第四章：反應(yīng)性變化及控制

1、第四章：反應(yīng)性變化與控制第四章：反應(yīng)性變化與控制核反應(yīng)堆工程概論一、反應(yīng)性一、反應(yīng)性(1) 有效倍增因子有效倍增因子Keff是反應(yīng)堆最重要的一個(gè)宏觀物是反應(yīng)堆最重要的一個(gè)宏觀物理量。一座反應(yīng)堆的理量。一座反應(yīng)堆的Keff應(yīng)該在應(yīng)該在1附近。附近。 Keff與與1的的相對(duì)偏離定義為反應(yīng)性相對(duì)偏離定義為反應(yīng)性：(K1)/K=0：臨界；：臨界；0：超臨界；：超臨界； 1，反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)，反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)Keff使其為使其為1，停，停堆時(shí)調(diào)節(jié)堆時(shí)調(diào)節(jié)Keff使其小于使其小于1。反應(yīng)堆冷態(tài)停堆情。反應(yīng)堆冷態(tài)停堆情況下況下(假使全部停堆系統(tǒng)全部移出堆芯假使全部停堆系統(tǒng)全部移出堆芯)反應(yīng)反應(yīng)性大于性大于0

2、的部分稱作的部分稱作剩余反應(yīng)性剩余反應(yīng)性。 二、反應(yīng)性溫度效應(yīng)二、反應(yīng)性溫度效應(yīng) (1)2.1 反應(yīng)性溫度系數(shù)反應(yīng)性溫度系數(shù)(1) 反應(yīng)堆停堆時(shí)處于常溫狀態(tài)，即冷態(tài)。運(yùn)行時(shí)反應(yīng)堆停堆時(shí)處于常溫狀態(tài)，即冷態(tài)。運(yùn)行時(shí)溫度升高到運(yùn)行溫度。材料溫度的改變一般情況下溫度升高到運(yùn)行溫度。材料溫度的改變一般情況下對(duì)反應(yīng)性有很大的影響。溫度變化一個(gè)單位對(duì)反應(yīng)性有很大的影響。溫度變化一個(gè)單位(K, C)帶來的反應(yīng)性變化定義為反應(yīng)性溫度系數(shù)帶來的反應(yīng)性變化定義為反應(yīng)性溫度系數(shù)T：T = d/dT = dK/dT /K2 dK/dT /K 反應(yīng)堆內(nèi)溫度的變化是不均勻的，各種材料溫反應(yīng)堆內(nèi)溫度的變化是不均勻的，各種材

3、料溫度變化對(duì)反應(yīng)性的影響也不盡相同，所以溫度的變度變化對(duì)反應(yīng)性的影響也不盡相同，所以溫度的變化要有所指，如燃料溫度，慢化劑溫度等。對(duì)應(yīng)的化要有所指，如燃料溫度，慢化劑溫度等。對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)稱為燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)，慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)稱為燃料反應(yīng)性溫度系數(shù)，慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)等。溫度系數(shù)等。二、反應(yīng)性溫度效應(yīng)二、反應(yīng)性溫度效應(yīng) (2)2.1 反應(yīng)性溫度系數(shù)反應(yīng)性溫度系數(shù)(2)l反應(yīng)性溫度系數(shù)為反應(yīng)性溫度系數(shù)為負(fù)值負(fù)值對(duì)反應(yīng)堆安全有利，對(duì)反應(yīng)堆安全有利，反之不利。反之不利。l反應(yīng)堆設(shè)計(jì)要盡可能做到各種工況下溫度系反應(yīng)堆設(shè)計(jì)要盡可能做到各種工況下溫度系數(shù)為數(shù)為負(fù)負(fù)。二、反應(yīng)性溫度效應(yīng)二、反應(yīng)性溫度

4、效應(yīng) (3)2.2 燃料的反應(yīng)性溫度系數(shù)燃料的反應(yīng)性溫度系數(shù) 燃料核截面在中能區(qū)段存在很多的強(qiáng)共振峰。燃料核截面在中能區(qū)段存在很多的強(qiáng)共振峰。燃料溫度對(duì)反應(yīng)性的影響主要是因?yàn)楣舱裎盏淖內(nèi)剂蠝囟葘?duì)反應(yīng)性的影響主要是因?yàn)楣舱裎盏淖兓??；囟壬邥r(shí)共振峰值降低，但微觀截面曲線下溫度升高時(shí)共振峰值降低，但微觀截面曲線下覆蓋的面積保持不變，即所謂的共振峰展寬。最常覆蓋的面積保持不變，即所謂的共振峰展寬。最常見的反應(yīng)堆中裝有大量的見的反應(yīng)堆中裝有大量的238U，它有強(qiáng)烈的共振俘獲，它有強(qiáng)烈的共振俘獲吸收。溫度升高時(shí)，共振峰展寬，落入共振峰內(nèi)的吸收。溫度升高時(shí)，共振峰展寬，落入共振峰內(nèi)的中子增加，俘獲

5、吸收中子增加，降低了中子利用率。中子增加，俘獲吸收中子增加，降低了中子利用率。造成反應(yīng)性下降。這一效應(yīng)稱為多普勒造成反應(yīng)性下降。這一效應(yīng)稱為多普勒(Doppler)效效應(yīng)。應(yīng)。 238U的多普勒反應(yīng)性溫度系數(shù)為負(fù)值。的多普勒反應(yīng)性溫度系數(shù)為負(fù)值。這對(duì)反這對(duì)反應(yīng)堆安全是非常重要的。應(yīng)堆安全是非常重要的。 二、反應(yīng)性溫度效應(yīng)二、反應(yīng)性溫度效應(yīng) (4)2.3 慢化劑的反應(yīng)性溫度系數(shù)慢化劑的反應(yīng)性溫度系數(shù) 慢化劑溫度變化時(shí)慢化劑溫度變化時(shí)影響慢化劑的慢化能力影響慢化劑的慢化能力，主要途徑如下：，主要途徑如下：l慢化劑密度變化。以水為例，溫度升高慢化能力降低，能譜變慢化劑密度變化。以水為例，溫度升高慢化

6、能力降低，能譜變硬。硬。l慢化劑溫度變化引起中子溫度變化。溫度升高時(shí)能譜變硬。慢化劑溫度變化引起中子溫度變化。溫度升高時(shí)能譜變硬。 對(duì)于對(duì)于熱中子反應(yīng)堆熱中子反應(yīng)堆來講，一般情況下，來講，一般情況下，能譜變硬能譜變硬時(shí)，時(shí)，反應(yīng)性降低反應(yīng)性降低。因。因?yàn)槟茏V變硬時(shí)，燃料的為能譜變硬時(shí)，燃料的共振吸收增加共振吸收增加，裂變材料的，裂變材料的裂變截面降低裂變截面降低，中，中子子泄漏也會(huì)有所增加泄漏也會(huì)有所增加。但這并非是絕對(duì)的。影響反應(yīng)性有諸多因素。但這并非是絕對(duì)的。影響反應(yīng)性有諸多因素。各種因素因?yàn)槟茏V的變化進(jìn)而影響反應(yīng)性的趨勢(shì)不盡相同，要看最后各種因素因?yàn)槟茏V的變化進(jìn)而影響反應(yīng)性的趨勢(shì)不盡相同

7、，要看最后的綜合效果，也看反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。有些強(qiáng)吸收體的中子截面呈的綜合效果，也看反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。有些強(qiáng)吸收體的中子截面呈 1/v 變變化規(guī)律。化規(guī)律。能譜變硬時(shí)，吸收能力減弱，引起反應(yīng)性增加能譜變硬時(shí)，吸收能力減弱，引起反應(yīng)性增加。如果這種吸。如果這種吸收作用在反應(yīng)堆中占主導(dǎo)地位，則總的反應(yīng)性溫度系數(shù)就會(huì)是正的。收作用在反應(yīng)堆中占主導(dǎo)地位，則總的反應(yīng)性溫度系數(shù)就會(huì)是正的。 慢化劑的反應(yīng)性溫度系數(shù)慢化劑的反應(yīng)性溫度系數(shù)11111( )( )( )()LLTLMMMMMTTTTTLKfp PPfpTfTpTTPTfpP水鈾比水鈾比 慢化劑溫度系數(shù)還與單位體積內(nèi)慢化劑與燃料的核密度比值有關(guān)，在輕水堆中

8、以“水鈾比”表示三、裂變產(chǎn)物中毒三、裂變產(chǎn)物中毒(1) 由于裂變和衰變，核反應(yīng)堆中發(fā)生著大由于裂變和衰變，核反應(yīng)堆中發(fā)生著大量的物質(zhì)轉(zhuǎn)換。特別是裂變產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物。量的物質(zhì)轉(zhuǎn)換。特別是裂變產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物。一些新產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)中子平衡有重要的影響。一些新產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)中子平衡有重要的影響。特別是各別特別是各別裂變產(chǎn)物具有很大的中子吸收截裂變產(chǎn)物具有很大的中子吸收截面面，典型的裂變產(chǎn)物是，典型的裂變產(chǎn)物是釤釤(149Sm)和氙和氙(135Xe)。這種強(qiáng)吸收裂變產(chǎn)物分為這種強(qiáng)吸收裂變產(chǎn)物分為兩類兩類：壽命長(zhǎng)的稱：壽命長(zhǎng)的稱為為“結(jié)渣結(jié)渣”，壽命短的稱為，壽命短的稱為“中毒中毒”。下面。下面討論討論135

9、Xe的中毒效應(yīng)。的中毒效應(yīng)。三、裂變產(chǎn)物中毒三、裂變產(chǎn)物中毒(2) 三、裂變產(chǎn)物中毒三、裂變產(chǎn)物中毒(3) 反應(yīng)堆中反應(yīng)堆中135135XeXe主要來源于裂變產(chǎn)物主要來源于裂變產(chǎn)物135135I I的的衰變，一小部分直接通過裂變產(chǎn)生。衰變，一小部分直接通過裂變產(chǎn)生。 135135XeXe 一方面強(qiáng)烈吸收中子變成一方面強(qiáng)烈吸收中子變成136136XeXe，一方面通過，一方面通過衰變轉(zhuǎn)變成衰變轉(zhuǎn)變成135135CsCs。設(shè)任意時(shí)刻。設(shè)任意時(shí)刻I I和和XeXe的核密的核密度分別為度分別為N NI I和和N NX X，則可以列出關(guān)于它們的微，則可以列出關(guān)于它們的微分方程：分方程：dNdNI I/dt

10、 = w/dt = wI If fI IN NI IdNdNX X/dt = /dt = I IN NI Iw wX Xf fX XN NX XN NX XX X三、裂變產(chǎn)物中毒三、裂變產(chǎn)物中毒(4)l當(dāng)反應(yīng)堆處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)反應(yīng)堆處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，I和和Xe的密度都不再隨時(shí)的密度都不再隨時(shí)間變化，處于所謂的平衡態(tài)。這時(shí)間變化，處于所謂的平衡態(tài)。這時(shí)Xe的原子密度為：的原子密度為： Nx = (wI + wx)f / (x + x)l氙瞬態(tài)問題：功率階躍變化時(shí)氙瞬態(tài)問題：功率階躍變化時(shí)Xe的原子密度有一個(gè)的原子密度有一個(gè)瞬態(tài)變化過程，從而造成了倍增因子的瞬態(tài)變化。瞬態(tài)變化過程，從而造成了倍增因

11、子的瞬態(tài)變化。典型情況：停堆時(shí)的典型情況：停堆時(shí)的“碘坑碘坑”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。l氙振蕩：氙密度隨反應(yīng)堆功率之間在空間上存在正氙振蕩：氙密度隨反應(yīng)堆功率之間在空間上存在正反饋機(jī)制的振蕩現(xiàn)象。在大尺寸通量高的反應(yīng)堆中反饋機(jī)制的振蕩現(xiàn)象。在大尺寸通量高的反應(yīng)堆中有可能出現(xiàn)。有可能出現(xiàn)。 碘坑曲線反映了隨著停閉時(shí)間的增加，堆內(nèi)反應(yīng)性的變化。四、燃耗分析四、燃耗分析(1)l反應(yīng)堆中材料成份的原子密度在不斷的變化。對(duì)倍增因子或?qū)χ凶悠胶庥绊懘蟮哪切┰用芏鹊淖兓绕涫俏覀冴P(guān)心的。上一節(jié)Xe、Sm的討論是典型的一個(gè)方面。本節(jié)要處理的是與核燃料有關(guān)的原子密度的變化以及他們的影響。l核燃料原子密度變化的分析稱為燃耗

12、分析。燃耗分析首先是要根據(jù)核反應(yīng)式列出有關(guān)的微分方程，然后對(duì)這些微分方程進(jìn)行聯(lián)立求解，得到燃料有關(guān)的原子密度隨時(shí)間的變化。燃耗分析以已知通量分布為前提。相對(duì)于解決能譜問題和通量的空間分布問題，燃耗分析要簡(jiǎn)單一些。 四、燃耗分析四、燃耗分析(2)四、燃耗分析四、燃耗分析(3)l能譜計(jì)算和擴(kuò)散計(jì)算是以反應(yīng)堆某一個(gè)固定的材料成份為基礎(chǔ)的。隨著燃料的不斷消耗，材料成份變化了，能譜和擴(kuò)散計(jì)算的結(jié)果便不正確了，需要根據(jù)新的材料成份進(jìn)行能譜和擴(kuò)散計(jì)算。因此，能譜、擴(kuò)散、燃耗分析三大任務(wù)是相互耦合的任務(wù)。這里沒有提到溫度計(jì)算，實(shí)際上，能譜計(jì)算與溫度有很大關(guān)系，因此堆內(nèi)的溫度場(chǎng)計(jì)算作為第四大任務(wù)也參與到上述耦合

13、計(jì)算。四、燃耗分析四、燃耗分析(4)S: 能譜計(jì)算, F: 通量計(jì)算, F: 通量調(diào)整, B: 燃耗計(jì)算四、燃耗分析四、燃耗分析(5): 燃耗深度燃耗深度l燃耗深度：裝進(jìn)反應(yīng)堆單位重量的重金屬(例：235U + 238U)在卸出堆芯時(shí)釋放出的能量。單位：MWd/tU。1噸235U全部裂變釋放能量約為106MWd?，F(xiàn)今壓水堆燃料中235U的加濃度在35%左右。燃耗也在35萬MWd/tU左右。這其中一部分是239Pu等其他裂變材料的貢獻(xiàn)。卸料時(shí)235U并沒有消耗完。影響燃耗深度的主要因素是燃料元件(包括燃料本身和包殼材料)本身耐輻照的性能。有效增值系數(shù)隨燃耗深度變化曲線有效增值系數(shù)隨燃耗深度變化曲線四、燃耗分析四、燃耗分析(6): 堆內(nèi)燃料管理堆內(nèi)燃料管理l堆內(nèi)燃料管理：為使堆內(nèi)燃耗深度盡可能均勻而采取一些技術(shù)措施，如分區(qū)裝料、用硼酸或可燃毒物代替控制棒、優(yōu)化的控制棒運(yùn)行程序、優(yōu)化的換料方案等等。進(jìn)行優(yōu)化的堆內(nèi)燃料管理可以增加反應(yīng)堆換料周期、提高燃耗深度，從而明顯提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。五、反應(yīng)性補(bǔ)償與控制五、反應(yīng)性補(bǔ)償與控制 (1)l反應(yīng)堆運(yùn)行以后溫度升高、產(chǎn)生毒物、燃料消耗等等因素都使得反應(yīng)性下降，因此反應(yīng)堆一定要設(shè)計(jì)相應(yīng)的后備反應(yīng)性。反應(yīng)堆控制手段要能夠控制這些后備反應(yīng)性，使得反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)反應(yīng)性