超临界水中子散射的Nelkin模型修正方法研究

摘要

超临界水堆作为第四代堆型之一，具有热效率高、经济性好等特点，但也面临着一系列的问题，其中中子在超临界水堆中的散射行为研究是急需解决的一个关键问题。在目前的核反应堆工程研究领域中，Nelkin模型是中子在水中的热化处理方面应用较为成熟的一种模型。但在超临界状态下，由于温度升高使氢原子热运动增强，水的四面体结构缺陷增加，氢键的平均寿命显著缩短。氢键的这些变化对水分子的平移、转动、振动都会产生影响，从而影响散射截面的精确计算。论文工作经过推导分析，发现Nelkin模型散射截面表达式本身与水分子的结构变化没有直接的关系，但其相关经验参数与水分子所处环境的温度、压力相关。
　　超临界水堆目前的设计运行工况为压力不高于25MPa，出口温度在400～650摄氏度之间，论文工作结合国际上对这个温度、压力范围下超临界水的拉曼谱的研究成果进行分析，得到Nelkin模型中超临界水分子相应的平移、受阻转动和振动经验参数。通过编写Fortran程序，实现对Nelkin模型的数值求解，计算出常温常压、1eV以下的中子与水的散射截面数据，利用NJOY程序计算相同条件下的截面数据进行对比，结果证明论文工作对Nelkin模型的数值求解方法和程序正确可靠。随后将与氢键影响相关的多组超临界态下(673K、256bar)参数带入程序计算，所得的不同组之间总散射截面值的偏差较小。由于无论是氢键断裂影响下的能量参数还是所有氢键都存在情况下的能量参数，最终反应到散射截面数值上时，是一个宏观的效应。因此，对多组参数求平均后再带入程序计算得到该超临界态下的中子在水中的散射截面。
　　将得到的超临界态下的中子在水中的散射截面与常温常压下的散射截面以及常见压水堆工况下(600K、15bar)的散射截面值进行对比，结果表明，在入射中子能量高于0.1eV时，结果之间偏差较小;在入射中子能量低于0.1eV的范围内，超临界态下的结果与常温常压下的结果偏差较大，但与常见压水堆工况下的结果偏差较小，分析其原因，是由于在接近冷中子的能量区间内，温度T的升高，使得中子散射截面随能量减小而增大的变化率增加。
　　综上，超临界态下的中子散射截面值相对于亚临界态下的变化，主要是由于氢键断裂后对平移、转动和振动等能量的影响以及温度T升高综合作用的结果。论文工作对Nelkin模型的修正工作正是从这方面入手进行分析，初步得到了超临界态下中子在水中的散射截面。论文工作的开展对研究中子在超临界水堆研究中核数据库的更新工作做了的铺垫，对超临界水堆相关研究也具有积极的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 Nelkin模型概述

1．4 主要研究内容

第2章 热中子散射研究理论基础

2．1 引言

2．2 散射过程中的动量与能量关系

2．3 双微分散射截面

2．3．1 束缚核对中子的散射

2．3．2 散射截面

2．4 散射截面的近似处理

2．5 本章小结

第3章 Nelkin模型修正

3．1 引言

3．2 水分子的运动

3．3 超临界水分子结构特性

3．4 超临界水的Nelkin近似处理

3．4．1 平移运动近似

3．4．2 受阻旋转近似

3．4．3 振动近似

3．5 Nelkin散射截面表达式

3．6 本章小结

第4章 超临界水的Nelkin模型截面计算

4．1 引言

4．2 Nelkin散射截面计算

4．3 计算结果分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢