反應(yīng)性變化與控制

1、反應(yīng)性變化與控制第1頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二一、反應(yīng)性(1) 有效倍增因子Keff是反應(yīng)堆最重要的一個宏觀物理量。一座反應(yīng)堆的Keff應(yīng)該在1附近。 Keff與1的相對偏離定義為反應(yīng)性：(K1)/K=0：臨界；0：超臨界； 1，反應(yīng)堆運行時調(diào)節(jié)Keff使其為1，停堆時調(diào)節(jié)Keff使其小于1。反應(yīng)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(yīng)性大于0的部分稱作剩余反應(yīng)性。 第3頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二二、反應(yīng)性溫度效應(yīng) (1)2.1 反應(yīng)性溫度系數(shù)(1) 反應(yīng)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

2、變一般情況下對反應(yīng)性有很大的影響。溫度變化一個單位(K, C)帶來的反應(yīng)性變化定義為反應(yīng)性溫度系數(shù)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，各種材料溫度變化對反應(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)等。第4頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二二、反應(yīng)性溫度效應(yīng) (2)2.1 反應(yīng)性溫度系數(shù)(2)反應(yīng)性溫度系數(shù)為負值對反應(yīng)堆安全有利，反之不利。反應(yīng)堆設(shè)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，2022年，5月20日，3點

3、59分，星期二二、反應(yīng)性溫度效應(yīng) (3)2.2 燃料的反應(yīng)性溫度系數(shù) 燃料核截面在中能區(qū)段存在很多的強共振峰。燃料溫度對反應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(yīng)性下降。這一效應(yīng)稱為多普勒(Doppler)效應(yīng)。 238U的多普勒反應(yīng)性溫度系數(shù)為負值。這對反應(yīng)堆安全是非常重要的。 第6頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二二、反應(yīng)性溫度效應(yīng) (4)2.

4、3 慢化劑的反應(yīng)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(yīng)堆來講，一般情況下，能譜變硬時，反應(yīng)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(yīng)性有諸多因素。各種因素因為能譜的變化進而影響反應(yīng)性的趨勢不盡相同，要看最后的綜合效果，也看反應(yīng)堆的設(shè)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(yīng)性增加。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

5、度系數(shù)就會是正的。 第7頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二三、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)對中子平衡有重要的影響。特別是各別裂變產(chǎn)物具有很大的中子吸收截面，典型的裂變產(chǎn)物是釤(149Sm)和氙(135Xe)。這種強吸收裂變產(chǎn)物分為兩類：壽命長的稱為“結(jié)渣”，壽命短的稱為“中毒”。下面討論135Xe的中毒效應(yīng)。第8頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二三、裂變產(chǎn)物中毒(2) 第9頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二三、裂變產(chǎn)物中毒(3) 反應(yīng)堆中135Xe

6、主要來源于裂變產(chǎn)物135I的衰變，一小部分直接通過裂變產(chǎn)生。 135Xe 一方面強烈吸收中子變成136Xe，一方面通過衰變轉(zhuǎn)變成135Cs。設(shè)任意時刻I和Xe的核密度分別為NI和NX，則可以列出關(guān)于它們的微分方程：dNI/dt = wIfINIdNX/dt = INIwXfXNXNXX第10頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二三、裂變產(chǎn)物中毒(4)當(dāng)反應(yīng)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)f / (x + x)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

7、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(yīng)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(yīng)堆中有可能出現(xiàn)。第11頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二四、燃耗分析(1)反應(yīng)堆中材料成份的原子密度在不斷的變化。對倍增因子或?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。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(yīng)式列出有關(guān)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(guān)的原子密度隨時間的變化。燃耗分析以已知通量分布

8、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，2022年，5月20日，3點59分，星期二四、燃耗分析(2)第13頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二四、燃耗分析(3)能譜計算和擴散計算是以反應(yīng)堆某一個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，能譜和擴散計算的結(jié)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(wù)是相互耦合的任務(wù)。這里沒有提到溫度計算，實際上，能譜計算與溫度有很大關(guān)系，因此堆內(nèi)的溫度場計算作為第四大任務(wù)也參與到上述耦合計算。第14頁，共20頁，2022年，5月20

9、日，3點59分，星期二四、燃耗分析(4)S: 能譜計算, F: 通量計算, F: 通量調(diào)整, B: 燃耗計算第15頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二四、燃耗分析(5): 燃耗深度燃耗深度：裝進反應(yīng)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。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2

10、0頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二四、燃耗分析(6): 堆內(nèi)燃料管理堆內(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)化的控制棒運行程序、優(yōu)化的換料方案等等。進行優(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)濟效益。第17頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二五、反應(yīng)性補償與控制 (1)反應(yīng)堆運行以后溫度升高、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)堆運行時反應(yīng)性為零，同時還要有調(diào)節(jié)功率和把反應(yīng)堆帶到一定次臨界深度的能力。例：一座壓水堆反應(yīng)性平衡的情況：溫度4.2，氙毒4.2，燃耗7.7，停堆深度34。 第18頁，共20頁，2022年，5月20日，3點59分，星期二五、反應(yīng)性補償與控制 (2)反應(yīng)性補償與控制的手段：控制棒：速度