反應(yīng)堆物理精品課件

1、反應(yīng)堆物理第1頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二在反應(yīng)堆中的轉(zhuǎn)換過(guò)程主要有兩類。可以將舊料中的钚-239提取出來(lái)，再加以利用，這樣的循環(huán)過(guò)程稱為鈾-钚循環(huán)。將舊料中的鈾-233提取出來(lái)，再加以利用，這樣的循環(huán)過(guò)程稱為釷-鈾循環(huán)。第2頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二假設(shè)有N個(gè)易裂變同位素原子核消耗掉，產(chǎn)生了N*CR個(gè)新的易裂變核，再假設(shè)新易裂變核與原易裂變同位素相同，若CR1時(shí)，堆內(nèi)產(chǎn)生的易裂變?cè)囟嘤谙牡舻?，除了維護(hù)自身的需要外，還可以提供給其他新反應(yīng)堆使用。這種反應(yīng)堆稱為增殖堆。CR1時(shí)，CR稱為增殖比，通常用BR表示。第3頁(yè)，共50頁(yè)，202

2、2年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二轉(zhuǎn)換與增殖轉(zhuǎn)換與增殖是對(duì)同樣的U-238-Pu-239或Th-232-U-233物理過(guò)程而言的，只是程度不同當(dāng)轉(zhuǎn)換比大于1時(shí)稱為增殖實(shí)現(xiàn)增殖的必要條件是2第4頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二通常用快堆對(duì)來(lái)對(duì)燃料增殖。第5頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二第6頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二核燃料管理 進(jìn)堆前的核燃料管理 堆內(nèi)核燃料管理 出堆后的燃料管理第7頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二核燃料管理中的基本物理量 換料周期與循環(huán)長(zhǎng)度 在每個(gè)堆芯壽期末，反應(yīng)堆必須停堆換

3、料。反應(yīng)堆兩次停堆換料之間的時(shí)間間隔稱為一個(gè)換料周期T。每經(jīng)歷一個(gè)換料周期，就稱反應(yīng)堆經(jīng)歷了一個(gè)運(yùn)行循環(huán)。一個(gè)運(yùn)行循環(huán)所經(jīng)歷的相當(dāng)于滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間，就稱為該運(yùn)行循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度。用等效滿功率天表示（EFPD）。目前一般都采用1年或者18個(gè)月為換料周期，也有的采用24個(gè)月。第8頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二批料數(shù)n和一批換料量N每次換料時(shí)，只將燃耗較深的那部分燃料卸出堆芯，其余燃料進(jìn)入下一循環(huán)。稱為分批換料。如果堆內(nèi)的燃料組件總數(shù)為NT ，每次換料更換的燃料組件數(shù)為N ，則定義NT/N=n 為批料數(shù)，稱N為一批換料量。如循環(huán)長(zhǎng)度不變，提高批料數(shù)就可以加深燃料的平均卸料燃

4、耗深度，但同時(shí)必須提高燃料的富集度。大亞灣核電廠采用18個(gè)月?lián)Q料，三批裝料或1/3換料。第9頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二循環(huán)燃耗和卸料燃耗全堆芯核燃料在經(jīng)歷一個(gè)運(yùn)行循環(huán)后所凈增的平均燃耗深度稱為該循環(huán)的循環(huán)燃耗，用BUc 表示。新料從進(jìn)入堆芯開(kāi)始，經(jīng)過(guò)若干個(gè)循環(huán)，最后卸出堆芯時(shí)所達(dá)到的然耗深度稱為卸料燃耗深度，BUd 。年換料，卸料燃耗3338GWd/tU18個(gè)月?lián)Q料，卸料燃耗4045GWd/tU美國(guó)核管會(huì)已于1999年批準(zhǔn)提高核燃料燃耗深度的限值,即從以前規(guī)定的限值62GWd/tU放寬到7075GWd/tU。這 樣可以大大減少乏燃料的產(chǎn)生量。第10頁(yè)，共50頁(yè)，2

5、022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二核燃料管理任務(wù)1、新燃料的富集度；2、批料數(shù)n或一批換料量N；3、循環(huán)長(zhǎng)度T；4、循環(huán)功率水平P；5、燃料組件裝載方案X(i,j)；6、控制毒物在堆芯的布置BP(i,j)第11頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二燃料管理計(jì)算示意圖 系統(tǒng)能量需求及約束條件多循環(huán)燃料管理確定、T、n或N單循環(huán)燃料管理確定換料方案（X、BP）、keff、(r) 調(diào)整決策變量方案接受？結(jié)束是否第12頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二多循環(huán)燃料管理一座核電廠從建成到退役大約經(jīng)歷40年的時(shí)間，其間要經(jīng)歷幾十個(gè)運(yùn)行循環(huán)，形成所謂的運(yùn)行循環(huán)系列

6、。按照特性，可以分為初始循環(huán)、過(guò)渡循環(huán)、平衡循環(huán)和受擾動(dòng)循環(huán)。平衡循環(huán)序列在理想情況下是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)序列，在這個(gè)循環(huán)序列中，每個(gè)循環(huán)的性能參數(shù)（循環(huán)長(zhǎng)度、新料富集度、一批換料量以及平均卸料燃耗）都保持相同，運(yùn)行循環(huán)進(jìn)入一個(gè)平衡狀態(tài)。反應(yīng)堆不可能真正建立起穩(wěn)態(tài)的平衡循環(huán)序列，但是我們認(rèn)為平衡循環(huán)是性能指標(biāo)最佳的循環(huán)方案。并作為燃料管理的目標(biāo)運(yùn)行循環(huán)。第13頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二QNPCCYC1526.0EFPD (14148MWD/MTU) CYC2278.9EFPD (7500MWD/MTU)CYC3335.2EFPD (9014MWD/MTU) CYC43

7、52.0EFPD (9467MWD/MTU)CYC5354.6EFPD (9537MWD/MTU) CYC6401.3EFPD (10794MWD/MTU) CYC7418.9EFPD (11235MWD/MTU) 第14頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二Qnpc-cyc2第15頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二Qnpc-cyc3第16頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二Qnpc-cyc4第17頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二Qnpc-cyc5第18頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二Q

8、npc-cyc6第19頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二Qnpc-cyc7第20頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二平衡循環(huán)及各參數(shù)之間的關(guān)系在多循環(huán)分析時(shí)，不考慮組件在堆芯內(nèi)的詳細(xì)布置，而采用零維堆芯模型，常稱作點(diǎn)堆模型。通過(guò)點(diǎn)堆模型來(lái)討論循環(huán)長(zhǎng)度、新料富集度、批料數(shù)和卸料燃耗深度等參數(shù)之間的關(guān)系。第21頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二第22頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二反應(yīng)性與燃耗關(guān)系從實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于典型的輕水堆燃料組件，其反應(yīng)性近似地是燃耗深度的線性函數(shù)。即： 對(duì)于有可燃毒物的組件，反應(yīng)性隨

9、燃耗的關(guān)系較為復(fù)雜，常采用高階多項(xiàng)式或通過(guò)列表插值來(lái)獲得。第23頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二第24頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二泄漏反應(yīng)性 通常分為徑向泄漏反應(yīng)性損失和軸向泄漏反應(yīng)性損失兩部分。其中軸向泄漏隨燃耗的變化較小，可由堆芯軸向中子通量密度近似成余弦分布加以估算。而徑向泄漏比較復(fù)雜，由具體的堆芯布料方案來(lái)確定。第25頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二平衡循環(huán)特性分析考慮一個(gè)由NT個(gè)燃料組成的n批換料堆芯運(yùn)行在平衡循環(huán)序列。每一循環(huán)從堆芯卸出的組件數(shù)都為N個(gè)，假設(shè)堆芯內(nèi)各批料以相同的功率密度運(yùn)行，即fi=1/n。

10、此時(shí)堆芯反應(yīng)性為：設(shè)每一循環(huán)的循環(huán)燃耗為BUC，令運(yùn)行循環(huán)的滿功率壽期末堆芯反應(yīng)性為零，則有：第26頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二若知道燃料組件的初始反應(yīng)性與初始富集度之間的關(guān)系，上式便給出了平衡循環(huán)時(shí)循環(huán)能量需求、批料數(shù)和燃料組件初始富集度三者之間的關(guān)系。分為三種情況討論：卸料燃耗為：(1)給定燃料組件的初始富集度(0給定)第27頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二第28頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二（2）給定循環(huán)燃耗BUc若換料周期確定，一般為12個(gè)月或者18個(gè)月，則n批換料堆芯所需的新料反應(yīng)性為： 表示n批換料時(shí)，為

11、獲得某一循環(huán)燃耗所必需的新料初始反應(yīng)性。對(duì)于典型壓水堆，初始反應(yīng)性與富集度有近似關(guān)系：由3批料改成4批料時(shí)，為保持平衡循環(huán)的循環(huán)燃耗不變，富集度需要由3%提高到3.5%，卸料燃耗提高到原來(lái)的4/3倍。第29頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二（3）給定卸料燃耗深度在保持卸料燃耗深度為常數(shù)的情況下，新料的初始反應(yīng)性隨批料數(shù)的變化為：可看出隨著批料數(shù)的增加，用于產(chǎn)生相同卸料燃耗所需的燃料組件反應(yīng)性可以降低。在連續(xù)換料時(shí)，新料初始反應(yīng)性可以降低至1批換料的1/2，這也是CANDU可以用天然鈾作燃料的一個(gè)原因。第30頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二第31頁(yè)，

12、共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二第32頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二初始循環(huán)和過(guò)渡循環(huán)初始循環(huán)是核電廠中唯一全部由新料組成堆芯的循環(huán)。由初始裝載堆芯出發(fā)，可以通過(guò)多種方式逐步地向平衡循環(huán)過(guò)渡：a.固定循環(huán)燃耗并固定一批換料量N，調(diào)節(jié)逐個(gè)循環(huán)的新料富集度。b.固定循環(huán)燃耗和新料的富集度，調(diào)節(jié)逐個(gè)循環(huán)的一批換料量N。c.固定新料的富集度和一批換料量，調(diào)節(jié)逐個(gè)循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度。假定組件或堆芯滿足以下條件：線性反應(yīng)性模型、各批料功率相同、新料富集度確定，可以得到：第33頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二第34頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5

13、月20日，3點(diǎn)57分，星期二第35頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二單循環(huán)燃料管理在分批換料時(shí)，新舊燃料如何布置？a.均勻裝料。在整個(gè)堆芯中采用相同富集度的組件。缺點(diǎn)： 一、堆芯中心區(qū)域的中子通量密度很高，壽期初的功率峰因子很大，限制了功率輸出。 二、邊緣區(qū)域中子通量密度低，燃耗淺，平均卸料燃耗也淺。第36頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二堆芯換料方案均勻裝料第37頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二均勻裝料的堆芯功率分布?jí)燮诔豕β史逡蜃舆^(guò)大，限制了反應(yīng)堆功率輸出壽期末功率分布較理想，但已得停堆換料第38頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，

14、5月20日，3點(diǎn)57分，星期二非均勻裝料方案為了克服均勻裝料的缺點(diǎn)，采用非均勻的裝料方式，把堆芯分成若干區(qū)域，在不同區(qū)域裝載富集度和燃耗深度不同的燃料。 如： 內(nèi)-外換料方案 外-內(nèi)換料方案 外-內(nèi)分區(qū)交替換料 低泄漏換料方案第39頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二堆芯換料方案內(nèi)-外裝料 經(jīng)過(guò)兩個(gè)循環(huán)的舊料經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)的舊料新料第40頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二內(nèi)-外裝料燃耗比較均勻中子泄漏損失小，壽期長(zhǎng)壽期初中心區(qū)域的中子通量密度很高。在動(dòng)力堆的實(shí)際運(yùn)行中不采用這種裝料方式。第41頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二堆芯換

15、料方案外-內(nèi)裝料 新料經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)的舊料經(jīng)過(guò)兩個(gè)循環(huán)的舊料第42頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二外-內(nèi)裝料堆芯功率分布較均勻中子泄漏損失大對(duì)壓力殼的中子輻照損傷大第43頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二堆芯換料方案外-內(nèi)交替裝料 新料經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)的舊料經(jīng)過(guò)兩個(gè)循環(huán)的舊料第44頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二外-內(nèi)交替裝料功率分布比外-內(nèi)裝料更均勻裝料時(shí)不需要移動(dòng)全堆芯所有的組件中子泄漏依然很大第45頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二低泄漏裝料 新料經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)的舊料經(jīng)過(guò)兩個(gè)循環(huán)的舊料回裝的乏料第46頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分，星期二低泄漏裝料自70年代末發(fā)展起來(lái)的一種裝料方式，目前世界上多數(shù)壓水堆核電廠已采用了該換料方案；堆芯邊緣中子通量密度較低，從而減少了中子從堆芯的泄漏，提高了中子利用率，延長(zhǎng)了堆芯壽期；更重要的是由于快中子泄漏的降低，使反應(yīng)堆壓力殼的中子注量減小，從而延長(zhǎng)了壓力殼和反應(yīng)堆的使用壽命。第47頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)57分