核反應(yīng)堆工程15

核能開發(fā)與應(yīng)用反應(yīng)性變化反應(yīng)堆正常運(yùn)行第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制提升功率，慢化劑及燃料的溫度升高。當(dāng)溫度系數(shù)T為負(fù)值時(shí)，ρ要變小。平衡氙毒的建立以及釤毒的逐漸累積，ρ變小。燃料不斷消耗，使ρ變小。反應(yīng)堆工況變化時(shí)，ρ值也要變化1.適當(dāng)?shù)某跏己髠浞磻?yīng)性2.調(diào)整后備反應(yīng)性的手段反應(yīng)性控制中的物理量1、剩余反應(yīng)性：在任何時(shí)刻，通過對控制元件和其他用于控制反應(yīng)性的毒物的調(diào)節(jié)，所能獲得的最大反應(yīng)性。記為ρex。剩余反應(yīng)性的大小與反應(yīng)堆的運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行工況有關(guān)。一個(gè)新堆的剩余反應(yīng)性稱為“初始剩余反應(yīng)性”。一般說來．一個(gè)新的堆芯，在冷態(tài)無中毒情況下，它的初始剩余反應(yīng)性為最大。2、停堆深度：當(dāng)全部控制毒物都投入堆芯時(shí)，核反應(yīng)堆所達(dá)到的負(fù)反應(yīng)性。用ρs來表示。停堆深度與核反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行工況有關(guān)。為確保核反應(yīng)堆的安全，要求在熱態(tài)、平衡氙中毒的工況下，必須具有足夠大的停堆深度。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制

否則，當(dāng)堆芯逐漸冷卻和氙-135逐漸地衰變后，核反應(yīng)堆的反應(yīng)性就逐漸增加，停堆深度就逐漸地減小，這樣堆芯有可能又重新恢復(fù)到臨界或超臨界的危險(xiǎn)狀態(tài)。一般壓水堆，規(guī)定冷態(tài)無中毒時(shí)的停堆深度為3％一5％，在核反應(yīng)堆物理設(shè)計(jì)時(shí)，還保證任一組控制棒被卡在堆芯外的情況下，冷態(tài)和無中毒時(shí)的停堆深度必須大于2-3$。3．總的被控制當(dāng)量總的被控當(dāng)量等于初始剩余反應(yīng)性與停堆深度之和，用表示。即＝

ex+

s

一組控制棒組件完全插入后在堆芯內(nèi)引起的反應(yīng)性變化，定義為該組控制棒組件反應(yīng)性當(dāng)量。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制反應(yīng)性控制的任務(wù)采取各種切實(shí)有效的控制方式，在確保安全的前提下，控制核反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性，以滿足核反應(yīng)堆長期運(yùn)行的需要；通過控制毒物適當(dāng)?shù)目臻g布置和最佳的提棒方式，使反應(yīng)堆在整個(gè)堆芯壽期內(nèi)保持較平坦的功率分布，使功率峰因子盡可能地??；在外界負(fù)荷變化時(shí)，能調(diào)節(jié)核反應(yīng)堆功率．使它能適應(yīng)外負(fù)荷變化；在核反應(yīng)堆出現(xiàn)事故時(shí)，能迅速安全地停堆，并保持適當(dāng)?shù)耐６焉疃?。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制反應(yīng)性的控制分成三類：1．緊急控制：當(dāng)核反應(yīng)堆需要緊急停培時(shí)，核反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)能迅速引入一大負(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，以確保核反應(yīng)堆安全。2．功率調(diào)節(jié)：當(dāng)外界負(fù)荷或堆芯溫度發(fā)生變化時(shí)．核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)必須引入適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)性，以滿足核反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)的需要。

3．補(bǔ)償控制：由于動(dòng)力堆的初始剩余反應(yīng)性比較大．在堆芯壽期初期，在堆芯中必須引入較多的控制毒物。隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行，剩余反應(yīng)性不斷地減小，為了保持核反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行，必須逐漸從堆芯移出相應(yīng)的控制毒物。由于這些反應(yīng)性的變化是很緩慢的，所以相應(yīng)控制毒物的移動(dòng)也是很緩慢的。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制從表5．1中可知，熱中子反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性和總的被控制反應(yīng)性，要比快中子反應(yīng)堆大得多。這是因?yàn)榭熘凶佣阎腥剂系脑鲋逞a(bǔ)償了燃耗；同時(shí)溫度效應(yīng)．中毒效應(yīng)對快中子堆的影響比它們對熱中子的影響小。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制反應(yīng)性控制的基本原理考察有效增值因數(shù)：、基本不變。當(dāng)熱中子反應(yīng)堆的燃料濃縮度以及燃料與慢化劑的性質(zhì)、成分確定后?？刂茻o效焦點(diǎn)集中在與控制原理：主要通過控制熱中子利用系數(shù)和不泄露幾率來實(shí)現(xiàn)。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制控制方法：毒物控制法控制棒法：用吸收截面很高的材料制成控制捧，并插入堆芯或反射層內(nèi)，移動(dòng)控制棒即可達(dá)到控制目的可以通過控制堆芯附加吸收物質(zhì)來控制f，當(dāng)堆芯控制材料增加(如向堆芯插入控制棒)時(shí)，非裂變材料吸收的份額增加，易裂變物質(zhì)吸收中子的份額相對減小，使得f值變小，反之亦然。改變f值得大小達(dá)到改變反應(yīng)性的目的。通常，動(dòng)力堆都采用控制棒來控制快變化的反應(yīng)性。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制控制棒的優(yōu)點(diǎn)：控制的速度快、靈活機(jī)動(dòng)且可靠有效。缺點(diǎn)是：因?yàn)樗軓?qiáng)烈吸收中子，故移動(dòng)控制棒對堆內(nèi)通量分布的擾動(dòng)較大，導(dǎo)致中子通量分布不均勻性增大發(fā)生某種形式的畸變。從而增加了堆芯的中子泄漏，減小中子不泄漏幾率。大型反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性控制量較大，控制棒數(shù)量較多，這個(gè)缺點(diǎn)就更為突出。彌補(bǔ)方法：在采用控制棒的同時(shí)，還采用了化學(xué)控制劑如硼(10B)的“載硼運(yùn)行”方案，即在水中加硼酸．通過對10B濃度的控制，實(shí)現(xiàn)部分反應(yīng)性的控制。由于硼在慢化劑中分布均勻，因而濃度改變時(shí)堆內(nèi)中子通量變化也比較均勻。這種辦法可彌補(bǔ)控制棒的不足，而且也比較經(jīng)濟(jì)便宜。慢化劑中含硼量太高，就會(huì)使慢化劑的溫度系數(shù)變正。這是不利于安全運(yùn)行的。可燃毒物管，亦即在堆芯內(nèi)以一定分布放置硼鋼管等強(qiáng)中子吸收劑。隨著反應(yīng)堆運(yùn)行中燃耗的加深，10B原子核數(shù)目逐漸減少，這就相當(dāng)于有反應(yīng)性逐漸“放出”．從而起到了控制反應(yīng)性的作用。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制壓水堆的控制方法初始剩余反應(yīng)性很大，總的被控當(dāng)量很大。輕水堆的柵格較稠密，控制棒的效率比較低，如果全部采用控制棒來控制，則需要很多控制體。壓水堆堆芯體積較小，要安排眾多的控制棒是很困難的：壓力容器項(xiàng)蓋開孔增加，使壓力容器頂蓋的強(qiáng)度大大下降，增加設(shè)計(jì)制造的難度。聯(lián)合控制：目前大型壓水推部采用控制棒，固體可燃毒物和冷卻劑中加硼酸溶液二種控制方式聯(lián)合使用；小型壓水推可采用控制棒和固體可燃毒物并用的方式來控制。三種基本本控制方法的特點(diǎn)。1、控制棒法利用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)升降，改變中子的非裂變吸收和泄漏量控制反應(yīng)性。特點(diǎn)：移動(dòng)速度快，操作可靠靈活，控制反應(yīng)性準(zhǔn)確度高，主要用來控制反應(yīng)性的快速變化。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制根據(jù)用途不同，控制棒‘般可分為三類：

(1)調(diào)節(jié)俸調(diào)節(jié)反應(yīng)性微小變化，用來調(diào)節(jié)堆功率的，反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)用它來跟蹤各種意外的反應(yīng)堆擾動(dòng)(這類反應(yīng)性擾動(dòng)的特點(diǎn)是快，但數(shù)值不大)，一組調(diào)節(jié)棒的反應(yīng)性不能超過1元，這樣即使操縱入員誤操作，一組調(diào)節(jié)棒全抽出，也不會(huì)使反應(yīng)堆達(dá)到瞬發(fā)臨界狀態(tài)。

(2)補(bǔ)償棒補(bǔ)償棒用來補(bǔ)償隨時(shí)間變化比較慢，但數(shù)值比較大的反應(yīng)性．如補(bǔ)償溫度、中毒、燃耗效應(yīng)引起的反應(yīng)性損失：在核反應(yīng)堆運(yùn)行初期，補(bǔ)償棒幾乎全部插入唯芯，以抵消核反應(yīng)推的后備反應(yīng)性。到核反應(yīng)堆運(yùn)行末期時(shí)，補(bǔ)償棒全部由堆芯抽出。由于補(bǔ)償棒數(shù)量較多，動(dòng)作較慢，一般采用手動(dòng)操作。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制(3)安全棒安全棒是用來在緊急情況下關(guān)閉反應(yīng)堆的，平時(shí)抽出推心，如出現(xiàn)某種事故需要馬上停堆。就將安全棒迅速插入堆芯，使堆處于次臨界狀態(tài)。安全棒的反應(yīng)性當(dāng)量大，動(dòng)作快，通常采用掉棒方式，并使它處于控制效率較高的位置上，一且有事故信號或停堆命令．便立即掉棒。附加安全設(shè)施：硼球、硼酸（緊急停堆）控制棒優(yōu)點(diǎn)：快速、靈活、可靠有效不利點(diǎn)：物理上：造成中子通量密度畸變。工程上：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)加工帶來困難。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制２、固體可燃毒物法在反應(yīng)堆中插入硼鋼管等，補(bǔ)償燃耗。10B的熱中子吸收截面高達(dá)347×10-24cm2（347ｂ），反應(yīng)堆用碳化硼中10B豐度應(yīng)大于19%。

10B俘獲中子的主反應(yīng)為：

10B+n→7Li+4He

具有高中子吸收能力，中子俘獲截面高，吸收能譜寬，沒有二次輻射污染；價(jià)格低廉，原料來源廣泛。注意：只能補(bǔ)償緩慢變化的反應(yīng)性，跟隨不了反應(yīng)性的突然變化。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制3、液體毒物控制法如硼酸等與冷卻劑均勻混合，用調(diào)節(jié)硼的濃度來控制反應(yīng)性。（棒控與化控相結(jié)合）優(yōu)點(diǎn)：易操作、分布均勻，不會(huì)引起功率畸變，濃度可調(diào)。不占位置，不需驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)性好。缺點(diǎn)：濃度對溫度系數(shù)有顯著的影響T上升水的密度下降硼核減少反應(yīng)性增加到一定程度會(huì)使慢化劑溫度系數(shù)出現(xiàn)正值第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制控制棒的作用控制棒是強(qiáng)吸收體，移動(dòng)速度快、操作可靠、使用靈活、控制反應(yīng)性的準(zhǔn)確度高．它是各種類型反應(yīng)堆中緊急控制和功率調(diào)節(jié)所不可缺少的控制部件。它主要是用來控制反應(yīng)性的快變化。主要是用它來控制下列一些因素所引起的反應(yīng)性變化；(1)燃料的多普勒效應(yīng)；(2)慢化劑的溫度效應(yīng)和空泡效應(yīng)(3)變工況時(shí)，瞬態(tài)氙效應(yīng)；(4)硼沖稀效應(yīng)；(5)熱態(tài)停堆深度。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制控制棒材質(zhì)：第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制1、具有很大的中子吸收截面(熱中子、超熱中子）。一般采用銀—銦—鎘合金作為控制捧材料。這是因?yàn)殒k的熱中子吸收截面很大，銀和銦對于能量在超熱能區(qū)的中子又具有較大的共振吸收峰。2、有較長的壽命，這就要求它在單位體積中含吸收體的核數(shù)要多．而且要求它吸收中子后形成的子核也具有較大的吸收截面。3、具有抗輻照、抗腐蝕性能和良好的機(jī)械性能。船用反應(yīng)堆采用鉿做控制棒材料?？刂撇牧香x-177，它俘獲中子后形成鉿-178，后者形成鉛-179等等，它們都具有很大的共振截面。因而作為中子吸收劑具有很長的使用壽命。幾個(gè)概念1、控制棒價(jià)值（效率）：一根控制棒完全插入臨界的反應(yīng)堆中所引起的反應(yīng)性變化。即在堆芯內(nèi)有控制棒存在時(shí)和沒控制棒存在時(shí)的反應(yīng)性之差。2、黑體：控制棒能吸收轟擊棒上的全部熱中子。3、灰體：只吸收部分熱中子。顯然：黑體對熱中子通量密度擾動(dòng)較大，灰體較小。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__反應(yīng)性控制單棒的全價(jià)值k0為插入前反應(yīng)堆的有效增值因數(shù)，k為插入后反應(yīng)堆的有效增殖因數(shù)。如果插棒前反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)，則k0

＝1，k＜1。中心單棒：根據(jù)假定，控制棒的插入不改變反應(yīng)堆芯部材料的物理性質(zhì)，只改變反應(yīng)堆芯部的幾何邊界條件。式中：R：外推半徑，H：外推高度，a：控制棒半徑控制棒價(jià)值與M2、與控制棒半徑、外推距離d、和反應(yīng)堆半徑R有關(guān).M為徙動(dòng)長度?？刂瓢舴e分價(jià)值如果控制棒部分地插入堆芯中心某一深度z處，它所抵消的反應(yīng)性，稱為控制棒在深度z處的積分價(jià)值，用z表示。微分價(jià)值控制棒在堆內(nèi)沿著插入方向移動(dòng)單位距離所引起的反應(yīng)性變化，稱為控制棒的微分價(jià)值(也稱微分反應(yīng)性)，用z來表示。控制棒干涉效應(yīng)：所有控制棒全部插入堆底時(shí)，它們所抵消的反應(yīng)性，稱為控制棒的總價(jià)值。干涉效應(yīng)：所有控制棒同時(shí)插入堆芯時(shí)，它們的總價(jià)值并不等于每根控制棒單獨(dú)插入堆芯時(shí)的價(jià)值的總和。這是因?yàn)橐桓刂瓢舨迦攵研竞髮⒁鸲研局兄凶油棵芏鹊幕儯瑒荼赜绊懙狡渌舻膬r(jià)值。這種現(xiàn)象稱為控制棒間的干涉效應(yīng)?？刂瓢魧Χ研竟β史植嫉挠绊懹捎诳刂瓢羰菑?qiáng)吸收體，它使中子通量密區(qū)分布產(chǎn)生畸變。當(dāng)控制棒插入或抽出堆芯時(shí)將使整個(gè)堆芯的中子通量密度分布和功率分布都產(chǎn)生畸變在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，要求功率峰因子不超過設(shè)汁準(zhǔn)則所規(guī)定的數(shù)值，必須計(jì)算移動(dòng)控制棒對功率分布的影響，確定最佳提棒方式，使它能符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求。對于核反應(yīng)堆運(yùn)行人員學(xué)握控制棒對功率分布的影響，自覺地使用最佳提棒方式，確保核反應(yīng)堆安全運(yùn)行十分必要的。反應(yīng)性控制——可燃毒物控制一、可燃毒物均勻布置這說明可燃毒物的消耗與堆芯中剩余反應(yīng)性的減小不匹配。我們希望隨著可燃毒物的消耗，在整個(gè)堆芯壽期內(nèi)，有效增殖因數(shù)的變化盡可能地小，這樣對反應(yīng)堆的控制有利。希望采用吸收截面比較小的可燃毒物。但是σa，p

值小，可燃毒物消耗慢，則在堆芯壽期末期將仍有較多的毒物殘留在堆內(nèi)，它們對中子的有害吸收將使堆芯壽期縮短。最理想的情況是：在堆芯壽期初，可燃毒物的吸收截面不要太大，以減少有效增殖因數(shù)偏離初始值的程度，但隨著可燃毒物的消耗，要求它的吸收