第5章-溫度效應(yīng)與反應(yīng)性控制

1、第第5章溫度效應(yīng)和反應(yīng)性控制章溫度效應(yīng)和反應(yīng)性控制n反應(yīng)堆在啟動、運行和停閉過程中，介質(zhì)溫度要發(fā)生變化。例如壓水堆由冷態(tài)過渡到熱態(tài)，堆芯介質(zhì)溫度要變化200300K，當(dāng)反應(yīng)堆功率變更時，堆芯溫度也要發(fā)生變化。n堆芯燃料溫度的變化將影響燃料對中子的共振吸收；n慢化劑溫度的變化將改變慢化劑的慢化能力和吸收能力；n介質(zhì)溫度的改變將導(dǎo)致中子截面的改變；n介質(zhì)溫度的變化將改變冷卻劑中可溶硼的溶解度，從而影響對中子的吸收。n上述的變化改變了堆內(nèi)的中子平衡，使得反應(yīng)堆的有效增殖因數(shù)發(fā)生變化，從而引起反應(yīng)性的變化。1前言n為了使得反應(yīng)堆有足夠長的循環(huán)周期，必須要有足夠的剩余反應(yīng)性，同時還要克服反應(yīng)堆運行過程中

2、，由于介質(zhì)溫度的變化、裂變產(chǎn)物的中毒和燃耗效應(yīng)引起的反應(yīng)性變化。n這些反應(yīng)性的變化以及為使反應(yīng)堆啟動、停閉和功率變更，都必須采用外部控制的方法來控制反應(yīng)性。n本章首先定性地討論反應(yīng)堆安全運行對溫度效應(yīng)的要求，各種組分的反應(yīng)性溫度系數(shù)。在簡單地介紹反應(yīng)性的控制任務(wù)和方式后，最后對目前壓水堆常采用的三種控制方式的特點進(jìn)行了分析。25.1 反應(yīng)性的溫度效應(yīng)反應(yīng)性的溫度效應(yīng)n反應(yīng)性溫度系數(shù)的定義：堆芯介質(zhì)溫度變化一度（1或1K）時所引起的反應(yīng)性變化：n上式可以近似為 n反應(yīng)性的溫度系數(shù)是指堆芯介質(zhì)溫度變化1K時有效增殖因數(shù)的相對變化量。n T與dk/dT具有相同的符號。3dTdTdTdkkT1反應(yīng)性溫

3、度系數(shù)及其對核反應(yīng)堆穩(wěn)定性的影響反應(yīng)性溫度系數(shù)及其對核反應(yīng)堆穩(wěn)定性的影響 T0 :nTk PT n Tk PT -ShutdownT0 :Tk P TT k PT4負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)n（1）對于溫度的變化是穩(wěn)定的（溫度變化的自穩(wěn)性），這是安全運行必不可少的條件之一。n（2）一定范圍內(nèi)的功率自調(diào)性。 5不同溫度系數(shù)情況下，反應(yīng)堆功率隨時間的變化 6壓水堆的溫度系數(shù)n壓水堆是將燃料塊分散嵌在慢化劑，冷卻劑中的一種非均勻堆。由于燃料，慢化劑的物理特性不一，因而反應(yīng)堆的溫度系數(shù)分成兩類。一類是燃料的反應(yīng)性溫度系數(shù)，由于燃料的溫度對功率變化的響應(yīng)差不多是瞬時的，因此燃料的反應(yīng)性溫度系數(shù)也稱瞬發(fā)溫度系數(shù)瞬發(fā)

4、溫度系數(shù)。另一類是慢化劑或冷卻劑的溫度系數(shù)，而它們的溫度改變必須等待從燃料傳來的熱量，因而又稱緩緩發(fā)溫度系數(shù)發(fā)溫度系數(shù)。75.1.2 燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)n燃料溫度變化一度（1或1K）所引起的反應(yīng)性變化稱燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)。8dTpddTkddTdkkTF)(ln)(ln1dTdppTF1圖5-2 熱運動對中子共振吸收截面的影響9多普勒展寬效應(yīng) n圖5-3畫出了238U在6.67eV處共振吸收截面的多普勒展寬效應(yīng)。由曲線可知，靶核溫度越高，靶核所具有的能量越大，共振吸收截面最大值下降得越大，曲線展得越寬。多普勒展寬效應(yīng)越顯著。 10圖5-3 238U在6.67eV處共振吸收截面

5、的多普勒效應(yīng)11多普勒展寬基本特性 n共振曲線圖形隨溫度變化時，曲線下的面積是不變的，即n熱中子反應(yīng)堆內(nèi)中子慢化經(jīng)過238U某一共振吸收能區(qū)被吸收的中子數(shù)為n上式積分對整個能區(qū)進(jìn)行。238N為238U的核密度，忽略燃料塊的熱膨脹后，它是一個常數(shù)，因而可以提到積分號外面去。當(dāng)燃料溫度增加時，截面的共振峰要展寬，高度要降低，所以落在共振峰能量范圍內(nèi)的中子通量密度要增加，因而平均中子通量密度要增高。而將式(5-6)代入式(5-7)可以得出12 常數(shù)dEE)(dEENdEEENdEEE)()()()()(238238燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)n而將式(5-6)代入式(5-7)可以得出n即溫度增加時，單位時間單

6、位體積中238U共振吸收的中子數(shù)也增加，換句話說，逃脫共振吸收幾率p隨溫度的升高而減小n以低富集鈾為燃料的反應(yīng)堆中，燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)總是負(fù)的。 13TdEEE)()(0TF多普勒系數(shù)n以低富集鈾為燃料的反應(yīng)堆中，燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)總是負(fù)的。由于燃料的溫度效應(yīng)主要是238U共振吸收的多普勒效應(yīng)所引起的，因而也稱多普勒效應(yīng)，燃料溫度系數(shù)也稱多普勒系數(shù)。14多普勒溫度系數(shù)n對于平衡態(tài)的PWR，在燃料有效溫度較高時，堆芯壽期初(BOL)的多普勒系數(shù)，較壽期末(EOL)時要更負(fù)些。這是因為在BOL時，238U的核子數(shù)較多，而在EOL時，由于238U 轉(zhuǎn)換成239Pu而大量減少。此時雖然生成了240Pu

7、，而且240Pu在1eV能量處，有一個截面約為1x105b的強烈吸收中子的共振峰，但由于240Pu的核子數(shù)較少，因而238U 貧化比240Pu的積累更重要，所以BOL的燃料溫度系數(shù)比EOL時的更負(fù)，見圖5-4所示。15圖5-4多普勒溫度系數(shù)16三個重要因素影響多普勒效應(yīng) n即燃料與包殼間氣隙的熱導(dǎo)率，钚的產(chǎn)生和燃料與包殼間氣隙的減少。n1) 壽期初，新燃料棒內(nèi)充有3.0MPa壓力的氦氣。運行后產(chǎn)生裂變氣體氙和氪混在氦氣中，從而降低了氣隙的熱導(dǎo)率，這一結(jié)果就使得在同一功率水平下，燃料溫度增加。因此，多普勒效應(yīng)隨堆芯壽期增長而越來越負(fù)（絕對值增加）。n2) 238U吸收中子后轉(zhuǎn)變?yōu)镻u的同位素（2

8、39Pu和240Pu），因為240Pu在熱能區(qū)附近有較大的俘獲共振峰。因此，由于240Pu在堆芯中的積累，多普勒效應(yīng)隨著堆芯壽期的增加，而越來越負(fù)。17影響多普勒功率系數(shù)的第3個原因n3)在運行過程中，由于燃料芯塊的腫脹和包殼蠕變，使燃料芯塊與包殼之間的間隙減少，同時由于包殼受外面壓力的作用而變形。這兩種現(xiàn)象的結(jié)果，使包殼與芯塊接觸得更緊密，增加了導(dǎo)熱性，降低了元件溫度。在燃料的壽期內(nèi)，隨著運行時間的增加，多普勒效應(yīng)就負(fù)得越來越?。ń^對值減少）。n上述三種作用中，第3種作用最強，比第1和第2種作用之和還要大。 18圖5-5多普勒功率系數(shù)19計算n計算公式n是由燃料棒性質(zhì)決定的常數(shù)。除了很小的燃

9、料棒外，已發(fā)現(xiàn)參數(shù)與燃料的表面積SF對質(zhì)量MF之比近似地成線性關(guān)系：20)293(1ln(2KpTTF)(FFMSdc 例題例題5-1 n某一金屬天然鈾為燃料的熱堆，燃料密度19.1g/cm3，燃料棒半徑r=1.4cm，工作溫度350C，p(300K)0.878。求燃料溫度系數(shù)TF。n 21解n 工作溫度350C623K，由表5-1查得c=4.810-3，d6.410-3。220748. 01 .194 . 12222rrrMSFF3331028. 50748. 0104 . 6108 . 4)(FFMSdc)293(1ln(2KpTITFCK/1038. 1)878. 01ln(623210

10、28. 553或5.1.3 慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)n慢化劑溫度變化一度（1或1K）所引起的反應(yīng)性變化稱慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)，也稱慢化劑溫度系數(shù)。n慢化劑的反應(yīng)性溫度系數(shù)主要由下列兩個因素構(gòu)成：一是溫度上升時，使得能譜硬化，影響中子的散射、吸收和裂變；二是溫度變化時，原子核密度發(fā)生變化，影響反應(yīng)堆內(nèi)中子的泄漏、慢化能力和熱中子利用因數(shù)的改變。通常第二個因素是主要的。23壓水堆慢化劑的溫度系數(shù)n可以寫為24)()()()()(11111PpfdTdPPdTdppdTddTdffdTdTMTMTMTMTMTM有效裂變中子數(shù)n慢化劑溫度增加，使中子能譜硬化，引起238U,240Pu低

11、能部分共振吸收增加，同時也引起了235U和239Pu的俘獲裂變比增加，使值下降。因此，250)(TM快中子增殖因數(shù) n快中子增殖因數(shù)雖與慢化劑密度有關(guān)，但不敏感，故與慢化劑溫度關(guān)系不很大。26熱中子利用因數(shù) n壓水堆的熱中子利用因數(shù)f是這樣定義的 n溫度升高，有部分慢化劑排出堆外，即雖然慢化劑體積不變，但物理密度變小，因而變小。另一方面，與擴散長度L有關(guān)。當(dāng)溫度升高時，L將增加，而將減小。而這些量都在式(5-14)的分母上，結(jié)果熱中子利用因數(shù)f將隨溫度的增加而增加，即27FMaFaMMaMFaFFaFVVVVVf11aM01dTdff0)(fTM逃脫共振吸收幾率 n逃脫共振吸收幾率n當(dāng)溫度增加

12、，慢化劑排出堆外，SM減小，中子在與慢化劑核相鄰兩次碰撞之間所穿行的平均距離增加，因此，它們在超熱區(qū)會與更多的燃料核發(fā)生碰撞，從而慢化中子被238U和240Pu吸收的概率增加，因而p也隨之減小。因p0，故n 28expMSMMFFVIVNp01dTdpp0)(pTM不泄漏幾率n擴散面積 與慢化劑核密度平方N2成反比。當(dāng)溫度升高時，N2減小，而 將增加。中子年令與擴散面積一樣，當(dāng)溫度增加時，也隨之增加。n有限大小反應(yīng)堆的不泄漏幾率為n當(dāng)溫度增加時，堆芯體積基本不變，因而B2基本上是常數(shù)。而 將增加，所以P將減小，即2L292L2211BMP22LM01dTdPP0)(PTM壓水堆的慢化劑溫度系數(shù)

13、 n壓水堆的慢化劑溫度系數(shù) 可寫為n因為基本與溫度無關(guān)，所以上式可改寫為n上式等號右端只有第2項是正的，其余項為負(fù)的?？偟慕Y(jié)果為負(fù)，即30lnlnlnlnln)(lnPpfdTdTkdTM)()()()(1111PpfdTdPPdTdppdTdffdTdTMTMTMTMTM0TM慢化劑溫度效應(yīng)n當(dāng)慢化劑溫度增加密度減少時，引起兩個相反的效應(yīng)。一方面是慢化劑溫度增加時，慢化劑密度減少，慢化劑相對于燃料的有害吸收將減少，這使有效增殖因數(shù)增加，所以該效應(yīng)對慢化劑溫度系數(shù)的貢獻(xiàn)是正的效應(yīng)。尤其慢化劑中含有化學(xué)補償毒物如硼酸時，溫度的升高導(dǎo)致溶解度的減少，這種正效應(yīng)更為顯著。 31圖5-6 PWR中與關(guān)

14、系示意圖32溫度系數(shù)的計算n第一種方法是首先計算不同燃料和慢化劑溫度條件下的群常數(shù)，然后分別進(jìn)行少群擴散計算，得出與燃料或慢化劑溫度的變化，可以求出溫度系數(shù)。但這種計算的準(zhǔn)確度與所計算的溫度差有關(guān)。當(dāng)溫差很小時，的計算值與k本身的計算誤差相當(dāng)；n第二種方法是采用擾動理論計算，擾動理論計算的誤差比較小。33空泡系數(shù)n空泡份額：n冷卻劑中所包含的蒸汽份泡的體積百分比n空泡系數(shù)：n是指在反應(yīng)堆中，冷卻劑的空泡份額變化百分之一一所引起的反應(yīng)性變化，即34dxdv空泡系數(shù)n空泡系數(shù)是指在反應(yīng)堆中，冷卻劑的空泡分?jǐn)?shù)的百分之一所引起的反應(yīng)性變化，即n當(dāng)出現(xiàn)空泡或空泡分?jǐn)?shù)增大情況時，有如下三種效應(yīng)：（1）冷卻

15、劑的有害中子吸收減小，這是正效應(yīng)。（2）中子泄漏增加，這是負(fù)效應(yīng)。（3）慢化能力變小，能譜變硬。這可以是正效應(yīng)，也可以是負(fù)效應(yīng)，這與反應(yīng)堆的類型和核特性有關(guān)。 35dxdvPWR的空泡系數(shù)n對PWR反應(yīng)堆是負(fù)效應(yīng)。而對大型快中子反應(yīng)堆，可能出現(xiàn)正效應(yīng)，特別是當(dāng)空泡出現(xiàn)在芯部中心區(qū)域時。n一般來說，在壓水堆中空泡含量大約在0.5左右，這是由于局部沸騰或隨機性沸騰造成的。由于汽泡含量少，它引起的反應(yīng)性變化可忽略不計。36表表5-2 幾種典型反應(yīng)堆的反應(yīng)性系數(shù)幾種典型反應(yīng)堆的反應(yīng)性系數(shù)反應(yīng)性系數(shù)沸水堆壓水堆重水堆高溫氣冷堆鈉冷快堆燃料溫度系數(shù)/10-5K-1-4-1-4-1-2-1-7-0.10.2

16、5慢化劑溫度系數(shù)/10-5K-1-50-8-50-8-7-31.0空泡系數(shù)/10-5(%P)-1-200100000-122037流量系數(shù) n反應(yīng)性流量系數(shù)是指一回路中流量變化所引起的反應(yīng)性變化。設(shè)一回路冷卻劑流量變大，從堆內(nèi)導(dǎo)出的熱量增大，各種參數(shù)在經(jīng)過一段時間波動以后達(dá)到穩(wěn)定。這時冷卻劑的平均溫度或達(dá)到一個新的平衡值，或保持在原來的水平上。但反應(yīng)堆內(nèi)的溫度場總會有變化。所以流量的變化將通過溫度的核效應(yīng)與密度效應(yīng)使反應(yīng)堆的反應(yīng)性產(chǎn)生一定的變化。實驗表明，流量系數(shù)是正值，它的大小與反應(yīng)堆的運行方案，堆功率和一回路的流量有關(guān)。 38功率系數(shù)n反應(yīng)性功率系數(shù)是指功率變化1兆瓦時，反應(yīng)性的變化量。它

17、是這樣定義的：n在有些核電廠中，功率系數(shù)定義為功率變化1%時所引起的反應(yīng)性變化。 39Pp/功率虧損n將功率系數(shù)在0-100%的范圍內(nèi)進(jìn)行任一區(qū)的積分，某一范圍便可得出的功率變化所引起的反應(yīng)性變化的總量。這就是積分功率系數(shù)，或稱功率虧損 。n當(dāng)功率增加時，反應(yīng)堆產(chǎn)生一個負(fù)反應(yīng)性，指反應(yīng)性“虧損”了。因此必須加上一個等量的正反應(yīng)性以保持反應(yīng)堆在臨界狀態(tài)。40功率系數(shù)是一個復(fù)合量n功率系數(shù)是一個復(fù)合量，影響它的主要因素為燃料的溫度系數(shù)、慢化劑的溫度系數(shù)和空泡系數(shù)。此外還有燃料-慢化劑的溫差以及燃料的中毒效應(yīng)和運行壽期等等。壓水堆中，功率系數(shù)為負(fù)值。并且壽期末比壽期初要負(fù)得更多，這主要是慢化劑溫度系

18、數(shù)的變化引起的。41圖5-9 功率系數(shù)和功率虧損曲線 42例n假設(shè)反應(yīng)堆穩(wěn)定運行n在20額定功率運行時，控制棒棒位為h1n在50額定功率運行時，控制棒棒位為h2n在100額定功率運行時，控制棒棒位為h3n請比較控制棒的插入深度？（假設(shè)堆內(nèi)硼濃度相同，都為平衡中毒狀態(tài)）n(1) h1h2h2h3n(3) 不確定43功率虧損（續(xù)）n假設(shè)反應(yīng)堆穩(wěn)定運行在80額定功率時，由于某種原因突然停堆。必須注意，由于功率虧損向反應(yīng)堆內(nèi)引入了一個正反應(yīng)性。進(jìn)行反應(yīng)性平衡計算時必須考慮。44關(guān)于“延伸運行”n延伸運行系指提高燃料燃耗達(dá)到延長循環(huán)周期的運行方式，這可以通過降低功率或利用與氙毒，燃料溫度和汽泡有關(guān)的反應(yīng)

19、性來實現(xiàn)，例如：可以降低冷卻劑溫度或降低功率來實現(xiàn)延伸運行。 n延伸運行時，降低冷卻劑溫度比降低功率有利。這樣可以在較高的功率下再運行一段時間。455.2 反應(yīng)性控制任務(wù) n我們討論了熱中子反應(yīng)堆運行后，使反應(yīng)性發(fā)生變化的主要因素為：n(1)反應(yīng)堆臨界后從冷態(tài)到熱態(tài)的過度，慢化劑和燃料的溫度要升高，將引入一個負(fù)反應(yīng)性；n(2)反應(yīng)堆功率運行后裂變產(chǎn)物的中毒，主要是裂變產(chǎn)物135Xe和149Sm的中毒，引入一個負(fù)反應(yīng)性； n(3)反應(yīng)堆運行后，燃料的不斷消耗，使反應(yīng)性減小。盡管壓水堆中有新的易裂變同位素產(chǎn)生，但總的趨勢是反應(yīng)性不斷減?。籲(4)反應(yīng)堆在工況變更時，反應(yīng)性也要發(fā)生變化。46反應(yīng)性三

20、個控制任務(wù)1n1.緊急控制n當(dāng)反應(yīng)堆需要緊急停堆時，反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)能迅速地引入一個大的負(fù)反應(yīng)性，以快速停堆，并達(dá)到一定的停堆深度。要求緊急停堆系統(tǒng)有極高的可靠性。n2.功率調(diào)節(jié)n當(dāng)外界負(fù)荷或堆芯溫度發(fā)生變化時，反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)必須引入一個適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)性，以滿足反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)的需要。47反應(yīng)性三個控制任務(wù)2n3.補償控制n反應(yīng)堆在運行初期具有較大的剩余反應(yīng)性，隨著反應(yīng)堆的運行，剩余反應(yīng)性不斷地減少，為了保持反應(yīng)堆臨界，必須逐漸地從堆芯中移出控制毒物。48表表5-3 壓水堆的反應(yīng)性控制要求壓水堆的反應(yīng)性控制要求 反應(yīng)性效應(yīng)數(shù)值/要求的變化率溫度虧損250.5/h功率虧損120.05/min氙和釤的

21、中毒5250.004/min燃耗580.017/d功率調(diào)節(jié)0.10.20.1/min緊急停堆241.52s49物理量1n1.剩余反應(yīng)性exn控制毒物都提出堆芯時的反應(yīng)性。n2.控制毒物價值n某一控制毒物投入堆芯時引起的反應(yīng)性變化。n3.停堆深度sn全部控制毒物都投入堆芯時，反應(yīng)堆所達(dá)到的負(fù)反應(yīng)性。50物理量2n4.總的被控的反應(yīng)性n總的被控的反應(yīng)性等于剩余反應(yīng)性與停堆深度之和，以表示。即n=ex+s51表表5-4 幾種主要堆型的各種反應(yīng)性值幾種主要堆型的各種反應(yīng)性值 反應(yīng)性沸水堆壓水堆重水堆高溫氣冷堆鈉冷快堆清潔堆芯的剩余反應(yīng)性ex在20時0.250.2930.0750.1280.050在運行

22、溫度時0.2480.0650.037在平衡氙和釤時0.1810.0350.073控制毒物價值總的被控制價值0.290.320.1250.2100.074控制棒總價值0.170.070.0350.110.074可燃毒物總價值0.120.080.090.10化學(xué)補償總價值0.17停堆深度s冷態(tài)和清潔堆芯0.040.030.050.0820.02452反應(yīng)性控制原理1 n（1）改變堆內(nèi)中子吸收n在堆芯中加入或提出控制毒物以改變堆內(nèi)中子的吸收。 n（2）改變中子的慢化性能n在譜移反應(yīng)堆中（重水-輕水混合慢化反應(yīng)堆），通過改變重水與輕水的比例，以改變中子能譜，從而改變反應(yīng)性。53反應(yīng)性控制原理2n（3）

23、改變?nèi)剂虾縩在用燃料來作控制棒跟隨體的時候，當(dāng)控制棒移動時，除了改變堆內(nèi)中子的吸收之外，還改變堆內(nèi)燃料含量，中子的產(chǎn)生率發(fā)生了變化，從而改變反應(yīng)性。n（4）改變中子泄漏n小型快中子反應(yīng)堆中?？捎靡苿臃瓷鋵拥姆椒?，改變中子的泄漏，從而改變反應(yīng)性。54反應(yīng)性的控制n實際上，對于一個實際的反應(yīng)堆，燃料的富集度，燃料與慢化劑的相對組分都已確定。此時，快中子增殖因數(shù)，有效裂變中子數(shù)是基本不變，控制逃脫共振吸收幾率p也不太有效。所以反應(yīng)性控制主要是通過對熱中子利用因數(shù)f和不泄漏幾率P來實現(xiàn)。55三種控制方式56例如n壓水堆主要是通過插入控制棒來改變堆的熱中子利用因數(shù)f和不泄漏幾率P使堆運行在一定的功率水

24、平上。 n有些重水堆通過控制堆內(nèi)重水的水位以改變不泄漏幾率P及熱中子利用因數(shù)f來達(dá)到反應(yīng)堆的啟動、停堆及運行的目的。57圖5-10 裸堆內(nèi)有無控制棒時的中子通量密度分布585.3 控制棒控制控制棒控制n控制棒控制的特點是控制速度快，可靠有效。 n根據(jù)控制棒的功能不同，一般將控制棒分成：n安全棒安全棒n反應(yīng)性價值大，專門用于停堆的控制棒。它具有的反應(yīng)性要大于剩余反應(yīng)性。反應(yīng)堆運行時，它是處于堆芯的上部外端，一旦需要緊急停堆，就將迅速插入堆芯，使反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)，并保持有一定的次臨界度。 59控制棒分類控制棒分類n補償棒補償棒n補償棒用來補償隨時間變化比較慢，但數(shù)值又比較大的反應(yīng)性，一般采用手

25、動操作。n調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)棒n用來調(diào)節(jié)反應(yīng)性的微小變化，用于功率細(xì)調(diào)?？梢酝度胱詣?，也可以手動 。n目前，壓水堆將安全棒稱為停堆棒停堆棒，補償棒和調(diào)節(jié)棒統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)棒。調(diào)節(jié)棒組不僅在正常停堆或事故停堆時向堆芯提供停堆反應(yīng)性，而且在堆芯運行過程中控制或調(diào)節(jié)反應(yīng)性的變化。同時在功能上又分為溫度調(diào)節(jié)棒和功率調(diào)節(jié)棒。60控制棒材料n對用作控制棒吸收體的材料有下列這些要求：n熱中子微觀吸收截面要大；n與堆芯材料相容性要好；n抗腐蝕、抗輻照性能好；n易加工，有一定的機械強度。61Hf62a同位素豐度/%a/b共振吸收能量/eVa/b174Hf0.18390-176Hf5.230-177Hf18.53802.

26、366000178Hf27.14757.8104179Hf13.75655.691100180Hf35.241474130圖5-11 厚度為0.5厘米的鉿片對不同能量中子的吸收份額 63表表5-6 Ag,In,Cd的核特性的核特性 64a同位素豐度/%a/b共振 吸收能量/eVa/b113Cd12.320 0000.187200113In4.212-115In95.82031.4630000107Ag51.845716.6630109Ag48.2925.112500圖5-12厚度為0.5厘米的Ag、In和Cd片以及Bi-T合金對不同能量中子的吸收份額65硼n 同位素硼，主要是10B，它的豐度為

27、18.8%，熱中子吸收截面較高達(dá)3838靶。一般采用濃縮硼包以不銹鋼包殼。常采用B4C燒結(jié)塊，外面有不銹鋼做包殼以增加強度。另外可以做成B-S.S。由于硼吸收中子的機理是通過(n,)反應(yīng)實現(xiàn)的，因而燃耗較大，產(chǎn)生的粒子影響材料的晶間腐蝕。田灣核電廠的控制棒采用 B4C燒結(jié)塊。 66不銹鋼 n在AP1000中，還采用吸收中子的能力比上述的材料低的不銹鋼，不銹鋼做成的控制棒稱為“灰棒”?；野糁饕糜谠?0%額定功率以上的負(fù)荷跟蹤，以代替過去用改變冷卻劑的硼濃度來跟蹤的方法，減少廢水量。其次是減少對功率分布的擾動。67壓水堆核電廠控制棒采取束棒型n每束包含根控制棒（對于的排列），見下頁圖。特點：68

28、帶控制棒的燃料組件69中子價值中子價值n中子的價值意味著它引起裂變的幾率。它是描述堆內(nèi)的中子由于其所處的位置不同，從而對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或?qū)Ψ磻?yīng)堆的功率的貢獻(xiàn)不同的物理量。顯然，在芯部邊界附近的中子，由于泄漏的幾率比較大，其中子的價值要比芯部中心處的小。 n對于單群模型，中子價值和中子通量密度分布函數(shù)是相同的 70控制棒價值控制棒價值n設(shè)k0及k分別為某一根或一組棒全部提出堆外及插入堆內(nèi)時反應(yīng)堆的有效增殖因數(shù)，則n在反應(yīng)堆物理設(shè)計中，控制棒(或組)的價值往往采用如下的定義，設(shè)k1和k2分別為插棒(或組)前后反應(yīng)堆的有效增殖因數(shù)，則該棒(或組)的價值定義為71kkk 021122111kkkkkk控制棒

29、的積分價值控制棒的積分價值n設(shè)反應(yīng)堆的高度和控制棒的高度為H，棒全插入堆芯的總價值為(H)，則控制棒插入深度為z時的價值為(z)，則積分價值(z)有如下關(guān)系n控制棒積分價值是一個積分曲線。72)2sin(21)()(HzHzHz控制棒的微分價值控制棒的微分價值n控制棒沿著插入方向移動單位距離所引起的反應(yīng)性變化稱為控制棒的微分價值。對積分價值曲線方程作微分，有n變換為73)2cos(11)(HzHHHdzd)(sin2)2cos(1 1)(12HzHHzHdzdH圖5-13 R控制棒組的積分價值和微分價值曲線745.3.4 控制棒插入深度對堆芯功率分布的影響控制棒插入深度對堆芯功率分布的影響n控

30、制棒是強吸收體，因而控制棒的插入將使中子通量密度分布和功率分布都產(chǎn)生畸變。n通過采用控制棒在堆芯的均勻分布和優(yōu)化提棒方式，可使控制棒對功率分布畸變影響減少到最小。75控制棒插入深度堆軸向中子通量密度分布的影響 765.3.5 控制棒的干涉效應(yīng)控制棒的干涉效應(yīng)n控制棒的總價值并不等于各根控制棒單獨插入堆芯時的價值的總和。這是由于控制棒的價值與插入處的中子通量密度的大小有密切關(guān)系。而當(dāng)一根控制棒插入堆芯后將引起堆芯中子通量密度分布的畸變，必定會影響其它控制棒的價值。這種現(xiàn)象稱為控制棒間的相互干涉效應(yīng)。 77圖5-15 控制棒的干涉效應(yīng)785.3.6 卡棒準(zhǔn)則卡棒準(zhǔn)則n反應(yīng)堆運行在任何工況下，當(dāng)一束

31、反應(yīng)性價值最大的控制棒在堆芯頂部被卡住而不能下插時，也能實現(xiàn)反應(yīng)堆冷態(tài)停堆。這是一個留有保險裕度的安全準(zhǔn)則 n停堆裕度。它是這樣定義的，假定最大價值的一束控制棒卡在堆外，其余所有控制棒全部插入堆內(nèi)，由此使反應(yīng)堆處于次臨界的反應(yīng)性總量稱停堆裕度。795.3.7 控制棒提升過程中的重疊控制棒提升過程中的重疊n為了避免反應(yīng)性引入率的差異，在控制棒的提升過程中，往往要求相鄰控制棒組的提升有一個重疊。所謂重疊是指A組控制棒提升到一定的高度而尚未提出堆芯時，B控制棒組開始從堆芯底部提起，然后A組和B組控制棒交替提升。 n采用控制棒重疊可以得到比較均勻的控制棒微分價值，使提棒時，堆芯軸向的中子通量密度分布更

32、均勻些。 80圖圖5-16重疊重疊90步的功率調(diào)節(jié)棒的微分與積分價值（壽期初、滿功率）步的功率調(diào)節(jié)棒的微分與積分價值（壽期初、滿功率）81控制棒的插入極限n雖然控制棒組可以插入到堆芯的任一高度上，但在反應(yīng)堆運行期間，對一給定的功率水平，控制棒的插入深度必須保持或限制在某一特定或規(guī)定的高度以上，這個高度就被稱作控制棒的插入極限。n技術(shù)規(guī)范中控制棒插入極限的運行限制條件是各組控制棒插入堆芯的高度的限值必須遵從圖7-19中所表示的規(guī)定。82 控制棒組插入極限與熱功率的關(guān)系控制棒組插入極限與熱功率的關(guān)系83例如n核電廠在60%額定功率運行時，則如圖中給出D組控制棒的插入極限為75步，即不能低于75步，

33、C組控制棒的插入極限為193步；即不能低于193步，但在100%滿功率運行時，如圖中只給出D組棒的插入極限164步，此時C組棒早已提到頂(228步)了。n這條規(guī)范限制保證了給定功率水平下的停堆深度，防止了局部功率峰，得到了較好的中子通量密度分布。如果控制棒棒位在插入極限之下，插入過深，堆芯上部功率被壓得太低，下部功率被抬起太高，就有可能導(dǎo)致堆芯下部燃料元件溫度過高，以致熔化。插入極限還減小了彈棒事故的后果。停堆后功率虧損和慢化劑溫度下降都向堆芯引入正反應(yīng)性，棒組插入極限保證了控制棒有足夠的停堆深度。84確定控制棒組的插入限主要考慮以下因素n控制棒的插入限減小了彈棒事故的后果。限制控制棒的插入深

34、度，就限制了彈棒時正反應(yīng)性的添加量。n控制棒的插入限保證了給定功率水平下的停堆裕量。n控制棒的插入限保證了由于棒組插入造成的堆芯功率不均勻系數(shù)在安全允許的范圍內(nèi)。855.4 可燃毒物控制可燃毒物控制n在動力堆中，初始堆芯與長循環(huán)堆芯的初始剩余反應(yīng)性都比較大。如果全部靠控制棒和化學(xué)補償來控制，會出現(xiàn)如下結(jié)果：n需要很多控制棒組件及其一套復(fù)雜的驅(qū)動機構(gòu)。這樣不但不經(jīng)濟，在實際工程上也很難實現(xiàn)，而且這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，設(shè)備機械結(jié)構(gòu)強度也不許可，同時也給安全運行帶來不利因素；n大量增加化學(xué)毒物，可導(dǎo)致出現(xiàn)正的慢化劑溫度系數(shù)。865.4 可燃毒物控制可燃毒物控制n5.4.1 控制特點控制特點n控制過多的剩余

35、反應(yīng)性；n展平中子通量密度分布不均勻因子n可燃毒物管補償反應(yīng)性不需要外部控制，是自動進(jìn)行的。n早期用于首爐；現(xiàn)在用于長壽命低泄漏裝料。 875.4.2 可燃毒物材料要求可燃毒物材料要求n可燃毒物材料要求具有比較大的吸收截面；n要求由于可燃毒物的燃耗釋放出來的反應(yīng)性與燃料的燃耗所減少的剩余反應(yīng)性基本上匹配；n可燃毒物吸收中子后的產(chǎn)物的吸收截面應(yīng)盡可能地??；n要求在堆芯壽期末，可燃毒物的殘余量應(yīng)盡可能少，以免影響堆芯的壽期；n還要求有良好的機械性能，便于加工制造。88可燃毒物材料可燃毒物材料n目前作為可燃毒物的材料主要有硼硼和釓釓n秦山二期首爐堆芯使用的可燃毒物為硼硅酸鹽玻璃，其中B2O3的重量百

36、分比為12.5%。n對于長循環(huán)堆芯由于采用低泄漏裝料方案，新燃料組件放在堆芯內(nèi)區(qū)，使剩余反應(yīng)性增大，因此必須在堆內(nèi)采用相當(dāng)數(shù)量的可燃毒物棒來控制剩余反應(yīng)性，來降低硼濃度，以滿足設(shè)計的要求。因為為了保證壓水堆核電站的安全運行，技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定：功率運行時慢化劑溫度系數(shù)必須為負(fù)值。 895.4.3 可燃毒物的布置可燃毒物的布置n（1）離散型：不銹鋼包殼內(nèi)硼硅酸鹽玻璃管（簡稱硼硅玻璃/不銹鋼）以及環(huán)狀氧化鋁-碳化硼（Al2O3-B4C）芯塊包在兩層同心鋯合金管內(nèi)組成的同心環(huán)狀可燃吸收棒（WABA）。n（2）整體型：硼化鋯（ZrB2）薄層涂覆在燃料芯塊表面（IFBA）；稀土氧化物，如氧化釓（Gd2O3

37、）或者氧化鉺（Er2O3）彌散在燃料芯塊中。90可燃毒物的布置可燃毒物的布置n 91可燃毒物的自屏因子n反應(yīng)堆中的可燃毒物基本上是非均勻布置。把可燃毒物做成棒狀，管狀或板狀，插入燃料組件盒中，放入堆芯。n可燃毒物的燃耗方程為： n式中fs(t)為可燃毒物的自屏因子，定義為n 92)()()()(tNttfdttdNPPasP子通量密度慢化劑燃料中平均中量密度可燃毒物中平均中子通)(tfs有效截面 n可燃毒物的有效截面為：n圖5-18 可燃毒物的自屏效應(yīng)隨時間的變化93PasPeffatf)(,圖5-18n圖5-18表示了可燃毒物的自屏效應(yīng)隨反應(yīng)堆運行時間的變化。其中左圖表示在幾個不同的運行時間，慢化劑和可燃毒物中的中子通量密度分布。由于可燃毒物的原子核密度隨著燃耗的加深而逐漸減少，因而可燃毒物內(nèi)中子通量密度分布漸趨平坦。右圖表示可燃毒物的有效微觀吸收截面、有效宏觀吸收截面和可燃毒物的核密度隨反應(yīng)堆運行時間的變化。94圖5-18表明n在堆芯壽期初期，可燃毒物中的中子通量密度大大低于慢化劑-燃料中的中子通量密度，這時可燃毒物的自屏效應(yīng)很強，自屏因子fs值很小,可燃毒物的有效微觀吸收截面也很小，因此有效增殖因數(shù)偏離初始值的程度也較小。但是隨著反應(yīng)堆的運行時間的增長，可燃毒物不斷地燃耗，自屏效應(yīng)逐漸地減弱，fs值逐漸地增大而趨近于1，可燃毒物的有效微觀吸收截面也逐漸地增大，可燃