Geum.ru

Программа дисциплины сдм. Ф4 Ядерные реакции и реакторы для студентов специальности 010700 «Физика ядра и элементарных частиц» направления

Вид материалаПрограмма дисциплины

Содержание


Программа дисциплины
1. Цели и задачи дисциплины.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
3. Содержание дисциплины
3.2. Практические и семинарские занятия
3.3. Лабораторный практикум
3.6. Самостоятельная работа
4.1. Рекомендуемая литература
4.1.2. Дополнительная литература
Подобный материал:

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию



ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИАТЭ)
УТВЕРЖДАЮ




Проректор по учебной работе


С.Б. Бурухин





“______”____________ 200__ г.



ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ


СДМ.Ф4 ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И РЕАКТОРЫ


для студентов специальности 010700 «Физика ядра и элементарных частиц»

направления 010700 «Физика»


Форма обучения: очная


Объем дисциплины и виды учебной работы по очной форме в соответствии с учебным планом


Вид учебной работы
Всего часов
Семестры







10
11






Общая трудоемкость дисциплины
119
86
33






Аудиторные занятия
51
36
15






Лекции
46
36
10






Практические занятия и семинары
5



5






Лабораторные работы















Курсовой проект (работа)















Самостоятельная работа
68
50
18






Расчетно-графические работы















Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
зач
зач.
зач







Обнинск 2008

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 010700 Физика


Программу составил:


___________________ В.В.Артисюк, доктор технических наук


Программа рассмотрена на заседании кафедры Общей и Специальной Физики (протокол № ____ от ____.____.200___ г.)


Заведующий кафедрой

Общей и Специальной Физики


___________________ проф. Ю.А.Коровин


“____”_____________ 200__ г.


СОГЛАСОВАНО


Начальник Учебно – методического управления


___________________ Ю.Д. Соколова
Декан

факультета Естественных Наук


___________________ Н.Б. Эпштейн


“____”_____________ 200__ г.



1. Цели и задачи дисциплины.


Основными целями изучения являются ознакомление с моделями ядерных реакций, особенностями сечений ядерных реакций и изучение принципов работы реакторов на основе реакций делении и синтеза.


2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.


В результате изучения дисциплины студент должен

знать: современные представления о теории ядерных реакций

уметь: по известным табулированным характеристикам ядер и частиц

производить оценки возможностей протекания реакций

иметь навыки: расчета основных характеристик реакторов с помощью

компьютерных программ


3. Содержание дисциплины


В структуре дисциплины выделяются три блока. Первый посвящен теории ядерных реакций, характерных для процессов, происходящих в ядерных реакторах деления и синтеза. Второй- вопросам выбора конструкций ядерных реакторов, вытекающих из особенностей поведения сечений соответствующих ядерных реакций. Третий- блок имеет практический акцент на определение основных характеристик реакторов с помощью современных компьютерных программ.


3.1. Лекции


№ Раздела
Содержание раздела
Трудо емкость:


(часов)

1. Важнейшие концепции ядерной физики.

(10 семестр)
Обзор ядерных реакций:

радиоактивный распад, Резерфордовское рассеяние альфа-частиц, открытие протона;

открытие нейтрона, производство искусственных радиоактивных изотопов с помощью нейтронов, открытие трансуранов и реакции деления.


Структура ядра и энергия связи. Энергия связи нуклонов (на примере альфа-частицы) и частиц (на примере продуктов альфа-распада ядра урана). Удельная энергии связи: тенденция к синтезу для легких ядер и к делению для тяжелых.


Величина Q- энергетический выход реакции. Расчет Q для:

распада тяжелых ядер (торий, уран, трансураны),

распада легких ядер (на примере бериллия),

(α,n)-реакции на ядрах кислорода.


Обзор ядерных моделей:

Модель жидкой капли, формула Вайцзеккера.

Модель Ферми-газа: потенциальная яма для нейтронов и протонов, число состояний, импульс, соответствующий энергии Ферми, вид ядерного потенциала, понятие о потенциальном рассеянии.

Оболочечная модель: выбор потенциала, заполнение уровней на примере потенциала гармонического осциллятора, учет спин-орбитального взаимодействия, заполнение оболочек и объяснение «магических» чисел.

Энергия отделения последнего нуклона на примере отделения нейтрона для изотопов криптона и ксенона.

Энергия альфа распада вблизи тяжелых магических ядер.


Особенности энергетических состояний ядер: область связанных состояний, резонансная область, статистическая область; межуровниевое расстояние и ширина уровня, соотношения между ними, типичные энергии.

Энергетический диапазон частиц характерный для физики ядерных реакторов.


Законы сохранения в ядерных реакциях.
6

2.Элементарная кинематика ядерных реакций
Нерелятивистская кинематика в L и C системах. Связь между энергией частицы в L и C системах. Энергия возбуждения ядра. Энергетические диаграммы для экзо- и эндотермических реакций. Пример (α,n)-реакции на изотопах кислорода.

Порог эндотермической реакции. Пример пороговых реакций:

(α,,n)-реакции на примере ядер 16O, 17О и 18О.


2

3.Модели ядерных реакций.
Классификация ядерных реакций по числу столкновений с нуклонами ядра:

Потенциальное рассеяние, механизм составного ядра, прямые реакции.

Классификация ядерных реакций по времени протекания реакций.

Равновесные и предравновесные реакции.


Угловое и энергетическое распределение вылетающих частиц в равновесных и предравновесных реакциях.

2

4.Сечения ядерных реакций
Определение, особенности измерения и физический смысл сечения ядерной реакции. Микроскопическое и макроскопическое сечение.

Иерархия сечений: сечения рассеяния и поглощения. Макроскопическое сечение взаимодействия для гетерогенной среды. Микроскопическое сечение в случае молекулярной связи. Дифференциальные и дважды дифференциальные сечения рассеяния.
2

4. Квантово-механическое описание взаимодействий.
Потенциальное рассеяние. Метод парциальных волн. Геометрическое сечение.

Нестационарное уравнение Шредингера с возмущенным гамильтонианом. «Золотое правило» Ферми. Выражение для сечения реакции на основе «золотого правила». Энергетическая зависимость сечений упругого рассеяния, экзотермической (пример деления), эндотермической (неупругое рассеяния) реакций при малых энергиях.


4

5. Механизм составного ядра
Гипотеза Бора о независимости каналов распада от условий образования составного ядра. Экспериментальные свидетельства в пользу данной модели: открытие короткоживущего изотопа 13N и поведение сечений из экспериментов Гошала. Зависимость математического формализма от энергии возбуждения.

Формализм Брейта-Вигнера для сравнительно низких энергий возбуждения. Вероятность распада возбужденных состояний в терминах ширины уровня. Принцип детального равновесия для описания сечения образования составного ядра.

Формула Брейта-Вигнера для сечения вблизи резонанса.

Формализм статистической модели. Реакции в области энергий 10-100 МэВ с выходом нейтронов и легких заряженных частиц
4

6. Деление тяжелых ядер
История открытия. Механизм реакции деления на основе представлений Бора Уилера, критическая энергия деления, классификация нуклидов по их способности к делению. Спонтанное деление. Синтез сверхтяжелых ядер. Остров стабильности.

Энергия деления. Число и спектры мгновенных и запаздывающих нейтронов деления. Возможность цепной реакции деления..

Двугорбая кривая выхода продуктов деления.
4

7. Принцип работы реактора деления

Нейтронные сечения для 235U, 238U, 12C в области от тепловой энергии до 20 МэВ. Необходимость замедления нейтронов деления. Механизмы замедления. Преимущество гетерогенного размещения топлива.

Нейтронный цикл от рождения до поглощения. Формула 4-х и 6-ти сомножителей. Эффективный коэффициент размножения нейтронов.

Число нейтронов на акт поглощения в топливе как функция энергии. Возможность бридинга.

Понятие о кинетике ядерного реактора.

Спектр нейтронов в реакторе. Усредненные сечения. Классификация ядерных реакторов по нейтронному спектру.

6

8. Современные тенденции развития реакторов деления.
Основные элементы конструкции ядерного энергетического реактора на примере легко-водного реактора. Характерные теплофизические параметры. Глубина выгорания топлива. Особенности использования MOX-топлива.


Быстрые реакторы с жидкометаллическим теплоносителем.


Высокотемпературные газовые реакторы.


Подкритические ядерно-энергетические системы.
4

9.Реакторы синтеза
Обзор реакций синтеза. Энергетический выход реакций синтеза. Критерий Лоусона. Способы удержания плазмы магнитное инерционное.

Синергизм реакций синтеза. Топливные циклы. Производство трития. Необходимость бланкета. Конструкции бланкета на примере ITER. Особенности энерговыделения и теплосъема в бланкете.

Спектры нейтронов в реакторе синтеза. Радиационная стойкость материалов.

2

10. Физическая теория ядерных реакторов.

(11 семестр)
Газокинетическая теория переноса нейтронов. Приближения теории переноса- транспортное и диффузионное. Односкоростное и много-групповое приближения. Моделирование переноса нейтронов методом Монте-Карло. Определение критических параметров.


Кинетика ядерных реакторов. Реактивность. Точечное приближение. Температурный и пустотный эффекты реактивности. Выгорание топлива. Влияние выгорания на реактивность и эффекты реактивности.


Современные программные комплексы для расчета реакторов (SCALE-Standardized Computer Analysis for Licensing Evaluation). Расчет ячейки реактора: критичность и выгорание топлива.
6

11.Физические принципы самодостаточной ядерно-энергетической системы.
Проблема радиоактивных отходов. Долговременный риск и токсичность отработанного топлива. Классификация отходов. Физические принципы трансмутации отходов. Реакторы-трасмьютеры отходов на основе реакций глубокого расщепления, реакций деления и реакций синтеза. Много-компонентная безотходная ядерно-энергетическая система.
2

12. Топливные циклы ядерной энергетики с повышенной защищенность против распространения
Физические основы проблемы нераспространения. Особенности развития цепной реакции в гипотетическом взрывном устройстве. Ствольный и имплозийный типы устройств. Барьеры против распространения: массовый и радиационный. Формирование защищенных топливных циклов.
2


3.2. Практические и семинарские занятия


Раздел(ы)
Тема практического или семинарского занятия
Литература
Число часов

10
Определение критмассы с отражателем и без для урановых и плутониевых изотопов
Описание програмного комплекса SCALE
1

10
Расчет нейтронно-физических характеристик бланкета термоядерного реактора
Описание програмного комплекса SCALE
1

10
Расчет нейтроно-физических характеристик водо-водяного реактора в приближении ячейки
Описание програмного комплекса SCALE
2

10
Расчет выгорание топлива

Описание програмного комплекса SCALE
1


3.3. Лабораторный практикум


Не предусмотрен


3.4. Курсовые проекты (работы)


Не предусмотрены


3.5. Формы текущего контроля



Раздел(ы)
Форма контроля
Неделя

все
Еженедельный контроль по закреплению лекционного материала (тест на 5 минут в начале лекционного занятия по материалу прошлой лекции)
все



3.6. Самостоятельная работа

  1. Элементарная кинематика ядерных реакций. Литература: Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика, т 1.

(контроль по результатам самостоятельной работы на определение порогов

ядерных реакций).

2. Анализ нейтронных сечений изотопов входящих в состав топлива и

конструкционных материалов ядерных реакторов. Источники: данные сайтов

центров ядерных данных, доступных в Интернете (например, Nuclear Data

Center at Japan Atomic Energy Agency). Контроль: реферат.


4.1. Рекомендуемая литература


4.1.1. Основная литература
  1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика, т.1,2. М., Энергоатомиздат, 1993. (имеется в библиотеке ИАТЭ – 145 экз.)
  2. Широков Ю.М., Юдин Н.П.,Ядерная физика, М., Наука, 1980 (имеется в библиотеке ИАТЭ – 6 экз.)
  3. А.Вейнберг, Е.Вигнер, Физическая теория ядерных реакторов М.: Изд-во Иностранной литературы, 1961 (имеется в библиотеке ИАТЭ – 6 экз.)
  4. Белл Д., Глесстон С., Теория ядерных реакторов, М. Атомиздат, 1974 (имеется в библиотеке ИАТЭ – 10 экз.)
  5. Казанский Ю.А., Матусевич Е.С., Экспериментальная физика ядерных реакторов, М.Энергоиздат 1994 (имеется в библиотеке ИАТЭ – 200 экз.)
  6. Уолтер А., Рейнольдс А., Реакторы размножители на быстрых нейтронах, Энергоатомиздат, 1986 (имеется в библиотеке ИАТЭ – 6 экз.)


4.1.2. Дополнительная литература

    1. Feschbach H., Theoretical Nuclear Physics, 1992. New York, USA: Wiley (1992)
    2. Segre E., Nuclei and particles, Benjamin Inc., 1977
    3. Atzeni S., J.Meyer-Ter-Vehn, The physics of inertial fusion, Clarendon Press-Oxford
    4. Greenwood L., Neutron interactions and atomic recoil spectra, Journal of Nuclear Materials, 216 (1994) 29-44
    5. SCALE-Standardized Computer Analysis for Licensing Evaluation, Manual


4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины


Компьютерная программа SCALE, имеющаяся в ИАТЭ на основании договора с

Оак-Риджской Национальной Лаборатории (США).


5. Материально-техническое обеспечение дисциплины


Компьютерный класс кафедры Общей и Специальной Физики