(1)散射到能量为的单位能量间隔内之中子数;(2)散射到能量区间的中子数。 解:(1)由题意可知: 对于氢介质而言,一次碰撞就足以使中子越过中能区,可以认为宏观截面为常数: 在质心系下,利用各向同性散射函数:。已知,有: (这里有一个前提:)(2)利用上一问的结论: 7.某反应堆的堆芯由,和组成,各成分所占的体积比分别为:0.002,0.60和0.398,试计算堆芯的中子温度、热中子平均宏观吸收截面和热中
8、子利用系数。设堆芯是均匀的,介质温度为570K,堆芯的热中子能谱为麦克斯韦谱。解:已经的相关参数, 可得: 已知波尔兹曼常数,则: 查附录3,得热中子对应0.0253下, 对于吸收截面,由“”律: 由于散射截面基本不随温度发生变化, 则中子温度为: 热中子的平均吸收截面: 代入数据, 知: 则平均宏观吸收截面为: 则热中子利用系数:8.计算温度为535.5K,密度为的的热中子平均宏观吸收截面。 解:已经的相关参数,可得: 已知波尔兹曼常数,则: 查附录3,得热中子对应能量下,由“”:律: 中子温度: 对于这种“”介质,有: 所以:9.某裂变堆,快中子增殖因数1.05,逃脱共振俘获概率0.9,慢
9、化不泄漏概率0.952,扩散不泄漏概率0.94,有效裂变中子数1.335,热中子利用系数0.882,试计算其有效增殖因数和无限介质增殖因数。解: 无限介质增殖因数: 不泄漏概率:有效增殖因数:第三章1.有两束方向相反的平行热中子束射到的薄片上,设其上某点自左面入射的中子束强度为。自右面入射的中子束强度为。计算: (1)该点的中子通量密度; (2)该点的中子流密度; (3)设,求该点的吸收率。解:(1)中子通量密度为各方向中子束流强度值的总和由定义可知:(2)中子流强度为各方向中子束流强度的代数和(即中子净流量),取向右为正方向:可见其方向垂直于薄片表面向左。(3)2.设在处中子密度的分布函数是
10、 其中:为常数, 是与轴的夹角。求:(1) 中子总密度;(2) 与能量相关的中子通量密度;(3) 中子流密度。 解:由于此处中子密度只与与轴的夹角相关,不妨视为视角,定义在平面影上与轴的夹角为方向角,则有:(1) 根据定义: 可见,上式可积的前提应保证,则有: (2)令为中子质量,则 (等价性证明:如果不做坐标变换,则依据投影关系可得:则涉及角通量的、关于空间角的积分: 对比: 可知两种方法的等价性。)(3)根据定义式: 利用不定积分:(其中为正整数),则: 34试证明在中子通量密度为各向同性的一点上,沿任何方向的中子流密度。证明:在中子通量密度各向同性的点(无点源存在)上,沿各个方向的净中
11、子流密度,则由和和表达式有:5证明某表面上出射中子流,入射中子流和表面中子通量密度之间的关系式为。证明:假设表面中子通量在表面所分的两个半空间内分别各向同性,即当时,方向角内的中子通量为,当时,方向角内的中子通量为,则,故。6在某球形裸堆(R=0.5米)内中子通量密度分布为 . 试求: (1); (2)的表达式,设; (3)每秒从堆表面泄露的总中子数(假设外推距离很小,可略去不济)。解:(1)由中子通量密度的物理意义可知,必须满足有限、连续的条件 (2) 中子通量密度分布: (为径向单位矢量) (3)泄漏中子量=径向中子净流量球体表面积 中子流密度矢量: 仅于r有关,在给定r处各向同性 7.设
12、有一立方体反应堆,边长 中子通量密度分布为: 已知 试求: (1)的表达式; (2)从两端及侧面每秒泄露的中子数; (3)每秒被吸收的中子数(设外推距离很小,可略去)。 解:有必要将坐标原点取在立方体的几何中心,以保证中子通量始终为正。为简化表达式起见,不妨设。(1) 利用斐克定律: (2)先计算上端面的泄漏率: 同理可得,六个面上的总的泄漏率为: 其中,两端面的泄漏率为: 侧面的泄漏率为: (如果有同学把问题理解为“六个面”上的总的泄露,也不算错)(3)由,可得: 由于外推距离可忽略,只考虑堆体积内的吸收反应率: 8.圆柱体裸堆内中子通量密度分布为 其中,为反应堆的高度和半径(假定外推距离可
13、略去不计)。试求:(1) 径向和轴向的平均中子通量密度和最大中子通量密度之比;(2) 每秒从堆侧表面和两个端面泄露的中子数;(3) 设,反应堆功率为,求反应堆内的装载量。解:(1)轴向:最大中子通量在z0时取得,轴向平均中子通量密度与最大中子通量密度之比:径向:最大中子通量在r0处取得,径向平均中子通量密度与最大中子通量密度之比:其中:由贝塞尔函数表查得。(2)堆侧表面净中子流:堆侧表面泄漏中子数:上端面净中子流:上端面泄漏中子数:由对称性可知:下端面泄漏中子数为 。(3)假设在堆内燃料均匀分布,根据1J=3.1251010次235U核裂变所放出的能量,反应堆内单位时间总共发生的裂变反应数为
14、则 ,其中和分别为径向和轴向的平均中子通量密度与最大中子通量密度之比;单位体积堆芯的核数为,则堆内的总装量为: 9.试计算时的铍和石墨的扩散系数。 解:查附录3可得,对于的中子: 8.650.92593.850.9444对于: 同理可得,对于: 10.设某石墨介质内,热中子的微观吸收和散射截面分别为a=4.510-2靶和s=4.8靶。试计算石墨的热中子扩散长度L和吸收自由程a,比较两者数值大小,并说明其差异的原因。:1112.计算时水的热中子扩散长度和扩散系数。 解: 查79页表3-2可得,时:,由定义可知: 所以: 中子温度利用56页(2-81)式计算: 其中,介质吸收截面在中子能量等于
15、再利用“”律:(若认为其与在时的值相差不大,直接用热中子数据计算:这是一种近似结果)(另一种方法:查79页表3-2,利用293K时的平均宏观吸收截面与平均散射截面:(m-1)1 / (30.00160.676)= 308 (m-1)进而可得到Tn = 592 K) 利用57页的(2-88)式 13.如图3-15所示,在无限介质内有两个源强为,试求和点的中子通量密度和中子流密度。解:按图示定义平面坐标。OP2P1SSXYI+(P2)I-(P2)I+(P2)I-(P2)I+XI-XI-YI+Y假设该介质无吸收、无散射,则在P2点,来自左右两个点源的中子束流强度均为I+ = I- = S/4a2,可
16、知:在P1点,来自左右两个点源的中子束流强度均为,且其水平方向的投影分量恰好大小相等、方向相反,可得:其方向沿Y轴正向。若考虑介质对中子的吸收及散射,设总反应截面为,则上述结果变为: 14在半径为R的均匀球体中心,有一个各向同性的单位强度热中子源,介质的宏观吸收截面为。试分别求:(1)介质;(2)两种情况下球体内的中子通量密度分布和中子自球表面逃到真空的概率是多少?为什么这两者不同?解:(1)当介质时:中子通量:泄漏几率:(2)当介质时,采用球坐标,有如下的扩散方程:边界条件:(i),(d为外推距离);(ii);解法一:查表3-1得到通解为:,由边界条件(i)得:,则,由边界条件(ii)得:,
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