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811反应堆物理强化冲刺卷

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2024年2月24日发(作者:卓恨蕊)

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

中国科技大学2018年攻读硕士学位研究生入学考试试题

强化冲刺卷汇编

例1 由材料组份→临界尺寸

2352353 有一由U和普通水均匀混合的实验用柱形热堆U浓度0.0145g/cm。用单群修正理 235论计算最小临界体积下的圆柱体积尺寸。已知:U对热中子的微观吸收截面为590靶,水的微观吸收截面为0.5822L8.1cm靶,η=2.065,热中子在水中扩散面积TM,M27cm2。

2323(2.405)2例1解:由圆柱堆结果可知H2,R0B2B2k1 由单群修正理论的临界方程:221MBk12B 可得:

M220

pf,由于无238U,p1

即:kf

(1)求:k其中:faFaFaMaFNFaFzaMNMaM则:aFz, 令z,则:f

aM1zFNAaFAF1.13

MNAaMAMf0.531,k1.0965

22(2)求:MTTLT

DT111DTM (sFT3s3(sFsM)3sMsM,NFNM)

2LDD2TTTMTTM3.84cm2

LTaaFaM1z

TDFDFMTM

FTFTM222ML30.84cm 则:

TTTk11.0965132B3.12910cm

M230.842

1

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

3(2.405)252.66cm 代入以上结果可得:H097.23cm,R22B

20例2 由临界尺寸→材料组份

由235U和石墨均匀混合而成的半径R100cm的均匀球形临界热堆,在100kW下235运行,求:(1)临界下的反应堆曲率;(2)U和石墨的临界质量之比MFTMM;(3)临界质量(4)k?(5)热中子通量。已知:2.065,aF580b,aM32fF503b,L2,TM368cm,石墨密度1.6g/cm.

TM3500cmT0.003b,222解:(1)B2BgBM()29.8596104cm2

R(2)由kpff,f2可得:MTL2TTTMz

1z122LTMTM(1f)LTM

1z 代入临界方程: 即k1

221MB1[TMf1

22(1f)LTM]B代入已知数据可解得:f0.8727

利用f的结果可解得:z6.856

MFTNAaFT利用:zaFVAF

TMaMTMNAaMVAM可得:MF6.94104

MM(3)MM(4)kMV6.6987103kg 则:MF4.65kg

1rf1.802

Rr) 其中:AP5.521018

24REff(5)通量:(r)Asin(

332352. UO2的密度为10.42×10kg/m,U的富集度ε=3%(重量百分比)。已知在0.0253eV时,

235238-4U的微观吸收截面为680.9b,U为2.7b,氧为2.7×10b,确定UO2的宏观吸收截面。

235解:设U 的个数:N

235166.0210232350.9716238UO2中O的质量:N2

232380.036.0210UO2中O的质量:2N20235N236.0210

U的质量:

0.03根据题意可解得:N7.058510

2

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

aN235Ua235UNOaON238Ua238U 0.5414/cm1

5.能量为1Mev通量密度为510中子/厘米·秒中子束射入C薄靶上,靶的面积为0.52

1212厘米、厚0.05厘米,中子束的横截面积为0.1厘米,1Mev中子与C作用的总截面(微2212观)为2.6靶,问(1)中子与靶核的相互作用率是多少?(2)中子束内一个中子与靶核作用的几率是多少?已知C的密度为1.6克/厘米。

312解:

ANA1.66.0210232.610240.2087(cm1)

12R0.2087510121.04351012(cm3s1)

WNV1.60.0052.610241.043103

126.021MW11.反应堆电功率为,设电站效率为32%。试问每秒有多少个U核发生裂变?运行一年共需要消耗多少易裂变物质?一座同功率火电厂在同样时间需要多少燃料?已知标准煤的发热值为Q29MJ/kg

裂变率=P102001.61013610001061910.329.7710(S)

132001.61023531.1691.40510(kg)

236.0210M9.7710193652436001000106对于煤:M0.3263652436003.398109(kg)

291013.设在无限大非增殖的扩散介内有二个点源,源强均为S中子/秒,二者相距2a厘米,如图所示。试求(1)P1点上的中子通量密度及中子流密度矢量(2)P2点上的中子通量密度及中子流密度矢量。

P2

a

S

a a

S

P1

(第13题图)

左边的源为1号源,右边的源为2号源

3

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

分别取源位置为坐标原点,则根据点源扩散方程可得:

SeL14Dr1r1

2Ser2L4Dr2a

解:(1)2个源在p1处产生的通量密度为:

SeSeSeL(p1)1(a)2(a)

4Da4Da2DaLLaa1号源在p1处产生的密度流失量为:

aa(1)eLdSLJ1(a)D1er1er1

2dr1ra4a2号源在p1处产生的密度流失量为:

aa(1)eLdSLJ2(a)D2er2er2

2dr2ra4a根据:erexcoseysin

er1ex

er2ex

则:

J(p1)J1(a)J2(a)0

S4De2aL(2)2个源在p2处产生的通量密度为:

(p2)1(2a)2(2a)SeL 2D2a1号源在p2处产生的密度流失量为:

J1(2a)Dd1dr12a2aS4De2aL2a

er1r2aS4(2a1)eL2a22aLer1

2号源在p2处产生的密度流失量为:

2a(1)edSLJ2(2a)D2er2dr2ra42a2根据:

erexcoseysin

2aLer2

4

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er11111exey

exey

er22222(2aL2a2)eSLJ(p2)J1(2a)J2(2a)42a2ey

14.设无限大均匀的非增殖介质内在X0处有一无限大平面中子源,每秒每平方厘米产XLSexp()、其生S个单速中子,试证明该介质内中子通量密度的稳定分布为X2DL中D为扩散系数, L为扩散长度。

解:

 对于x0

2221S2扩散方程为:22 其中:222

xyzLD根据题意可知,通量密度与y、z无关,扩散方程化为:

d210

(在x0处)

dx2L2xLxLAeAe此方程的通解为:

12由于在x时通量密度有界,故A20

当x0时,有源条件:limJ(x)1x0S

2利用斐克定律可得:A1 同理对于SLLSXexp() 即X2D2DL2DLx0可得:

XLSexp(X)

XLSexp()

2DLr综合起来得:

X15.某一半径为50cm的均匀球堆,堆内中子通量密度为51013sin0.0628r

中子/厘米2·秒,其中r为距离堆中心的距离,系统的扩散系数为0.80cm,计算(1)堆内通量密度的最大值是多少?(2)反应堆内任意一点的中子流密度矢量。(3)每秒从堆内泄漏出去的中子数为多少?

解:(1)堆内通量密度最大值在r0处,此时:

5100.06283.1410中子/厘米2·秒

5

1312

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(2)

J(r)D41013sin0.0628r0.0628rcos0.0628rerr2(中子/厘米2·秒)

(3)

NJ(r50)erdA1.581015(中子/秒)

P24RERfsinr其中P为反应堆的R,r17.证明半径为R的临界均匀球裸堆的通量密度分布为总功率,ER为每次裂变释放的能量。f为宏观裂变截面,r为离球心的距离。

扩散方程:12(r)B20

2rrrd2wB2w0 解:设:wr, 则圆方程变为:2dr 其通解为:wA1cosBrA2sinBr

cosBrsinBrA2

rr 则:A1 根据在r0时有界,可得:A10

sinBr

rR

则:A 根据(R)0 ,可得:B 根据功率条件,可得:

RPERfdVERfA4r2V0sinRdr

rr 解得:

PA4R2ERfP

4R2ERfVERfabsinRrr

18.证明长方体均匀裸堆的通量密度分布为3.87PcosXcosYcosZ, P为反应堆总c功率,V为反应堆体积。

222 解:扩散方程:(222)B20

xyz

6

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通过分离变量法,并考虑的对称性及在长方体边界处为零,可得:Acos( 根据功率条件,可得:PERfdVERfVax)cos(bAcos(Vax)cos(y)cos(z)

bcy)cos(cz)dxdydz

解得:A3.87P

3.87Pcos(x)cos(y)cos(z)

ERfVERfVabc22.由235U和Be均匀混合而成的半径为50cm的球形裸反应堆在50kW热功率上运行,利235用修正的一群理论计算:(1)应堆泄漏的中子数;(4)2(2)反应堆的热中子通量密度;(3)从反U的临界质量;235U的消耗率。热裂变因数、热吸收截面、热裂变截面见上题,22Be的热扩散面积LTM480cm,中子年龄TM102cm热扩散系数为0.50cm,热吸收T3截面aM0.082靶,密度0.85g/cm。

aF(1) 设:zaM 则:faFz

aMaF1zD1

L2D

L2TMa(1z)aM(1z)kpff

由临界方程,考虑修正的一群理可得:

k1k1B22MLTM2

z12(1z)即:

()

1R2LTMTM(1z)代入数据,可解得:z4.972

zNFNMTaFTaMF235

MTNAaM9MFFV8.03103g

TNAaF代入数据可得:

F0.0153(gcm3)

(2)

7

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NAfp1A2sin(r)4REffrR0.0153

6.0210235031024

23517.931012sin(0.0628r)211.97110(cm)rf(3)

JSdSD2dVp42D21.561014(s1)4REff

(4)燃耗率:

1.23p1.230.050.0615(gday)

(1)L2DD

(1f)(1f)L2TMaaM则:

M2(1f)L2TMTM

由临界方程,考虑修正的一群理可得:

kf1B2M21B2[(1f)L2TMTM]

即:

21B2L2TMBTMf0.8326

22BLTMTaFNFaF由:

f

TTaMaFNMaMNFaF可得:

NF3.93051019(cm3)

MF235NFV8.03103(g)

NA23523.由U和石墨均匀混合而成的立方体裸堆原子密度之比为NF1.0105,利用修正NM的一群理论计算:(1)临界尺寸;(2)临界质量;(3)当反应堆运行在1kw时最大热中子通量密度。235U及石墨的有关数据见题21。

(1)设:zaF 根据:NNA,可得:

aMANM1.651736.0210238.0251022(cm3)

NFNM1.0108.02510(cm)

12TNFaFz1.9667

TNMaM由临界方程,考虑修正的一群理论可得:

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k1k12B222 即:3()MLTMaz1(1z) 解得:a352.294(cm)

1L2TMTM(1z)(2)

MF235NFV1.370104(g)

NA3.87p6.852109(cm2s1)

VEff41(3)

fNFT4.036610(cm)

maxf25、设有一圆柱形铀-水栅格装置,R=0.50m,水位高度H=1.0m,设栅格参数为:k∞=--1.19,L2=6.6×104m2,τ=0.50×102m2。

(1)试求该装置的有效增殖因数keff

(2)当该装置恰好达到临界时,水位高度H等于多少?

(3)设某压水堆以该铀-水栅格作为芯部,堆芯的尺寸为R=1.66m,H=3.50m,若反射层节省估算为δr=0.07m,δH=0.1m。试求反应堆的初始反应性ρ0

(1)

2.40522)()RH

2.40523.142()()32.9957(m2)0.51.0B2(

KeffKPLK1.191.0027

2241MB156.61032.9957 (2)由临界方程: 解得:Hk1k2, 可得:B33.5689

1M21M2B20.972m

Rr,H0HH

22 (3)对于圆柱形反应堆R0 即:R0

B2(1.73(m)和H03.7(m)

2.405222.40523.142)()()()2.6528

RH1.733.7K1.19

K1.1724

2241MB156.6102.6528

K10.147

K27、一球壳形反应堆,内半径为R1,外半径为R2,如果球的内、外均为真空,求证单群理论的临界条件为:

tanBR1BR1

tanBR21BR1tanBR1 证明: 中子扩散方程为:2B20 方程通解为:A1cosBrA2sinBr

rr

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边界条件为:4rJ(r)

2rR10 (1)

(rR2)0 (2)

由条件(1)可得:

4[A1(BR1tgBR11)A2(BR1tgBR1)]0

由条件(2)可得:AcosBR2AsinBR20

12R2R2 消去A1和A2可得:tanBR2tanBR1BR1

1BR1tanBR1

10

2024年2月24日发(作者:卓恨蕊)

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

中国科技大学2018年攻读硕士学位研究生入学考试试题

强化冲刺卷汇编

例1 由材料组份→临界尺寸

2352353 有一由U和普通水均匀混合的实验用柱形热堆U浓度0.0145g/cm。用单群修正理 235论计算最小临界体积下的圆柱体积尺寸。已知:U对热中子的微观吸收截面为590靶,水的微观吸收截面为0.5822L8.1cm靶,η=2.065,热中子在水中扩散面积TM,M27cm2。

2323(2.405)2例1解:由圆柱堆结果可知H2,R0B2B2k1 由单群修正理论的临界方程:221MBk12B 可得:

M220

pf,由于无238U,p1

即:kf

(1)求:k其中:faFaFaMaFNFaFzaMNMaM则:aFz, 令z,则:f

aM1zFNAaFAF1.13

MNAaMAMf0.531,k1.0965

22(2)求:MTTLT

DT111DTM (sFT3s3(sFsM)3sMsM,NFNM)

2LDD2TTTMTTM3.84cm2

LTaaFaM1z

TDFDFMTM

FTFTM222ML30.84cm 则:

TTTk11.0965132B3.12910cm

M230.842

1

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

3(2.405)252.66cm 代入以上结果可得:H097.23cm,R22B

20例2 由临界尺寸→材料组份

由235U和石墨均匀混合而成的半径R100cm的均匀球形临界热堆,在100kW下235运行,求:(1)临界下的反应堆曲率;(2)U和石墨的临界质量之比MFTMM;(3)临界质量(4)k?(5)热中子通量。已知:2.065,aF580b,aM32fF503b,L2,TM368cm,石墨密度1.6g/cm.

TM3500cmT0.003b,222解:(1)B2BgBM()29.8596104cm2

R(2)由kpff,f2可得:MTL2TTTMz

1z122LTMTM(1f)LTM

1z 代入临界方程: 即k1

221MB1[TMf1

22(1f)LTM]B代入已知数据可解得:f0.8727

利用f的结果可解得:z6.856

MFTNAaFT利用:zaFVAF

TMaMTMNAaMVAM可得:MF6.94104

MM(3)MM(4)kMV6.6987103kg 则:MF4.65kg

1rf1.802

Rr) 其中:AP5.521018

24REff(5)通量:(r)Asin(

332352. UO2的密度为10.42×10kg/m,U的富集度ε=3%(重量百分比)。已知在0.0253eV时,

235238-4U的微观吸收截面为680.9b,U为2.7b,氧为2.7×10b,确定UO2的宏观吸收截面。

235解:设U 的个数:N

235166.0210232350.9716238UO2中O的质量:N2

232380.036.0210UO2中O的质量:2N20235N236.0210

U的质量:

0.03根据题意可解得:N7.058510

2

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

aN235Ua235UNOaON238Ua238U 0.5414/cm1

5.能量为1Mev通量密度为510中子/厘米·秒中子束射入C薄靶上,靶的面积为0.52

1212厘米、厚0.05厘米,中子束的横截面积为0.1厘米,1Mev中子与C作用的总截面(微2212观)为2.6靶,问(1)中子与靶核的相互作用率是多少?(2)中子束内一个中子与靶核作用的几率是多少?已知C的密度为1.6克/厘米。

312解:

ANA1.66.0210232.610240.2087(cm1)

12R0.2087510121.04351012(cm3s1)

WNV1.60.0052.610241.043103

126.021MW11.反应堆电功率为,设电站效率为32%。试问每秒有多少个U核发生裂变?运行一年共需要消耗多少易裂变物质?一座同功率火电厂在同样时间需要多少燃料?已知标准煤的发热值为Q29MJ/kg

裂变率=P102001.61013610001061910.329.7710(S)

132001.61023531.1691.40510(kg)

236.0210M9.7710193652436001000106对于煤:M0.3263652436003.398109(kg)

291013.设在无限大非增殖的扩散介内有二个点源,源强均为S中子/秒,二者相距2a厘米,如图所示。试求(1)P1点上的中子通量密度及中子流密度矢量(2)P2点上的中子通量密度及中子流密度矢量。

P2

a

S

a a

S

P1

(第13题图)

左边的源为1号源,右边的源为2号源

3

2018年全国攻读硕士学位研究生入学考试考研必备

分别取源位置为坐标原点,则根据点源扩散方程可得:

SeL14Dr1r1

2Ser2L4Dr2a

解:(1)2个源在p1处产生的通量密度为:

SeSeSeL(p1)1(a)2(a)

4Da4Da2DaLLaa1号源在p1处产生的密度流失量为:

aa(1)eLdSLJ1(a)D1er1er1

2dr1ra4a2号源在p1处产生的密度流失量为:

aa(1)eLdSLJ2(a)D2er2er2

2dr2ra4a根据:erexcoseysin

er1ex

er2ex

则:

J(p1)J1(a)J2(a)0

S4De2aL(2)2个源在p2处产生的通量密度为:

(p2)1(2a)2(2a)SeL 2D2a1号源在p2处产生的密度流失量为:

J1(2a)Dd1dr12a2aS4De2aL2a

er1r2aS4(2a1)eL2a22aLer1

2号源在p2处产生的密度流失量为:

2a(1)edSLJ2(2a)D2er2dr2ra42a2根据:

erexcoseysin

2aLer2

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er11111exey

exey

er22222(2aL2a2)eSLJ(p2)J1(2a)J2(2a)42a2ey

14.设无限大均匀的非增殖介质内在X0处有一无限大平面中子源,每秒每平方厘米产XLSexp()、其生S个单速中子,试证明该介质内中子通量密度的稳定分布为X2DL中D为扩散系数, L为扩散长度。

解:

 对于x0

2221S2扩散方程为:22 其中:222

xyzLD根据题意可知,通量密度与y、z无关,扩散方程化为:

d210

(在x0处)

dx2L2xLxLAeAe此方程的通解为:

12由于在x时通量密度有界,故A20

当x0时,有源条件:limJ(x)1x0S

2利用斐克定律可得:A1 同理对于SLLSXexp() 即X2D2DL2DLx0可得:

XLSexp(X)

XLSexp()

2DLr综合起来得:

X15.某一半径为50cm的均匀球堆,堆内中子通量密度为51013sin0.0628r

中子/厘米2·秒,其中r为距离堆中心的距离,系统的扩散系数为0.80cm,计算(1)堆内通量密度的最大值是多少?(2)反应堆内任意一点的中子流密度矢量。(3)每秒从堆内泄漏出去的中子数为多少?

解:(1)堆内通量密度最大值在r0处,此时:

5100.06283.1410中子/厘米2·秒

5

1312

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(2)

J(r)D41013sin0.0628r0.0628rcos0.0628rerr2(中子/厘米2·秒)

(3)

NJ(r50)erdA1.581015(中子/秒)

P24RERfsinr其中P为反应堆的R,r17.证明半径为R的临界均匀球裸堆的通量密度分布为总功率,ER为每次裂变释放的能量。f为宏观裂变截面,r为离球心的距离。

扩散方程:12(r)B20

2rrrd2wB2w0 解:设:wr, 则圆方程变为:2dr 其通解为:wA1cosBrA2sinBr

cosBrsinBrA2

rr 则:A1 根据在r0时有界,可得:A10

sinBr

rR

则:A 根据(R)0 ,可得:B 根据功率条件,可得:

RPERfdVERfA4r2V0sinRdr

rr 解得:

PA4R2ERfP

4R2ERfVERfabsinRrr

18.证明长方体均匀裸堆的通量密度分布为3.87PcosXcosYcosZ, P为反应堆总c功率,V为反应堆体积。

222 解:扩散方程:(222)B20

xyz

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通过分离变量法,并考虑的对称性及在长方体边界处为零,可得:Acos( 根据功率条件,可得:PERfdVERfVax)cos(bAcos(Vax)cos(y)cos(z)

bcy)cos(cz)dxdydz

解得:A3.87P

3.87Pcos(x)cos(y)cos(z)

ERfVERfVabc22.由235U和Be均匀混合而成的半径为50cm的球形裸反应堆在50kW热功率上运行,利235用修正的一群理论计算:(1)应堆泄漏的中子数;(4)2(2)反应堆的热中子通量密度;(3)从反U的临界质量;235U的消耗率。热裂变因数、热吸收截面、热裂变截面见上题,22Be的热扩散面积LTM480cm,中子年龄TM102cm热扩散系数为0.50cm,热吸收T3截面aM0.082靶,密度0.85g/cm。

aF(1) 设:zaM 则:faFz

aMaF1zD1

L2D

L2TMa(1z)aM(1z)kpff

由临界方程,考虑修正的一群理可得:

k1k1B22MLTM2

z12(1z)即:

()

1R2LTMTM(1z)代入数据,可解得:z4.972

zNFNMTaFTaMF235

MTNAaM9MFFV8.03103g

TNAaF代入数据可得:

F0.0153(gcm3)

(2)

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NAfp1A2sin(r)4REffrR0.0153

6.0210235031024

23517.931012sin(0.0628r)211.97110(cm)rf(3)

JSdSD2dVp42D21.561014(s1)4REff

(4)燃耗率:

1.23p1.230.050.0615(gday)

(1)L2DD

(1f)(1f)L2TMaaM则:

M2(1f)L2TMTM

由临界方程,考虑修正的一群理可得:

kf1B2M21B2[(1f)L2TMTM]

即:

21B2L2TMBTMf0.8326

22BLTMTaFNFaF由:

f

TTaMaFNMaMNFaF可得:

NF3.93051019(cm3)

MF235NFV8.03103(g)

NA23523.由U和石墨均匀混合而成的立方体裸堆原子密度之比为NF1.0105,利用修正NM的一群理论计算:(1)临界尺寸;(2)临界质量;(3)当反应堆运行在1kw时最大热中子通量密度。235U及石墨的有关数据见题21。

(1)设:zaF 根据:NNA,可得:

aMANM1.651736.0210238.0251022(cm3)

NFNM1.0108.02510(cm)

12TNFaFz1.9667

TNMaM由临界方程,考虑修正的一群理论可得:

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k1k12B222 即:3()MLTMaz1(1z) 解得:a352.294(cm)

1L2TMTM(1z)(2)

MF235NFV1.370104(g)

NA3.87p6.852109(cm2s1)

VEff41(3)

fNFT4.036610(cm)

maxf25、设有一圆柱形铀-水栅格装置,R=0.50m,水位高度H=1.0m,设栅格参数为:k∞=--1.19,L2=6.6×104m2,τ=0.50×102m2。

(1)试求该装置的有效增殖因数keff

(2)当该装置恰好达到临界时,水位高度H等于多少?

(3)设某压水堆以该铀-水栅格作为芯部,堆芯的尺寸为R=1.66m,H=3.50m,若反射层节省估算为δr=0.07m,δH=0.1m。试求反应堆的初始反应性ρ0

(1)

2.40522)()RH

2.40523.142()()32.9957(m2)0.51.0B2(

KeffKPLK1.191.0027

2241MB156.61032.9957 (2)由临界方程: 解得:Hk1k2, 可得:B33.5689

1M21M2B20.972m

Rr,H0HH

22 (3)对于圆柱形反应堆R0 即:R0

B2(1.73(m)和H03.7(m)

2.405222.40523.142)()()()2.6528

RH1.733.7K1.19

K1.1724

2241MB156.6102.6528

K10.147

K27、一球壳形反应堆,内半径为R1,外半径为R2,如果球的内、外均为真空,求证单群理论的临界条件为:

tanBR1BR1

tanBR21BR1tanBR1 证明: 中子扩散方程为:2B20 方程通解为:A1cosBrA2sinBr

rr

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边界条件为:4rJ(r)

2rR10 (1)

(rR2)0 (2)

由条件(1)可得:

4[A1(BR1tgBR11)A2(BR1tgBR1)]0

由条件(2)可得:AcosBR2AsinBR20

12R2R2 消去A1和A2可得:tanBR2tanBR1BR1

1BR1tanBR1

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