反應性變化與控制

反應性變化與控制第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一一、反應性(1)有效倍增因子Keff是反應堆最重要的一個宏觀物理量。一座反應堆的Keff應該在1附近。Keff與1的相對偏離定義為反應性ρ：ρ＝(K－1)/K ρ=0：臨界；ρ>0：超臨界；ρ<0：次臨界

第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一一、反應性(2)影響倍增因子或反應性的因素是很多的，最重要的是堆內材料成份的改變及材料溫度的改變。反應堆運行時要對這些因素對反應性的影響進行有效的控制，使得反應堆保持受控運行狀態(tài)。實際上，反應堆總要設計成Keff>1，反應堆運行時調節(jié)Keff使其為1，停堆時調節(jié)Keff使其小于1。反應堆冷態(tài)停堆情況下(假使全部停堆系統(tǒng)全部移出堆芯)反應性大于0的部分稱作剩余反應性。

第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一二、反應性溫度效應(1)2.1反應性溫度系數(shù)(1)

反應堆停堆時處于常溫狀態(tài)，即冷態(tài)。運行時溫度升高到運行溫度。材料溫度的改變一般情況下對反應性有很大的影響。溫度變化一個單位(K,oC)帶來的反應性變化定義為反應性溫度系數(shù)αT：αT=dρ/dT=dK/dT/K2≈dK/dT/K

反應堆內溫度的變化是不均勻的，各種材料溫度變化對反應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。對應的溫度系數(shù)稱為燃料反應性溫度系數(shù)，慢化劑反應性溫度系數(shù)等。第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一二、反應性溫度效應(2)2.1反應性溫度系數(shù)(2)反應性溫度系數(shù)為負值對反應堆安全有利，反之不利。反應堆設計要盡可能做到各種工況下溫度系數(shù)為負。第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一二、反應性溫度效應(3)2.2燃料的反應性溫度系數(shù)燃料核截面在中能區(qū)段存在很多的強共振峰。燃料溫度對反應性的影響主要是因為共振吸收的變化。溫度升高時共振峰值降低，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。最常見的反應堆中裝有大量的238U，它有強烈的共振俘獲吸收。溫度升高時，共振峰展寬，落入共振峰內的中子增加，俘獲吸收中子增加，降低了中子利用率。造成反應性下降。這一效應稱為多普勒(Doppler)效應。238U的多普勒反應性溫度系數(shù)為負值。這對反應堆安全是非常重要的。

第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一二、反應性溫度效應(4)2.3慢化劑的反應性溫度系數(shù)

慢化劑溫度變化時影響慢化劑的慢化能力，主要途徑如下：慢化劑密度變化。以水為例，溫度升高慢化能力降低，能譜變硬。慢化劑溫度變化引起中子溫度變化。溫度升高時能譜變硬。對于熱中子反應堆來講，一般情況下，能譜變硬時，反應性降低。因為能譜變硬時，燃料的共振吸收增加，裂變材料的裂變截面降低，中子泄漏也會有所增加。但這并非是絕對的。影響反應性有諸多因素。各種因素因為能譜的變化進而影響反應性的趨勢不盡相同，要看最后的綜合效果，也看反應堆的設計。有些強吸收體的中子截面呈1/v變化規(guī)律。能譜變硬時，吸收能力減弱，引起反應性增加。如果這種吸收作用在反應堆中占主導地位，則總的反應性溫度系數(shù)就會是正的。

第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一三、裂變產物中毒(1)由于裂變和衰變，核反應堆中發(fā)生著大量的物質轉換。特別是裂變產生的裂變產物。一些新產生的物質對中子平衡有重要的影響。特別是各別裂變產物具有很大的中子吸收截面，典型的裂變產物是釤(149Sm)和氙(135Xe)。這種強吸收裂變產物分為兩類：壽命長的稱為“結渣”，壽命短的稱為“中毒”。下面討論135Xe的中毒效應。第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一三、裂變產物中毒(2)

第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一三、裂變產物中毒(3)反應堆中135Xe主要來源于裂變產物135I的衰變，一小部分直接通過裂變產生。135Xe一方面強烈吸收中子變成136Xe，一方面通過β衰變轉變成135Cs。設任意時刻I和Xe的核密度分別為NI和NX，則可以列出關于它們的微分方程：dNI/dt=wI∑fΦ－λINIdNX/dt=λINI＋wX∑fΦ－λXNX－NXσXΦ第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一三、裂變產物中毒(4)當反應堆處于穩(wěn)態(tài)運行時，I和Xe的密度都不再隨時間變化，處于所謂的平衡態(tài)。這時Xe的原子密度為：Nx=(wI+wx)∑fΦ/(σxΦ+λx)氙瞬態(tài)問題：功率階躍變化時Xe的原子密度有一個瞬態(tài)變化過程，從而造成了倍增因子的瞬態(tài)變化。典型情況：停堆時的“碘坑”現(xiàn)象。氙振蕩：氙密度隨反應堆功率之間在空間上存在正反饋機制的振蕩現(xiàn)象。在大尺寸通量高的反應堆中有可能出現(xiàn)。第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一四、燃耗分析(1)反應堆中材料成份的原子密度在不斷的變化。對倍增因子或對中子平衡影響大的那些原子密度的變化尤其是我們關心的。上一節(jié)Xe、Sm的討論是典型的一個方面。本節(jié)要處理的是與核燃料有關的原子密度的變化以及他們的影響。核燃料原子密度變化的分析稱為燃耗分析。燃耗分析首先是要根據(jù)核反應式列出有關的微分方程，然后對這些微分方程進行聯(lián)立求解，得到燃料有關的原子密度隨時間的變化。燃耗分析以已知通量分布為前提。相對于解決能譜問題和通量的空間分布問題，燃耗分析要簡單一些。第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一四、燃耗分析(2)第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一四、燃耗分析(3)能譜計算和擴散計算是以反應堆某一個固定的材料成份為基礎的。隨著燃料的不斷消耗，材料成份變化了，能譜和擴散計算的結果便不正確了，需要根據(jù)新的材料成份進行能譜和擴散計算。因此，能譜、擴散、燃耗分析三大任務是相互耦合的任務。這里沒有提到溫度計算，實際上，能譜計算與溫度有很大關系，因此堆內的溫度場計算作為第四大任務也參與到上述耦合計算。第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一四、燃耗分析(4)S:能譜計算,F:通量計算,F’:通量調整,B:燃耗計算第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一四、燃耗分析(5):燃耗深度燃耗深度：裝進反應堆單位重量的重金屬(例：235U+238U)在卸出堆芯時釋放出的能量。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3～5%左右。燃耗也在3～5萬MWd/tU左右。這其中一部分是239Pu等其他裂變材料的貢獻。卸料時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。第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一四、燃耗分析(6):堆內燃料管理堆內燃料管理：為使堆內燃耗深度盡可能均勻而采取一些技術措施，如分區(qū)裝料、用硼酸或可燃毒物代替控制棒、優(yōu)化的控制棒運行程序、優(yōu)化的換料方案等等。進行優(yōu)化的堆內燃料管理可以增加反應堆換料周期、提高燃耗深度，從而明顯提高電站的經濟效益。第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一五、反應性補償與控制(1)反應堆運行以后溫度升高、產生毒物、燃料消耗等等因素都使得反應性下降，因此反應堆一定要設計相應的后備反應性。反應堆控制手段要能夠控制這些后備反應性，使得反應堆運行時反應性為零，同時還要有調節(jié)功率和把反應堆帶到一定次臨界深度的能力。例：一座壓水堆反應性平衡的情況：溫度4.2％，氙毒4.2％，燃耗7.7％，停堆深度3~4％。第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一五、反應性補償