核能開(kāi)發(fā)及應(yīng)用11反應(yīng)堆材料及物理

核能開(kāi)發(fā)及應(yīng)用第四章：材料及物理反應(yīng)堆壓力容器用來(lái)固定和包容堆芯、堆內(nèi)構(gòu)件，使核燃料的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)限制在一個(gè)密封的金屬殼內(nèi)進(jìn)行。把燃料元件包殼稱為防止放射物質(zhì)外逸的第一道屏障。包容整個(gè)堆芯的壓力容器及一回路管路系統(tǒng)稱為第二道屏障。壓力容器外形尺寸大、質(zhì)量大，加工制造技術(shù)難度大，特別是隨著核電站單堆容量增大，壓力容器的尺寸也越來(lái)越大。例如，電功率為1200MW的核電站，其壓力容器高13.3M，內(nèi)徑5m，壁厚240mm，質(zhì)量達(dá)540t。主焊縫厚達(dá)200—300mm，因此焊接質(zhì)量和檢驗(yàn)工序復(fù)雜，在制造過(guò)程中需反復(fù)熱處理和反復(fù)探傷檢驗(yàn)。壓力容器選材原則要保證材質(zhì)純度，要求材質(zhì)中的硫化物、氧化物等非金屬雜質(zhì)盡量少，磷和硫含量及低熔點(diǎn)元素含量應(yīng)盡量低，且分布均勻。材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和足夠的韌性，脆性斷裂是反應(yīng)堆壓力容器最嚴(yán)重的失效形式，材料對(duì)脆性斷裂的基本抗力是材料的韌性，保證并盡力提高材料的韌性是防止脆性斷裂的根本途徑。材料應(yīng)具有低的輻照敏感性，反應(yīng)堆壓力容器由于受中子輻照的結(jié)果，提高了材料的強(qiáng)度，但降低了塑性，因而加劇了脆性破壞的可能性。為了防止出現(xiàn)脆性破壞，應(yīng)控制和降低材料的輻照脆化傾向。導(dǎo)熱性能好，在溫度變化時(shí)熱應(yīng)力較小。便于加工制造，成本低廉。當(dāng)前壓水堆的壓力容器材料普遍選用低合金鋼。低合金鋼及其焊縫在快中子積分通量大于1018cm2的輻照后，脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯升高，這是危及反應(yīng)堆壓力容器安全性的重要因素。改善低合金鋼抗輻照脆化能力的主要措施有：嚴(yán)格限制銅和磷這兩種元素的含量；添加少量鋁、釩、鉻、鉑、鎳等元素；減少鋼的輻照損傷。反應(yīng)堆壓力容器是由容器本體以及用雙頭螺栓連接的反應(yīng)堆容器頂蓋組成。反應(yīng)堆容器是由低合金鍛鋼環(huán)形鍛件焊接而成。這些無(wú)縱焊縫的單個(gè)環(huán)形鍛件用環(huán)焊連成一體，便構(gòu)成了壓力容器。反應(yīng)堆壓力容器包容堆內(nèi)構(gòu)件、堆芯，以及作為冷卻劑和慢化劑的水。為了防止銹蝕，凡是與水接觸的容器內(nèi)表面．都堆焊不銹鋼覆面層，其厚度不小于5mm。反應(yīng)堆壓力容器頂蓋由法蘭和本體焊接成一個(gè)整體。頂蓋法蘭上鉆有若干個(gè)螺栓孔，法蘭支撐面上有二道放置密封環(huán)用的槽。在法蘭上，鉆有若干個(gè)末穿透的螺紋孔。法蘭段上還包括有：①與反應(yīng)堆容器頂蓋匹配的不銹鋼支撐面。②一根泄漏探測(cè)管，為了能進(jìn)行探漏，這根管子傾斜穿過(guò)法蘭后，頭部露出在兩只O形密封環(huán)之間的支撐面上。內(nèi)密封環(huán)的泄漏是由引漏管線上的一臺(tái)溫度傳感器進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)反應(yīng)堆在額定功率下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)密封環(huán)不允許泄漏；在啟動(dòng)和停堆時(shí)，內(nèi)密封環(huán)允許的最大泄漏率為20L/h。若泄漏率大于20L／h或泄漏流溫度高于70Co時(shí)，反應(yīng)堆容器就應(yīng)加以檢查。外密封環(huán)也要經(jīng)常進(jìn)行目視檢查，以便查出其可能的泄漏。③一個(gè)支撐臺(tái)肩，用來(lái)掛吊籃。頂蓋本體一般都采用半球形頂蓋，半球形頂蓋用板材熱鍛成形。焊在頂蓋上的部件有吊餌、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)管座和溫度測(cè)量接管等。壓力容器筒體從上而下由下面幾個(gè)部分組成。接管段：反應(yīng)堆的進(jìn)出水口從這里引出，根據(jù)一回路環(huán)路數(shù)量的不同有不同的接口數(shù)，例如兩個(gè)環(huán)路就有四個(gè)接口。由于簡(jiǎn)體的這一部分開(kāi)有大的接口，為了強(qiáng)度補(bǔ)償，因此這一部分簡(jiǎn)體較厚。出口接管的內(nèi)側(cè)有一節(jié)圍筒，使出口接管與堆芯吊籃開(kāi)口之間形成連續(xù)過(guò)渡。每個(gè)接管的外端焊一段不銹鋼接管，這樣可以在現(xiàn)場(chǎng)把一回路管道與壓力容器接管焊接相連。筒身段(也稱堆芯包容環(huán)段)：由上筒體和下簡(jiǎn)體兩段組成。在簡(jiǎn)身段的下部，由因科鎳合金制成的導(dǎo)向鍵焊在內(nèi)表面上，用來(lái)給堆內(nèi)構(gòu)件導(dǎo)向并限制位移。過(guò)渡段把半球形的下封頭和容器的簡(jiǎn)體段連接起來(lái)。下封頭由熱軋鋼板按壓成半球形封頭。下封頭上裝有幾十根因科鎳導(dǎo)向套管，為堆內(nèi)中子通量測(cè)量系統(tǒng)提供導(dǎo)向，利用部分穿透焊工藝將導(dǎo)向套管焊在下封頭內(nèi)。根據(jù)反應(yīng)堆壓力容器在電站或艦船上所處的位置．各自都采用不同的支撐結(jié)構(gòu)。早期的壓力容器底部無(wú)通量測(cè)量裝置，在堆的底部設(shè)有壓力容器支撐裙，將支撐裙焊在壓力容器的下封頭或接管段上，利用支撐裙和支撐柱將壓力容器定位。近代壓水堆的壓力容器增大，并采用上進(jìn)上出的回路連接，下封頭設(shè)有中子通量測(cè)量管，需要有較大的下堆腔。因此，在核電站中，在壓力容器支撐結(jié)構(gòu)上取消了支撐裙而利用冷卻劑進(jìn)出口的接管作為壓力容器的支撐，整個(gè)壓力容器依靠接管和與接管相連的鋼墊支撐在混凝土的基礎(chǔ)上。支撐結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，使混凝土的表面溫度低于允許值。此外，為了減少壓力容器熱應(yīng)力及散熱損失，壓力容器的表面包程一層絕熱材料。反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)堆的堆內(nèi)構(gòu)件包括吊籃部件、壓緊部件、堆內(nèi)溫度測(cè)量系統(tǒng)和中子通量測(cè)量管等。堆內(nèi)構(gòu)件的作用是：①使堆芯燃料組件、控制棒組件、可燃毒物組件、中子源組件和阻力塞組件定位及壓緊，以防止這些組件在運(yùn)行過(guò)程中移動(dòng)；②保證燃料組件和控制棒組件對(duì)中，對(duì)控制棒組件的運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用；⑦分隔堆內(nèi)冷卻劑，使冷卻劑按一定方向流動(dòng)，以導(dǎo)出堆芯熱量，冷卻堆內(nèi)各部件；④固定和引導(dǎo)堆芯溫度和中子通量測(cè)量裝置，補(bǔ)償堆芯和支撐部件的膨脹空間；⑤減弱中子和射線對(duì)壓力容器的輻照．保護(hù)壓力容器，延長(zhǎng)壓力容器的使用壽命。把若干個(gè)燃料元件棒組裝成為便于裝卸、搬運(yùn)及更換的棒束組合體稱為燃料組件。燃料組件是一個(gè)整體。工作環(huán)境：壓水堆的燃料組件在堆芯中處在高溫、高壓、強(qiáng)中子輻照、沖刷和水力振動(dòng)等惡劣條件下長(zhǎng)期工作，因此燃料組件性能的好壞直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。壓水反應(yīng)堆普遍采用低濃鈾燃料、彈簧定位格架、無(wú)盒的棒束燃料組件。燃料組件由燃料元件棒、定位格架、組件骨架等部件所組成。元件棒可按14x14、15x15或17x17排列成正方形的柵格；每個(gè)組件設(shè)有16~24根控制棒導(dǎo)向管，組件的中心位置為中子通量測(cè)管，其余為燃料元件棒的位置。排列方式：目前電站壓水堆普遍采用17x17排列的燃料組件，每個(gè)組件有289個(gè)柵元，設(shè)有24根控制棒導(dǎo)向管和一根堆內(nèi)中子通量測(cè)量管，其余264個(gè)柵元裝有燃料捧。整個(gè)捧束沿高度方向設(shè)有8~I0層彈簧定位格架，將元件棒按一定間距定位并構(gòu)成一束。壓水堆燃料元件棒由燃料芯塊、燃料包殼管、壓緊彈簧、上下端塞等幾部分組成。用UO2做燃料的芯塊，其最高工作溫度應(yīng)低于UO2的熔點(diǎn)。在目前的設(shè)計(jì)中．一般取使用溫度2500~2600℃左右，鋯合金包殼的工作溫度限制在350℃以下。UO2芯塊放置在鋯-4合金包殼管中，裝上端塞，把燃料芯塊封焊在里面，從而構(gòu)成燃料元件棒。包殼既保證了燃料元件棒的機(jī)械強(qiáng)度，又將核燃料及其裂變產(chǎn)物包容住，構(gòu)成了強(qiáng)放射性的裂變產(chǎn)物與外界環(huán)境之間的第一道屏障。燃料元件棒內(nèi)有足夠的預(yù)留空間和間隙，可以容納燃料裂變時(shí)釋放出的裂變氣體．允許包殼和燃料有不同的熱膨脹，保證包殼和端塞焊縫都不會(huì)超過(guò)允許應(yīng)力。間隙內(nèi)充填一定壓力的氦氣，以改善間隙內(nèi)的熱傳導(dǎo)性能。在燃料芯塊柱的兩端裝有隔熱塊，以防止燃料產(chǎn)生的熱量向兩端傳出。在燃料芯塊柱與上部端塞之間裝有一個(gè)不銹鋼螺旋形壓緊彈簧，以防止運(yùn)輸或操作過(guò)程中芯塊在包殼管內(nèi)竄動(dòng)。堆芯具有很高的功率密度，為防止元件過(guò)熱，必須保證元件棒能獲得充分的冷卻，同時(shí)還必須限制堆內(nèi)燃料元件的最大表面熱流密度，實(shí)踐中通常限定燃料元件棒單位長(zhǎng)度發(fā)熱率。

1．燃料芯塊設(shè)計(jì)要綜合考慮物理、熱工、結(jié)構(gòu)等方面的因素，燃料芯塊由低富集度的二氧化鈾粉末經(jīng)冷壓后燒結(jié)而成，經(jīng)滾磨成一定尺寸的圓柱體。由于芯塊在高溫和輻照作用下會(huì)發(fā)生不均勻的腫脹，使燃料芯塊形成砂漏形，從而使燃料元件變成竹節(jié)狀，燃料芯塊一般都做成兩端淺碟形加倒角。另外，為獲得合適的芯塊顯微結(jié)構(gòu)，采用粉末壓制的制塊工藝并加入一些制孔劑，使燒結(jié)后的芯塊內(nèi)部存在一些細(xì)孔，既可以容納絕大部分裂變氣體，又使芯塊致密化效應(yīng)減少。這些對(duì)于防止燃料芯塊的輻照腫脹引起包殼蠕變導(dǎo)致包完破損都有明顯的效果。UO2芯塊容易從它的周圍吸收水分，在反應(yīng)堆啟動(dòng)后，燃料吸收的水分將釋放出來(lái)，并在輻照作用下分解為氫氧根和氫，其中氫被鋯合金吸收形成氫化鋯，使材料性能變脆，而產(chǎn)生氫脆效應(yīng)。許多反應(yīng)堆內(nèi)都曾發(fā)生過(guò)鋯的氫脆破壞，因此，應(yīng)該控制芯塊的含水量。2、芯塊密度芯塊的密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有很大影響。所以為了使芯塊的溫度下降，希望密度高，但是在高燃耗的情況下，為了減小腫脹需要有氣孔，這種情況下低密度芯塊有好處?，F(xiàn)代壓水堆一般取95％UO2理論密度為芯塊的密度。在徑向溫度梯度和輻照的影響下，燃料芯塊出現(xiàn)收縮導(dǎo)致燃料密實(shí)化，從而造成燃料包殼的塌陷。一般說(shuō)來(lái)，燃料密實(shí)化的速率取決于燃料的氣孔尺寸、密度和晶粒大小等因素。3．集氣空腔和充填氣體芯塊和包殼間留有軸向空腔和徑向間隙，它們的作用是：補(bǔ)償芯塊軸向的熱膨脹和腫脹；容納從芯塊中放出的裂變氣體，把由于裂變氣體造成的內(nèi)壓上升限制在適當(dāng)?shù)闹?，以避免包殼或密封焊接處的?yīng)力過(guò)大。此外，為了降低運(yùn)行過(guò)程中包殼管的內(nèi)外壓差，防止包殼管的蠕變塌陷和改善燃料元件的傳熱性能，現(xiàn)代壓水堆燃料元件棒設(shè)計(jì)都采用了預(yù)充壓技術(shù)，即在包殼管內(nèi)腔預(yù)先充有3MPa的惰性氣體氦，當(dāng)燃料元件棒工作到接近壽期終了時(shí)，包殼管內(nèi)氦氣加上裂變氣體的總壓力同包殼管外面冷卻劑的工作壓力值相近。4．燃料元件包殼目前壓水堆燃料元件包殼管幾乎都是用鋯-4合金冷拉而成的。燃料元件包殼的外徑一般是根據(jù)設(shè)計(jì)要求定出的，同時(shí)還要考慮水鈾比等各種因素。壓水堆燃料元件包殼的壁厚主要是從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和腐蝕兩方面考慮。元件是靠包殼本身的強(qiáng)度抵抗冷卻劑的外壓，不發(fā)生塌陷而保持其形狀。隨著燃耗的加深，包殼管因燃料腫脹和裂變氣體壓力而造成的周向變形不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所確定的極限值。另外要注意下面兩點(diǎn)：①燃料包殼到燃料壽期末的吸氫量不得超過(guò)容許值(不應(yīng)高于600mg/kg)；②包殼的腐蝕量不得大到破壞包殼材料完整性程度。元件棒壽期末包殼壁最大腐蝕穿透深度應(yīng)低于其原來(lái)壁厚的10％．或限制氧化層的最大厚度不超過(guò)2~3μm?？刂瓢艚M件是核反應(yīng)堆控制部件。在正常運(yùn)行情況下，用它啟動(dòng)、停堆、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率；在事故情況下，依靠它快速下插，致使反應(yīng)堆在極短的時(shí)間內(nèi)緊急停堆，從而保證反應(yīng)堆的安全。因3—11爾出了一個(gè)柬捧控制組件‘M。束棒控制組件包括一組24根吸收捧和用作吸收棒支撐結(jié)構(gòu)的星形架；星形架與安置在反應(yīng)堆容器封頭上的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸相嚙合?？刂瓢艨刂瓢艚M件是核反應(yīng)堆控制部件。在正常運(yùn)行情況下，用它啟動(dòng)、停堆、調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率；在事故情況下，依靠它快速下插，致使反應(yīng)堆在極短的時(shí)間內(nèi)緊急停堆，從而保證反應(yīng)堆的安全。目前，壓水反應(yīng)堆控制棒通常以銀-銦-鎘合金(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為80％、15％和5％)作為吸收體，做成細(xì)棒狀，并用不銹鋼作為包殼。每個(gè)控制棒組件帶有24根控制棒，每根控制棒插在燃料組件的導(dǎo)向管內(nèi)，依靠星形架連接成一束，由一臺(tái)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，使控制棒在導(dǎo)向管內(nèi)上下移動(dòng)。束棒型控制組件的優(yōu)點(diǎn)是：①棒徑細(xì)、數(shù)量多，吸收材料均勻分布在堆芯中，使堆芯內(nèi)中子通量及功率分布更為均勻；②由于單根控制棒細(xì)而長(zhǎng)，增大了撓性，在保證控制棒導(dǎo)向管對(duì)中的前提下，可相對(duì)放寬裝配工藝要求，而不致引起卡捧；而且由于提高了單位質(zhì)量和單位體積內(nèi)控制棒材料的吸收率，大大減少了控制棒的總質(zhì)量；③因?yàn)榘魪叫?，所以控制棒提升時(shí)所留下的水隙對(duì)功率分布畸變影響??；不需另設(shè)擠水棒，從而簡(jiǎn)化堆內(nèi)結(jié)構(gòu)，降低了反應(yīng)堆壓力容器的高度。根據(jù)運(yùn)行要求，控制棒組件分為調(diào)節(jié)棒和安全棒兩組。調(diào)節(jié)棒組件主要用來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷，抵消部分剩余反應(yīng)性，補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)各種因素引起的反應(yīng)性波動(dòng)。安全棒組件在正常運(yùn)行工況下提到堆芯之外，當(dāng)發(fā)生緊急事故時(shí)，要求在短時(shí)間(約為2s)內(nèi)迅速插入堆芯而停堆。此外，控制捧組件應(yīng)能抑制反應(yīng)堆可能出現(xiàn)的氙振蕩?？扇级疚锝M件壓水堆中采用硼溶液化學(xué)控制可減少控制棒的數(shù)量，降低反應(yīng)堆的功率峰值因子，加深卸料燃耗。但當(dāng)慢化劑溫度升高時(shí)，液體毒物硼將隨水的體積膨脹而被排出堆芯，如果硼濃度超過(guò)一定的數(shù)值，將使反應(yīng)推出現(xiàn)正的慢化劑溫度系數(shù)，影響反應(yīng)堆自穩(wěn)調(diào)節(jié)性能。為使反應(yīng)堆保持有負(fù)溫度系數(shù)，在運(yùn)行時(shí)通常將硼濃度限制在1000mg/kg之內(nèi)。因此在采用硼溶液化學(xué)控制的同時(shí)，還需要使用一定數(shù)量的固體可燃毒物。另外，在船用反應(yīng)堆中為了使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，也可以不加硼運(yùn)行，這時(shí)主要靠加可燃毒物來(lái)控制后備反應(yīng)性。固體可燃毒物采用吸收中子能力較強(qiáng)，又能隨著反應(yīng)堆運(yùn)行與核燃料一起消耗的核素。常用的有硼玻璃、碳化硼和三氧化二釓等。將這些材料制成棒狀或管狀，然后外面再加包殼放入堆芯內(nèi)。固體可燃毒物棒一般設(shè)置在燃料組件的導(dǎo)向管內(nèi)，每個(gè)燃料組件內(nèi)插入可燃毒物棒的數(shù)目和布置形式由堆物理設(shè)計(jì)確定。固體可燃毒物的合理布置，將進(jìn)一步改善堆芯的功率分布。適當(dāng)縮短可燃毒物棒的軸向尺寸，非對(duì)稱地布置偏于堆芯下半部，可起到展平軸向功率分布的作用。中子源組件反應(yīng)堆初次啟動(dòng)和再次啟動(dòng)都需要有中子源來(lái)“點(diǎn)火”。中子源設(shè)置在堆芯或堆芯鄰近區(qū)域，每秒鐘放出107~108個(gè)中子。依靠這些中子在堆芯內(nèi)引起核裂變反應(yīng)，從而提高堆芯內(nèi)中子數(shù)量，克服核測(cè)儀器的盲區(qū)，使反應(yīng)堆能安全、迅速地啟動(dòng)。在反應(yīng)堆內(nèi)中子源棒的數(shù)量一般不多，它們通常與阻力塞和可燃毒物棒一起組成一束。例如大亞灣核電站的反應(yīng)堆有兩個(gè)帶中子源的組件，在每組的24根棒中有一根初級(jí)中子源棒，一根次級(jí)中子源棒，16根可燃毒物棒和6根阻力塞?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)它的動(dòng)作帶動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)上下移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、停堆和事故情況下的安全控制。因此，它是確保反應(yīng)堆安全可控的重要部件。對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要要求：①控制棒須緩慢提升和快速落下，但最大和最小速度比不應(yīng)超過(guò)100：1，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，可靠性降低；②控制棒在任何事故情況下應(yīng)朝向使反應(yīng)堆更加安全的方向動(dòng)作，例如斷電時(shí)靠重力作用自行插入堆芯；③控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)須在反應(yīng)堆環(huán)境的溫度、壓力條件下可靠地工作；在壓水堆中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分或全部在耐壓密封殼內(nèi)直接受到高溫水和強(qiáng)輻照的作用；④須有后備的能量?jī)?chǔ)備，以便在事故斷電時(shí)仍能將控制棒全部插入堆芯，能量?jī)?chǔ)存的形式有重力、彈簧、高壓氣瓶、水力儲(chǔ)能器和蓄電池等；⑤為了減小快速落棒時(shí)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)、控制捧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所受到的機(jī)械沖擊力和避免發(fā)生損壞，在控制棒落下的終端須設(shè)置某種緩沖和制動(dòng)裝置；⑥控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須響應(yīng)快，能使控制棒平滑動(dòng)作和準(zhǔn)確停止在需要的位置上，并給出位置指示；⑦對(duì)船用反應(yīng)堆，要求控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在振動(dòng)、沖擊、搖擺和傾斜情況下可靠地工作。對(duì)所有反應(yīng)堆都要求在地震、爆炸等事故情況下能確實(shí)安全停堆，同時(shí)又避免不必要的頻繁停堆。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力形式有電力、水力和氣動(dòng)三種，各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。在壓水堆中廣泛使用的是電力驅(qū)動(dòng)。壓水堆的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常有長(zhǎng)棒控制機(jī)構(gòu)和短棒控制機(jī)構(gòu)兩種。長(zhǎng)控制捧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求為：在正常運(yùn)行情況下要求標(biāo)的移動(dòng)速度緩慢，每秒鐘的行程約為10mm左右；在快速停堆或事故情況時(shí)要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在得到事故停堆訊號(hào)后，能自動(dòng)脫開(kāi)，使控制棒組件靠自重快速插入堆芯。從得到訊號(hào)到控制棒完全插入堆芯的緊急停堆時(shí)間一般不超過(guò)2s。短控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不參與反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停堆和調(diào)節(jié)功率，而專門用來(lái)抑制反應(yīng)堆在運(yùn)行過(guò)程中由于氙濃度變化引起堆芯軸向功率分布的畸變和抑制氙振蕩現(xiàn)象，以保證堆芯安全運(yùn)行。由于反應(yīng)堆在運(yùn)行過(guò)程中各種內(nèi)外因素均會(huì)引起反應(yīng)堆的反應(yīng)性變化，故控制棒動(dòng)作頻繁。要求控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行近百萬(wàn)次的動(dòng)作而不發(fā)生故障，同時(shí)．考慮到反應(yīng)堆裝換料時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸應(yīng)能使控制棒組件適應(yīng)遠(yuǎn)距離拆裝，加上壓水堆的高壓密封要求，這給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提出了較高的要求。目前常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有磁阻馬達(dá)型、磁力提升型、液壓驅(qū)動(dòng)型及齒輪齒條等各種形式。國(guó)外壓水堆核電站大多數(shù)的長(zhǎng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用銷爪式磁力提升機(jī)構(gòu)。它具有磨損少、壽命長(zhǎng)、控制簡(jiǎn)單、制造方便及使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)性

ρ=(k-1)/kkex=k-1（過(guò)剩增值系數(shù)）無(wú)量綱單位

反應(yīng)性表示的相對(duì)變化。百分?jǐn)?shù)表示。意義：反應(yīng)堆偏離臨界狀態(tài)的程度。有時(shí)用緩發(fā)中子份額度量。ρ=時(shí)，為1元。反應(yīng)堆狀態(tài)的描述第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化反應(yīng)堆狀態(tài)次臨界臨界超臨界k<1=1>1kex<0=0>0ρ<0=0>0影響反應(yīng)性變化的因素

溫度效應(yīng)、中毒效應(yīng)、燃耗效應(yīng)溫度效應(yīng)：堆芯溫度提高，引起堆芯物質(zhì)密度的減少；中子溫度升高，鈾核熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致反應(yīng)性變化，因?yàn)槎研緶囟茸兓鸱磻?yīng)性變化的現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。溫度升高引起反應(yīng)件增加稱為正溫度效應(yīng)；堆芯溫度升高引起反應(yīng)性減少則稱為負(fù)溫度效應(yīng)。通常都將反應(yīng)堆設(shè)計(jì)成具有負(fù)溫度效應(yīng)，不同堆型的溫度效應(yīng)很不一樣，壓水堆的溫度效應(yīng)最為顯著，由溫度效應(yīng)引起的反應(yīng)性損失稱溫度反應(yīng)性。對(duì)于壓水堆，在額定參數(shù)時(shí)，損失大約為2％一12％。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化中毒效應(yīng)：在核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，裂變碎片和它們的許多衰變的產(chǎn)物逐漸積累，在這些物質(zhì)中，有一些具有很大的熱中子吸收截面，特別是135Xe和149Sm。通常把這些有害的裂變產(chǎn)物及其衰變的產(chǎn)物稱為核毒物。核毒物俘獲中子引起反應(yīng)性減小的現(xiàn)象稱為中毒效應(yīng)；由核毒物引起的反應(yīng)性損失稱為中毒反應(yīng)性。一般壓水堆在額定工況時(shí)，它的平衡中毒反應(yīng)性大約為2％一5％。燃耗效應(yīng)：核反應(yīng)堆運(yùn)行后，核燃料將不斷地燃耗，將引起反應(yīng)性下降，這種效應(yīng)稱為反應(yīng)性燃耗效應(yīng)，簡(jiǎn)稱燃耗效應(yīng)。由燃耗引起的反應(yīng)性損失稱為燃耗反應(yīng)性；對(duì)于不同的核反應(yīng)堆、不同的運(yùn)行功率及運(yùn)行時(shí)間，燃耗反應(yīng)性的大小差別很大。功率越高，工作時(shí)間越長(zhǎng)，燃耗就越深，損失的反應(yīng)性也就越多。一般壓水堆在工作末期時(shí)，這一損失大約為3％—12%。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化核反應(yīng)堆在不同的時(shí)間和不同的工況下，這些效應(yīng)又有主次之分。溫度效應(yīng)是主要的：當(dāng)核反應(yīng)堆由冷態(tài)向熱態(tài)過(guò)度或運(yùn)行溫度發(fā)生大幅度變化時(shí)；中毒效應(yīng)顯著：當(dāng)反應(yīng)堆處在高功率下運(yùn)行或功率大幅度變化時(shí)；燃耗效應(yīng)則愈來(lái)愈明顯：當(dāng)核反方堆長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化一、溫度效應(yīng)及起因1、堆芯材料密度的變化材料密度變化——宏觀截面與幾何尺寸變化——keff變化——ρ變化慢化劑的密度變化特別顯著．例如，當(dāng)壓水堆的壓力為140atm，慢化劑溫度在293K時(shí)，密度為1001.7kg/m3，而溫度在523K時(shí)，密度為810.1kg／m3。由于水的密度變小1、使熱中子擴(kuò)散面積和中子年齡都增大，因而增加了中子的泄漏，使不泄漏幾率減小，造成有效增殖因數(shù)減小。2、降低了對(duì)中子的慢化效率，增加了238U核對(duì)中子的共振吸收，逃脫共振俘獲幾率減小，也使有效增殖因數(shù)減小。3、相當(dāng)于增加燃料的濃度．使熱中子利用系數(shù)增加。為了獲得負(fù)溫度效應(yīng)，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)選擇水鈾比，可使這一貢獻(xiàn)與以上兩項(xiàng)損失比較起來(lái)要小。因此，當(dāng)水的密度減小時(shí)，總的效應(yīng)使有效增殖因數(shù)減小，導(dǎo)致反應(yīng)性減小。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化——溫度效應(yīng)2、中子溫度的變化T慢化劑——中子溫度——熱中子平均能量——微觀截面——keff變化——ρ變化當(dāng)慢化劑溫度升高時(shí)①熱中子譜變硬，這時(shí)微觀熱中子吸收截面和微觀熱中子裂變截面按1／v規(guī)律減小。對(duì)于低濃縮鈾燃料的壓水堆，由于燃料的熱裂變截面比熱吸收截面減小得更快些，因此每次吸收的中子產(chǎn)額隨中子溫度的升高而減小，從而引起有效增殖因數(shù)減小。②中子溫度升高時(shí)，慢化劑的微觀吸收截面減小，導(dǎo)致熱中子擴(kuò)散面積增大，使熱中子不泄漏幾率減小，引起有效增殖因數(shù)減小。由此可知，當(dāng)中子溫度變化時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)性發(fā)生變化，但其作用比起慢化劑密度變化的影響要小些。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化——溫度效應(yīng)3、鈾核共振吸收的變化核燃料溫度變化時(shí)，鈾核共振吸收截面的曲線形狀將發(fā)生變化。當(dāng)核燃料升溫時(shí)，鈾核的熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，這時(shí)共振曲線加寬變平，峰值降低。通常稱為溫度展寬或多普勒展寬。共振峰寬以后，由于峰值面降低，燃料的自屏效應(yīng)減弱，使元件內(nèi)的共振通量密度分布趨于平坦。即元件內(nèi)的平均共振通量密度有所增加，同時(shí)共振能區(qū)被加寬，因而使鈾核對(duì)中子的共振俘獲增多，逃脫共振俘獲幾率減小，最后導(dǎo)致有效增殖因數(shù)減小，這樣共振俘獲隨溫度升高而增加的現(xiàn)象，稱為“多普勒效應(yīng)”。在核反應(yīng)堆運(yùn)行中，當(dāng)功率發(fā)生變化時(shí)，由于燃料溫度對(duì)功率變化的影響差不多是瞬時(shí)的，因此多普勒效應(yīng)立即表現(xiàn)出來(lái)，它對(duì)核反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)起著重要作用。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化——溫度效應(yīng)二、溫度系數(shù)1、溫度系數(shù)定義：堆芯溫度每變化1度(K)時(shí)所引起的反應(yīng)性變化稱為反應(yīng)性溫度系數(shù)簡(jiǎn)稱溫度系數(shù)，以T表示.即T為平均溫度注意T的符號(hào)的意義。負(fù)溫度系數(shù)對(duì)于反應(yīng)堆安全運(yùn)行有重要意義。例如，由于誤操作或其他原因，在運(yùn)行過(guò)程中控制棒突然失控向上提了一段，致使k突然上升，這時(shí)中子通量(堆功率)將驟然增加，溫度也將突然上升。若T<0，則反應(yīng)堆因具有溫度穩(wěn)定性，從而有自動(dòng)降溫以利于安全的趨勢(shì)。又如，當(dāng)一回路發(fā)生失水事故時(shí)，堆芯導(dǎo)熱情況惡化，堆內(nèi)溫度急劇上升．反應(yīng)堆有可能超出熱工安全范圍而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。但是，若反應(yīng)堆具有負(fù)的溫度系數(shù)，則隨著溫度升高，k值將變小，從而使中子通量(堆功率)也跟著下降。這樣就能在一定程度上減緩或限制反應(yīng)堆溫度的上升，從而有可能減緩或限制這種事故的進(jìn)一步擴(kuò)大?？梢?jiàn)，負(fù)溫度系數(shù)對(duì)反應(yīng)堆的安全是有利的。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化——溫度效應(yīng)2、總的溫度系數(shù)瞬時(shí)溫度系數(shù)：常把燃料溫度系數(shù)稱為瞬時(shí)溫度系數(shù)。延時(shí)溫度系數(shù)：慢化劑溫度系數(shù)稱為延時(shí)溫度系數(shù)。核反應(yīng)堆總的溫度系數(shù)等于堆芯各種成分的溫度系數(shù)的總和，起主要作用的是燃料、慢化劑溫度系數(shù)。式中T和分別為堆芯中第j種成分的溫度和溫度系數(shù)。其中起主要作用的是燃料溫度系數(shù)和慢化劑溫度系數(shù)。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化——溫度效應(yīng)注意:一般說(shuō)來(lái)，慢化劑或燃料溫度系數(shù)，并不是常數(shù)，它們是隨溫度非線性變化的，它們與核反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度、運(yùn)行工況、控制棒柵的位置、氙毒及燃耗等情況有關(guān)，因此，核反應(yīng)堆溫度系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，再用理論方法擬合成半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式.例如壓水堆慢化劑溫度系數(shù)可用下列公式表示第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化——溫度效應(yīng)3、燃料溫度系數(shù)：燃料溫度每變化一度(K)時(shí)所引起的反應(yīng)性變化稱為燃料溫度系數(shù)

4、慢化劑溫度系數(shù)：慢化劑溫度每變化一度(K)時(shí)所引起的反應(yīng)性變化稱為慢化劑溫度系數(shù)三、流量效應(yīng)與空泡系數(shù)如果核反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒(méi)有投入或失靈時(shí)，冷卻劑流量突然增加，例如主泵從半速運(yùn)行轉(zhuǎn)為全速運(yùn)行或備用支路投入時(shí)，由于G＞0，核反應(yīng)堆處在超臨界狀態(tài)，堆功率將迅速增加達(dá)一極大值，隨后由于燃料溫度系數(shù)的負(fù)反饋，使堆功率又逐漸下降，最后達(dá)到的穩(wěn)定，可能引起嚴(yán)重后果，當(dāng)冷卻劑流量變化過(guò)大時(shí)，引入正反應(yīng)性G過(guò)大，會(huì)發(fā)生“短周期事故”，如果流量變化前處于較高的功率運(yùn)行，加上冷卻劑流量增加引起的功率波動(dòng)可能超過(guò)該工況下所允許的運(yùn)行功率，影響熱工安全。所以掌控流量效應(yīng)對(duì)于防止“冷水事故”的發(fā)生，確保核反應(yīng)堆安全運(yùn)行，有重大意義。冷卻劑流量效應(yīng)，實(shí)質(zhì)上是一種溫度效應(yīng)。當(dāng)空泡率x增加時(shí)，慢化劑的平均密度變小。由于水對(duì)中子的慢化作用要比吸收作用更重要，當(dāng)空泡串增加時(shí)，中子譜發(fā)生變化，熱中子數(shù)相對(duì)減小，所以，水堆的空泡系數(shù)是負(fù)的，即空泡反應(yīng)性效應(yīng)是負(fù)的，這一事實(shí)特別重要。因?yàn)楫?dāng)空泡率x增加時(shí)，反應(yīng)性變小，堆功率下降，引起堆芯溫度下降，堆芯慢化劑沸騰受到抑制，所以水堆具有內(nèi)在的安全性。四、溫度系數(shù)與反應(yīng)堆穩(wěn)定性的關(guān)系若溫度系數(shù)為正時(shí)當(dāng)核反應(yīng)堆處于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由于某種原因使堆芯溫度升高．引起反應(yīng)性增大使反應(yīng)堆功率隨之增加，堆功率的增加，在冷卻條件不變條件下又進(jìn)一步引起堆芯溫度升高，從而又使反應(yīng)性進(jìn)一步增大，堆功率變化更迅速地進(jìn)一步提高．導(dǎo)致堆功率無(wú)限制增長(zhǎng)，若不用控制系統(tǒng)干預(yù)，則最終會(huì)導(dǎo)致堆芯燒毀；當(dāng)核反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由于某種原因使堆芯溫度略有下降，則反應(yīng)性也下降，引起堆功率減小，于是堆芯溫度進(jìn)一步下降，使反應(yīng)性進(jìn)一步減小，堆功率變化更迅速更進(jìn)一步降低，直至核反應(yīng)堆自動(dòng)停閉。顯然，這種反應(yīng)性效應(yīng)的正反演將使核反應(yīng)維具有內(nèi)在的不穩(wěn)定性。在核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)時(shí)，不希望出現(xiàn)正溫度系數(shù)。

具有負(fù)溫度系數(shù)的反應(yīng)堆，反應(yīng)性變化與溫度變化反號(hào)，當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行的核反應(yīng)堆的反應(yīng)性稍有增加時(shí)，如果不改變冷卻劑的流量率，堆芯溫度會(huì)升高，則反應(yīng)性會(huì)下降，直到堆芯在較高溫度下使核反應(yīng)堆達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。同理，當(dāng)穩(wěn)定反應(yīng)堆的反應(yīng)性減小時(shí)，如果冷卻劑流量率不變，堆芯溫度會(huì)降低，則反應(yīng)性會(huì)增加，使核反應(yīng)堆在一較低溫度下達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，這種負(fù)溫度效應(yīng)使核反應(yīng)堆具有內(nèi)在的穩(wěn)定性。負(fù)溫度系數(shù)對(duì)核反應(yīng)堆安全運(yùn)行具有重要意義。假定，在運(yùn)行過(guò)程中，由于誤操作或其它原因，控制棒突然向上提升一段，引入一正反應(yīng)性，堆處于超臨界狀態(tài)，堆功率隨之驟然增加，堆芯溫度升高，由于溫度負(fù)反饋?zhàn)饔?，反?yīng)性減小，抑制了堆功率的增長(zhǎng)。又如當(dāng)一回路發(fā)生失水事故時(shí)，堆芯導(dǎo)熱情況惡化，堆芯溫度急劇上長(zhǎng)，核反應(yīng)堆有可能超出熱工安全限值而導(dǎo)致嚴(yán)重后果，若堆具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著堆芯溫度升高，反應(yīng)性變小，使堆功率隨之下降。這樣就能在一定程度上減緩或限制堆芯溫度上升，從而有可能減緩或限制這種事故的擴(kuò)大，可見(jiàn)負(fù)溫度系數(shù)對(duì)核反應(yīng)堆的安全是有利的。(1)壓水堆的自穩(wěn)性

壓水堆的自穩(wěn)性是指在一定工況下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的壓水堆動(dòng)力裝置，引入一小反應(yīng)性擾動(dòng)后，即使不用外部控制，僅靠堆芯燃料和慢化劑的負(fù)溫度效應(yīng)便能抵抗反應(yīng)性的干擾，經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡過(guò)程后，系統(tǒng)自動(dòng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。例如，壓水準(zhǔn)動(dòng)力裝置在某一堆功率下穩(wěn)定運(yùn)行，突然引入一個(gè)正反應(yīng)性擾動(dòng)，如果二回路負(fù)荷保持不變，反應(yīng)堆功率會(huì)立即上升，燃料溫度隨即升高，慢化劑的平均溫度也緩慢地增加，由于燃料和慢化劑的負(fù)溫度效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)反應(yīng)性，從而抑制了反應(yīng)堆功率的上升速率，堆功率達(dá)到峰值后開(kāi)始很快下降，然后緩慢下降，當(dāng)溫度效應(yīng)引入的負(fù)反應(yīng)性逐漸抵消外界引入的正反應(yīng)性時(shí)，最后系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)反應(yīng)堆的功率仍為擾動(dòng)前的穩(wěn)態(tài)功率水平，燃料和慢化劑的溫度比擾動(dòng)前穩(wěn)態(tài)下的相應(yīng)值有所增加。

汽輪機(jī)冷凝器中的真空度下降，使蒸汽發(fā)生器的給水溫度提高，減小一回路冷卻劑帶出的熱量，使堆芯升溫，反應(yīng)性減小，堆功率下降，使一回路冷卻劑溫度下降，最后使堆功率減小。并穩(wěn)定在一新的功率水平上。蒸汽發(fā)生器的出口蒸汽壓力下降，使蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水的沸騰溫度降低，從而改善蒸汽發(fā)生器的熱交換率，引起堆芯平均溫度下陣，反應(yīng)性增加，使堆功率增加到新的水平，以確保獲得所需要的蒸汽壓力。中毒效應(yīng)：核毒物引起的反應(yīng)性損失，稱中毒效應(yīng)。毒物的由來(lái)：某些中子吸收截面較大的裂變產(chǎn)物。這種裂變產(chǎn)物：穩(wěn)定或長(zhǎng)壽命的，稱為“結(jié)渣”；短壽命的，稱為“毒物”。其中135xe和149Sm特別重要，它們不僅具有很大的熱中子吸收截面，而且它們的先驅(qū)核還具有較大的裂變產(chǎn)額。它們的產(chǎn)生和消失對(duì)核反應(yīng)堆的反應(yīng)性及運(yùn)行有很大的影響。其余裂變產(chǎn)物，由于它們的熱中子吸收截而和裂變產(chǎn)額數(shù)值比135xe和149Sm相應(yīng)值小得多，影響較小。由于135xe對(duì)中子的吸收截面與中子能量有很大關(guān)系，它對(duì)快中子的吸收截面很小，而對(duì)熱中子的吸收截面卻很大，因而氙毒只對(duì)熱中子反應(yīng)堆有著重要意義。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__中毒效應(yīng)毒物反應(yīng)性考察有效增值因數(shù)：毒物對(duì)、、基本無(wú)影響影響也不大——對(duì)中子的彈性散射影響不大焦點(diǎn)集中在考慮鈾均勻熱堆。、為無(wú)毒、有毒時(shí)熱中子利用系數(shù)第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__中毒效應(yīng)第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__中毒效應(yīng)令無(wú)毒和有毒時(shí)的有效增值因數(shù)為和

若材料的吸收截面很小，即

則

即毒物引起的有效增殖因數(shù)相對(duì)降低量等于毒性r。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__中毒效應(yīng)——————毒性進(jìn)一步推導(dǎo)可證明：即：中毒反應(yīng)性近似的與毒性r成正比,與熱中子利用系數(shù)f成正比。135Xe中毒熱堆中毒效應(yīng)幾乎完全由135Xe引起。微觀吸收截面大：2.7×106b產(chǎn)額：0.00228，但先驅(qū)核直接裂變產(chǎn)額高。約有5％的135Xe是由裂變直接產(chǎn)生的，而大約有95％的135Xe則是由裂變碎片135Te衰變而來(lái)的。第四講：核反應(yīng)堆物理——反應(yīng)性的變化__中毒效應(yīng)135Xe的吸收截面與中子能量的關(guān)系銻

碲銫燃耗反應(yīng)堆壽期新堆芯(或換料后的堆芯)燃料裝載量比臨界燃料裝載量多，k（kex)比較大，必須用控制毒物來(lái)補(bǔ)償這些過(guò)剩反應(yīng)性。隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，有效增殖因數(shù)逐漸地減小。當(dāng)反應(yīng)堆的有效增殖因數(shù)降到1時(shí)，反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行的時(shí)間就稱為堆芯壽期。為了確定堆芯壽期，需要進(jìn)行燃耗計(jì)算。計(jì)算思路：計(jì)算在無(wú)控制毒物的情況下堆芯的有效增殖因數(shù)(其中包括在平衡氙濃度條件下和最大氙濃度條件下的有效增殖因數(shù))隨時(shí)間的變化關(guān)系。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，需考慮在堆芯壽期末，反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)控制棒調(diào)節(jié)所需要的一定反應(yīng)性。因此堆芯壽期末的有效增殖因數(shù)應(yīng)稍大于1(例如取k＝1.005)。燃耗深度1g235U全部裂變所放出的能量約為1MW·d，實(shí)際上發(fā)出1MW·d的能量需要消耗核燃料1.23g。用鈍235U為燃料的堆，其燃耗深度的極限值為106MW·d鈾量級(jí)；采用低濃縮鈾的壓水堆，若不考慮239Pu的影響，其燃耗深度的極限值為104MW·d/t鈾量級(jí)。實(shí)際上并不是初始量的核燃料都能完全被利用。燃耗深度主要由反應(yīng)堆的消耗情況來(lái)決定。它與堆型選擇、燃料性質(zhì)、熱工、堆芯結(jié)構(gòu)、提捧程序以及裝換料方式等因素有關(guān)。日前壓水堆的平均燃耗深度可達(dá)到3xl04MW·d/t以上。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(guò)對(duì)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(shuō)來(lái)．一個(gè)新的堆芯，在冷態(tài)無(wú)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(lái)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(wú)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(wú)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＝

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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(zhǎng)期運(yùn)行的需要；通過(guò)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焉疃取５谒闹v：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)堆需要緊急停堆時(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(duì)快中子堆的影響比它們對(duì)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(wú)效焦點(diǎn)集中在與控制原理：主要通過(guò)控制熱中子利用系數(shù)和不泄露幾率來(lái)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(guò)控制堆芯附加吸收物質(zhì)來(lái)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(duì)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(lái)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(duì)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(guò)對(duì)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?？扇级疚锕埽嗉丛诙研緝?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(lái)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(kāi)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(lái)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(lái)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，控制棒一般可分為三類：

(1)調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)反應(yīng)性微小變化，用來(lái)調(diào)節(jié)堆功率的，反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)用它來(lái)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(guò)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(lái)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：在反應(yīng)堆運(yùn)行初期，補(bǔ)償棒幾乎全部插入堆芯，以抵消反應(yīng)堆的后備反應(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(lái)在緊急情況下關(guān)閉反應(yīng)堆的，平時(shí)抽出堆心，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，一旦有事故信號(hào)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(lái)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(méi)有二次輻射污染；價(jià)格低廉，原料來(lái)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(lái)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(duì)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