第7 章7.3-7.5控制棒控制(核反應(yīng)堆物理分析)

1、反應(yīng)性控制的三種方式7.3.1 控制棒的作用和一般考慮 控制棒主要用于控制反應(yīng)性的快速變化，主要用于控制下列因素引起的反應(yīng)性變化燃料棒的多普勒效應(yīng)慢化劑的溫度效應(yīng)和空泡效應(yīng)變工況時(shí)，瞬態(tài)氙效應(yīng)硼沖稀效應(yīng)熱態(tài)停堆效應(yīng)壓水堆中控制棒所必須控制的反應(yīng)性一般在0.07-0.1左右控制棒材料選擇：具有較大的中子吸收截面。如壓水堆采用Ag(80%)-In(15%)-Cd(5%)合金作控制棒材料。鎘熱中子吸收截面很大，銀和銦在超熱能區(qū)具有較大的共振吸收峰具有較長(zhǎng)的壽命。要求單位體積中含吸收體核子數(shù)要多，而且吸收中子后形成的子核也具有較大吸收截面，使得其吸收能力不會(huì)受自身燃耗的影響。如177Hf俘獲中子后形成

2、178Hf，然后形成179Hf，它們都具有較大的共振吸收截面。具有抗輻照、抗腐蝕和良好的機(jī)械性能，價(jià)格便宜常用的控制材料是鉿、鎘、銀-銦-鎘、硼及釓、鉺、銪、釤等稀土元素7.3.2 控制棒價(jià)值的計(jì)算控制棒的價(jià)值：指的是堆內(nèi)有控制棒存在和沒有控制棒存在時(shí)的反應(yīng)性之差中子價(jià)值：用來(lái)描述堆芯不同位置中子的重要性的物理量。用*(r)表示中子價(jià)值。表示在r處，每秒消除或產(chǎn)生一個(gè)中子引起反應(yīng)堆反應(yīng)性的減小或增益。顯然，控制棒的價(jià)值不僅與被吸收的中子數(shù)有關(guān)，還與被吸收中子的價(jià)值*(r)有關(guān)。對(duì)單群模型, *(r)和中子通量密度分布函數(shù)(r)是相同的, 即*(r) = (r)。所以控制棒的價(jià)值與控制棒插入處的

3、中子通量密度的平方成正比，即 2(r)控制棒插入深度對(duì)控制棒價(jià)值的影響控制棒插入前，堆芯單群方程：10afDk 將控制棒插入芯部，宏觀吸收截面由 變?yōu)閍aaa ,0,00a pazZra ( ot her area)1()0aafDkk 中子通量密度的單群方程為：利用11111(1)(1/ )kkkkk kkkkk1()0PafVVVDDdVdVdVk ()()0VSDDdVDDndS 22PPaaVVffVVdVdVdVdV將前面兩式分別乘以,積分相減得：在反應(yīng)堆表面上和 均為零，得：由= (k-1)/k) = -(1/k),有得：2,0022( , )( )aZa pfVrr z drdz

4、ZdV 02.405( , )()sin()rzr zAJRH對(duì)裸圓柱形反應(yīng)堆：2200( )12sin ()/sin ()sin()2ZHZzzZZdzdzHHHHH得：控制棒積分價(jià)值 當(dāng)控制棒從一初始參考位置插入到某一高度時(shí)，所引入的當(dāng)控制棒從一初始參考位置插入到某一高度時(shí)，所引入的反應(yīng)性。反應(yīng)性。p 參考位置選擇堆芯頂部：則插棒向堆芯引入負(fù)反應(yīng)性。隨著棒不斷插入，引入的負(fù)反應(yīng)性也越大p 參考位置在堆底（全插位置）：向上提棒引入正的反應(yīng)性，提得越高引入的正反應(yīng)性越大定義：控制棒在堆芯不同高度處移動(dòng)單位距離所引起的反應(yīng)性變化，其單位常用 PCM/cm 。控制棒微分價(jià)值cddzH控制棒的微分價(jià)

5、值是隨控制棒在隨控制棒在堆芯內(nèi)的移動(dòng)位置而變化堆芯內(nèi)的移動(dòng)位置而變化的?？刂瓢糁g的干涉效應(yīng)原因：原因：當(dāng)一根控制棒插入堆芯后將引起堆芯中中子通量密度分布的畸變，勢(shì)必會(huì)影響其它控制棒的價(jià)值。干涉效應(yīng)：干涉效應(yīng)：多根控制棒同時(shí)插入堆芯時(shí)，總價(jià)值并不等于各根控制棒單獨(dú)插入時(shí)價(jià)值的和。這種現(xiàn)象稱之為控制棒間的相互干涉效應(yīng)?？刂瓢舻膬r(jià)值是與其所在處中子通量密度的平方成正比。控制棒2插在第一根控制棒附近的d1處，其價(jià)值比單獨(dú)插人時(shí)要低；插在較遠(yuǎn)的d2處，其價(jià)值比它單獨(dú)插人時(shí)要高。同理，第二根控制棒的插人也要使中子通量密度分布發(fā)生畸變，影響到周圍控制棒的價(jià)值。相距較近時(shí)，同時(shí)插入的總價(jià)值小于單獨(dú)插入價(jià)值的

6、和相距較遠(yuǎn)時(shí)，同時(shí)插入的總價(jià)值大于單獨(dú)插入價(jià)值的和考慮到干涉效應(yīng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使控制棒間距大于熱中子擴(kuò)散長(zhǎng)度控制棒價(jià)值的影響因素有哪些因素影響控制棒價(jià)值？慢化劑溫度：慢化劑溫度：溫度升高，密度降低，中子更容易穿過慢化劑，達(dá)到控制棒，控制棒價(jià)值升高慢化劑中的硼濃度慢化劑中的硼濃度：濃度升高，能譜硬化，超熱中子增多，Ag-In-Cd控制棒對(duì)超熱中子有很大吸收截面，控制棒價(jià)值變大。燃耗：燃耗：燃耗增加，裂變產(chǎn)物不斷積累，吸收熱中子也導(dǎo)致能譜變硬，控制棒價(jià)值變大。控制棒插入不同深度對(duì)價(jià)值的影響插入深度對(duì)價(jià)值的影響插入深度對(duì)價(jià)值的影響： 當(dāng)控制棒位于靠近堆芯頂部和底部時(shí)，控制棒微分價(jià)值很小微分價(jià)值很小并且與

7、控制棒的移動(dòng)距離呈非線性關(guān)系呈非線性關(guān)系；當(dāng)控制棒插人到中間一段區(qū)間時(shí)，控制棒的微分價(jià)值比較大微分價(jià)值比較大并且與控制棒的移動(dòng)距離基本上呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系。根據(jù)這一原理，反應(yīng)堆中調(diào)節(jié)棒的調(diào)節(jié)帶一般調(diào)節(jié)帶一般都選擇在堆芯的軸向中間區(qū)段都選擇在堆芯的軸向中間區(qū)段。這樣，調(diào)節(jié)棒移動(dòng)時(shí)所引起的價(jià)值與它的插人深度呈線性關(guān)系控制棒插入不同深度對(duì)堆芯功率分布的影響 在主要靠控制棒控制的反應(yīng)堆中，堆芯壽期初，有較大的過剩反應(yīng)性，控制棒插人比較深。在有控制棒的區(qū)域中，中子通量密度和功率都比較低，但由于要保持整個(gè)堆芯的總功率輸出為常數(shù)，因此在沒有控制棒的底部，形成一個(gè)中子通量密度峰值，如圖7.12 所示。 在中

8、子通量密度高的區(qū)域，燃料的燃耗很快。隨著反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，控制棒不斷地向上移動(dòng)，到堆芯壽期末時(shí)，控制棒都已提到堆芯的頂部，中子通量密度的峰值和功率的峰值也逐漸地向頂部方向偏移。7.4 可燃毒物控制可燃毒物：可燃毒物： 在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中吸收中子而燃耗的中子吸收體可燃毒物的重要性可燃毒物的重要性首次裝料的壓水堆，由于是新燃料，剩余反應(yīng)性特大?；厥芘饾舛炔荒艹^1400ppm的限制，需要增加控制棒數(shù)目。這將增加很多驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置，在壓力容器封頭上要開更多孔，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不許可，況且機(jī)構(gòu)越多出現(xiàn)問題的可能性越大。另外，只在第一次裝料時(shí)需要控制大反應(yīng)性，第次換料后，大部分裝料是己燃耗過的燃料，初始剩余

9、反應(yīng)性已明顯減小，增加控制棒數(shù)目已無(wú)必要?？扇级疚锊牧系囊螅嚎扇级疚锊牧系囊螅壕哂斜容^大的吸收截面；要求由于消耗了可燃毒物而釋放出開的反應(yīng)性基本上要與堆芯中由于燃料燃耗所減少的剩余反應(yīng)性相等；在吸收中子后，它的產(chǎn)物的吸收截面要盡可能地??；在維芯壽期末，可燃毒物的殘余量應(yīng)盡可能少；要求可燃毒物及其結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有良好的機(jī)械性能?？扇级疚锊牧?目前常用的主要元素有硼和釓。常用的可燃毒物有硼、釓、鉺、釤等中子吸收截面較大的核素。它們以氧化物、碳化物或其它基體材料中的彌散體等形式使用。既可以和燃料混合在一起，也可以做成管狀、棒狀或板狀，插人到燃料組件中。 可燃毒物的布置及對(duì)反應(yīng)性的影響均勻布置均勻布

10、置假設(shè)堆芯中沒有中子泄漏，燃料和可燃毒物隨時(shí)間變化,( )( )( )Fa FFdNtt Ntdt ,( )( )( )Pa PPdNtt Ntdt ,( )( )( )( )FPFPfa FPFPdNtrtt Ntdt對(duì)t積分得：假設(shè)堆芯中沒有中子泄漏，慢化劑、冷卻劑和結(jié)構(gòu)材料等的宏觀吸收截面與時(shí)間無(wú)關(guān)，有效增殖系數(shù)表示為：,( )(0)exp( )FFa FNtNF t,( )(0)exp( )PPa PNtNF t,( )1 exp( )FPfFPa FPa FPrNtF t,( )( )( )( )( )FFfKFa FPa PFPa FPaNtk tNtNtNtkeff上升，因?yàn)樵陂_

11、始的一段時(shí)間里，可燃毒物對(duì)反應(yīng)性的釋放率大于燃料消耗對(duì)反應(yīng)性的損失率； keff在最大值后又下降，是因?yàn)榭扇级疚锎罅肯暮?，燃料消耗?duì)反應(yīng)性損失率大于可燃毒物對(duì)反應(yīng)性釋放率?？扇级疚镂战孛鎍,p越大，keff偏離初始值就越大圖表明可燃毒物消耗與堆芯剩余反應(yīng)性減小不匹配，理想情況是在整個(gè)堆芯壽期里keff的變化盡可能小。希望采用吸收截面較小的可燃毒物。但是a,p值小，可燃毒物消耗慢，則在BOL結(jié)束時(shí)仍有較多毒物留在堆內(nèi)，它們對(duì)中子的吸收將縮短堆芯壽期。我們希望在BOL時(shí)，可燃毒物的吸收截面不要太大，以減小keff偏離初始值的大小，但隨著可燃毒物的不斷消耗，要求其吸收截面不斷變大，以減少EOL

12、時(shí)的可燃毒物留存量。壓水堆核電站，實(shí)際采用非均勻布置的可燃毒物棒，能基本滿足這種要求。非均勻布置非均勻布置 把可燃毒物做成棒狀、管狀或板狀部件，插人堆芯中，這就形成了可燃毒物的非均勻布置。非均勻布置的主要特點(diǎn)是在可燃毒物棒中存在著較強(qiáng)的自屏效應(yīng)。下圖給出了幾個(gè)不同運(yùn)行時(shí)刻的可燃毒物棒內(nèi)中子通量密度分布?？扇级疚锏淖云列?yīng)隨反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)進(jìn)的變化 壽期初可燃毒物棒內(nèi)的中子通量密度遠(yuǎn)低于慢化劑-燃料的密度，表明自屏效應(yīng)強(qiáng)，有效微觀吸收截面小，Keff偏離初始值也小。Np隨運(yùn)行時(shí)間減小，自屏效應(yīng)減弱，毒物棒內(nèi)平均通量密度增加，有效截面逐漸增大，Np下降更快，壽期末堆芯可燃毒物留存量很小，對(duì)堆芯壽期沒有

13、明顯影響。堆內(nèi)可燃毒物棒的布置有可燃毒物時(shí)， keff 比無(wú)可燃毒物的要小，所需控制棒控制的反應(yīng)性也相應(yīng)地小。非均勻布置時(shí)，在整個(gè)堆芯壽期內(nèi)，keff最大值不超過初始值。而均勻分布時(shí)，keff最大值大大超過其初始值。可燃毒物棒不僅可以補(bǔ)償剩余反應(yīng)性，而且如果合理地分布于堆芯內(nèi)，還可起到展平徑向中子通量密度分布的作用。7.5 化學(xué)補(bǔ)償控制化學(xué)補(bǔ)償控制：化學(xué)補(bǔ)償控制：在一回路冷卻劑中加入可溶性化學(xué)毒物，以代替補(bǔ)償滓的作用，簡(jiǎn)稱化控化控?；刂饕脕?lái)補(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)性：化控主要用來(lái)補(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)性：反應(yīng)堆從冷態(tài)到熱態(tài)(零功率)時(shí)，慢化劑溫度效應(yīng)所引起的反應(yīng)性變化；裂變同位素燃耗和長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物積累所引起的反應(yīng)

14、性變化；平衡氙和平衡釤所引起的反應(yīng)性變化?；氐膬?yōu)點(diǎn)在堆芯中分布比較均勻，對(duì)整個(gè)堆芯的反應(yīng)性影響較均勻；化控不但不引起堆芯功率分布的畸變，而且與燃料分區(qū)相配合，能降低功率峰因子，提高平均功率密度；化控中的硼濃度可以根據(jù)運(yùn)行需要來(lái)調(diào)節(jié)，而固體可燃毒物是不可調(diào)節(jié)的；化控不占柵格位置，不需要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可簡(jiǎn)化反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)，提高堆經(jīng)濟(jì)性?；氐娜秉c(diǎn)只能控制慢變化的反應(yīng)性，需要加硼和釋硼的一套附加設(shè)備；水中硼濃度大小對(duì)慢化劑溫度系數(shù)有顯著影響，濃度的增加，慢化劑負(fù)溫度系數(shù)的絕對(duì)值越來(lái)越小，當(dāng)水中硼濃度超過某一值時(shí)，有可能使慢化劑溫度系數(shù)出現(xiàn)正值。硼的特性硼濃度上限1400ppm 慢化劑溫度系數(shù)與慢化劑溫度有

15、關(guān)，在溫度較低時(shí)，當(dāng)硼濃度超過500ppm時(shí)就出現(xiàn)正溫度系數(shù)。在反應(yīng)堆工作溫度(大約280300)下，硼濃度大于1400ppm才出現(xiàn)正溫度系數(shù)。在堆芯設(shè)計(jì)時(shí)，要求反應(yīng)堆溫度在熱態(tài)時(shí)，慢化劑溫度系數(shù)不出現(xiàn)正值，這就限制了堆芯中允許的硼濃度。目前在壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，一般把硼濃度取在 1400ppm以下。臨界硼濃度臨界硼濃度 隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行，堆芯中反應(yīng)性逐漸地減小，所以必須不斷降低硼濃度，使堆芯保持在臨界狀態(tài)，這時(shí)的硼濃度稱為臨界硼濃度隨燃耗深度增加而逐漸減小，它對(duì)慢化劑溫度系數(shù)的影響也逐漸減小，慢化劑的負(fù)溫度系數(shù)的絕對(duì)值隨燃耗深度增加而逐漸地增大硼微分價(jià)值定義：堆芯冷卻劑中單位硼濃度變化所引起的

16、堆芯反應(yīng)性的變化量。HBC解釋：硼和不斷積累的裂變毒物對(duì)中子吸收都服從1/v,使中子能譜變硬，硼對(duì)中子的吸收減??；溫度升高也有同樣的作用。實(shí)線：實(shí)線：BOL，虛線：，虛線：EOL微分價(jià)值總是負(fù)值，其絕對(duì)值隨硼濃度增加、燃耗的加深和慢化劑溫度的增加而減小，如圖示。能譜的硬化解釋：硼對(duì)中子吸收服從1/v,所以能量較低的中子吸收的更多，結(jié)果使得熱中子峰向超熱中子區(qū)偏移的現(xiàn)象，即使中子能譜變硬硼的注入使得能譜硬化硼濃度的變化速率正比于冷卻劑中硼的濃度。在同樣注入速率下，壽期末由于硼濃度比壽期初小的多，其硼濃度變化率就要小得多。硼濃度的變化速率設(shè)系統(tǒng)的鵬濃度為CB,注入高濃硼濃度為CH,注入速度為w,為保持體積不變從系統(tǒng)中抽取同樣體積的冷卻劑：()BHBdCwCCdtVBBdCwCdtV 稀釋時(shí)CH=0例如：同樣降低10*10-6， CB =500*10-6與1000*10-6所需稀釋水量分別為5