核電站水化學(xué)

核電站水化學(xué)第1頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核電向何處去？核電發(fā)展的低谷每次核電事故都導(dǎo)致核電低谷1954年人類建造第一座核電站1957年英國(guó)溫德斯凱爾核電站事件數(shù)十年內(nèi)核電成為英國(guó)的“政治雷區(qū)”；1979年美國(guó)三里島核電站發(fā)生嚴(yán)重核泄漏事件30多年里再?zèng)]有建新核電站；1986年切爾諾貝利核電站發(fā)生核泄漏大災(zāi)難讓人們“談核色變”德國(guó)棄核。2011年日本福島核電站核泄漏德國(guó)、瑞士、意大利徹底棄核美、英、法等繼續(xù)發(fā)展核電中國(guó)？第2頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五為什么發(fā)展核電？能源問題：煤、石油、天然氣儲(chǔ)量有限環(huán)境問題：空氣污染、氣候溫暖化第3頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核燃料可用年數(shù)輕水堆高速增值堆第4頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五不同發(fā)電方式比例第5頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中國(guó)的核電發(fā)展前景能源進(jìn)口國(guó)：鈾礦也需進(jìn)口環(huán)境污染：CO2排放大國(guó)核電的危險(xiǎn)與火電的污染：依靠技術(shù)進(jìn)步保證核電安全三代動(dòng)力堆：非能動(dòng)AP1000，未來二十年核電發(fā)展期第6頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核電與火電的不同點(diǎn)熱源不同鍋爐不同主蒸汽參數(shù)不同汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)不同

第7頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五壓水反應(yīng)堆核電站壓水堆比沸水堆多一個(gè)回路冷卻水系統(tǒng)核電海水、直流

二回路：汽輪機(jī)：火電：積鹽、腐蝕核電？蒸汽發(fā)生器：火電：結(jié)垢、腐蝕核電：？一回路：火電：腐蝕、結(jié)渣核電？第8頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五壓水反應(yīng)堆一回路水化學(xué)控制的

主要目的放射場(chǎng)控制：腐蝕產(chǎn)物生成、遷移燃料安全及性能：放射性物質(zhì)泄漏、燃料性能腐蝕及腐蝕產(chǎn)物的沉積一回路壓力邊界的完整性：設(shè)備安全、腐蝕第9頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五壓水反應(yīng)堆二回路水化學(xué)控制的

主要目的腐蝕蒸汽發(fā)生器：BOP：流動(dòng)加速腐蝕FAC碳鋼管道、熱交換器管中間汽水分離再熱器汽輪機(jī)材料的腐蝕、疲勞凝汽器腐蝕、應(yīng)力腐蝕、沖刷腐蝕腐蝕產(chǎn)物的遷移腐蝕產(chǎn)物自其它部位向蒸汽發(fā)生器的遷移及在蒸汽發(fā)生器中的沉積第10頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五課程主要內(nèi)容放射化學(xué)基礎(chǔ)核電站概論壓水堆放射性物質(zhì)的來源一回路中結(jié)構(gòu)材料的腐蝕與腐蝕產(chǎn)物的行為腐蝕產(chǎn)物的溶解與沉積PWR一回路水化學(xué)管理

PWR二回路的水化學(xué)管理

電廠嚴(yán)重事故后的化學(xué)問題第11頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五參考書壓水反應(yīng)堆水化學(xué)核電站水質(zhì)工程核化學(xué)及核技術(shù)應(yīng)用反應(yīng)堆系統(tǒng)水化學(xué)（譯文集）壓水堆核電廠的運(yùn)行壓水堆核電廠化學(xué)管理第12頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第13頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第14頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中國(guó)電力出版社第15頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第一章海水與海洋環(huán)境及其腐蝕作用第二章壓水型核反應(yīng)堆動(dòng)力裝置和水質(zhì)對(duì)其的影響第三章壓水反應(yīng)堆材料腐蝕及水化學(xué)控制第四章核動(dòng)力裝置用水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)第五章純水與港口純水制取第六章海水淡化第16頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第17頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第一章放射化學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)核裂變?cè)樱涸雍?核外電子原子核：質(zhì)子+中子（n）核素：具有相同的質(zhì)子數(shù)Z、中子數(shù)N的一類原子如：A：質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)（A=Z+N）Z：原子序數(shù)=質(zhì)子數(shù)也寫成：X-A。指明了X，Z即明確，可以不寫。如：U-235，U-238第18頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核輻射各種放射性核素放出的射線不是單一的。鐳的放射線可以分成三束：一束為α射線，為高速運(yùn)動(dòng)的He核，具有+2電荷；一束為β射線，是高速運(yùn)動(dòng)的電子流；一束稱射線，是波長(zhǎng)極短的電磁波，在磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，呈電中性。這些由原子核發(fā)出的射線統(tǒng)稱為核輻射。第19頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子的衰變中子由中子源產(chǎn)生。處于自由狀態(tài)的中子不穩(wěn)定，可衰變?yōu)橘|(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)β電子和一個(gè)反中微子（與中微子的自旋方向相反）。半衰期：衰變掉一半中子數(shù)所需要的時(shí)間。中子的半衰期為10.80±0.16min。β的最大能量為0.782MeV第20頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子的分類不同能量的中子與其它物質(zhì)的作用也不同。按能量的大小，中子分為：慢中子：（0<E≤1keV)熱中子：與周圍介質(zhì)的原子或分子處于熱平衡狀態(tài)，能量分布服從Maxwell分布，20℃時(shí)的平均能量為0.025eV。超熱中子：E>0.4eV，快中子被減速尚未達(dá)到熱平衡狀態(tài)。共振中子:(1eV<E≤1keV)中能中子:(1keV<E≤500keV)快中子:(500keV<E≤10MeV)高能中子:(E>10MeV)第21頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子與物質(zhì)的相互作用中子不帶電荷，它通過物質(zhì)時(shí)，與電子的相互作用很小，主要是與原于核發(fā)生作用。中子與原子核的相互作用有兩類：散射和吸收反應(yīng)。散射分為兩種：非彈性散射：入射中子與原子核作用形成復(fù)合核，復(fù)合核放出能量較低的中子。復(fù)合核放出中子后如處在激發(fā)態(tài)，則會(huì)立即放出γ射線而回到基態(tài)。散射前后體系的總動(dòng)能相等。彈性散射：原子核從中子動(dòng)能中得到一部分能量而形成反沖核，中子則失去部分動(dòng)能且偏離原方向。中子的慢化或減速：快中子通過物質(zhì)時(shí)，因彈性散射或非彈性散射損失其能量而成為速度較慢的中子。第22頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五吸收反應(yīng)中子與原子核碰撞后，被原子核俘獲，形成一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核吸收反應(yīng)。復(fù)合核的激發(fā)能等于中子的動(dòng)能和中子在復(fù)合核中的結(jié)合能之和。如果激發(fā)能很大：復(fù)合核分裂成兩部分（稱為裂變碎片），并以巨大的速度向不同的方向飛去，同時(shí)放出數(shù)個(gè)中子裂變反應(yīng)。如果激發(fā)能不足以使復(fù)合核裂變：放出γ光子、α粒子、質(zhì)子等，返回基態(tài)輻射俘獲反應(yīng)。第23頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子與物質(zhì)的相互作用碰撞散射吸收彈性散射非彈性散射減速、失能慢中子復(fù)合核激發(fā)能大裂變反應(yīng)激發(fā)能小輻射俘獲反應(yīng)第24頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五吸收反應(yīng)輻射俘獲反應(yīng)輻射俘獲（n,）：放出光子發(fā)射質(zhì)子（n,p）：放出質(zhì)子p發(fā)射粒子（n,）：放出粒子中子裂變（n,f）第25頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五原子核反應(yīng)核反應(yīng)由入射粒子轟擊原子核靶所產(chǎn)生X：靶核，a：入射粒子，b：出射粒子，Y：剩余核，寫成X(a,b)Y反應(yīng)。如：197Au(n,)198Au第26頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五化學(xué)反應(yīng)速度反應(yīng)：M+N=Y氣體碰撞理論：A、B只有通過碰撞才能發(fā)生反應(yīng)碰撞頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞的次數(shù)越多，反應(yīng)速度越快反應(yīng)速度：v=dCM/dt=⊿CM/⊿t質(zhì)量作用定律：v=k[M][N]k：速度常數(shù)k=Ae-Ea/RTA:頻率因子第27頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五反應(yīng)截面核反應(yīng)概率的大小用中子反應(yīng)截面來表示。微觀截面：一個(gè)原子核和入射的一個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)的概率。以σ表示，單位為靶恩（barn，符號(hào)為b）1b=10-28m2.宏觀截面：入射中子與單位體積內(nèi)某給定核素之間的反應(yīng)概率。用Σ表示。

Σ=σNN：核密度單位體積內(nèi)給定核素的個(gè)數(shù)，單位為：cm-3.第28頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子注量率（中子通量）單位體積內(nèi)中子數(shù)與中子速度的乘積稱為中子注量率（用Φ表示），表示在單位時(shí)間內(nèi)穿過與其速度矢量垂直的單位面積的中子數(shù)。反應(yīng)率：反應(yīng)率=Σ·Φ=σ·

N·Φ第29頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子核反應(yīng)（1）慢中子（En≤1keV）和中能中子(1<En≤500keV)的核反應(yīng)：彈性散射和（n,）反應(yīng)因慢中子和中能中子的能量較低，在核反應(yīng)中不易使靶核發(fā)射出帶電粒子，也不易使核激發(fā)產(chǎn)生非彈性散射，其主要的核反應(yīng)是彈性散射和（n,）反應(yīng)。慢中子在物質(zhì)中因彈性散射成為熱中子。熱中子：具有和熱運(yùn)動(dòng)能量相近能量的中子，通常指動(dòng)能約為0.03eV的中子。熱中子反應(yīng)幾乎全部為（n,）反應(yīng)。第30頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子俘獲截面熱中子微觀俘獲截面：是指元素的一個(gè)原子核對(duì)熱中子發(fā)生俘獲反應(yīng)的幾率。熱中子宏觀俘獲截面∑：描述單位體積物質(zhì)對(duì)熱中子的總俘獲截面的參數(shù)，即：1立方厘米均勻物質(zhì)，所含全部原子的熱中子微觀俘獲截面之總和。第31頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五(n,)反應(yīng)(n,)反應(yīng)是靶核俘獲中子形成復(fù)合核后再通過發(fā)射退激的過程，又稱輻射俘獲。(n,)反應(yīng)的截面相當(dāng)高（10-1000b），特別是重核的反應(yīng)截面較高，除He外，幾乎所有元素均能與熱中子發(fā)生(n,)反應(yīng)。(n,)反應(yīng)的產(chǎn)物一般是放射性核素，而且反應(yīng)堆的中子通量高，又容易得到，因此是最常用于生產(chǎn)放射性核素的反應(yīng)。如：59Co(n,)60Co，203Tl(n,)204Tl，31P(n,)32P及98Mo(n,)99Mo等。有的(n,)反應(yīng)產(chǎn)物是穩(wěn)定核素，但其反應(yīng)截面很高，可用于吸收慢中子，如113Cd(n,)114Cd，其熱中子吸收截面為1980b，中子能量在0.176eV處的共振截面達(dá)6000b，常用作反應(yīng)堆的控制棒。第32頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五(2)快中子的核反應(yīng)快中子(0.5<E≤10MeV)：快中子與靶核作用，主要為彈性散射（n,n）和非彈性散射(n,n’)，這兩者的幾率相同。其次，也能誘發(fā)(n,)和(n,p)等反應(yīng)?？熘凶釉谖镔|(zhì)中因彈性散射和非彈性散射過程損失能量而慢化。快中子與中等質(zhì)量靶核的反應(yīng)為(n,p)，(n,)。因?yàn)榘泻藥靵鰟?shì)壘的影響，重核的(n,p)，(n,)反應(yīng)截面小，因此以輕核的(n,p)，(n,)反應(yīng)較多，如14N(n,p)14C第33頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核裂變鈾核在俘獲中子后分裂成質(zhì)量相差不多的兩個(gè)碎片，這種核過程稱為核裂變。核裂變有誘發(fā)裂變和自發(fā)裂變兩種。原子核在沒有外界激發(fā)下發(fā)生的裂變，稱為自發(fā)裂變。誘發(fā)裂變不僅可由中子誘發(fā)，也可由p，等粒子誘發(fā)。中子誘發(fā)裂變過程不僅釋放出大員的能量，而且每次裂變?nèi)园橛兄凶影l(fā)射，可使裂變反應(yīng)成為自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因而占有最重要的地位.第34頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五235U的裂變第35頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第36頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五易裂變核素?zé)嶂凶涌烧T發(fā)裂變的核素稱為易裂變核素。很多重核能發(fā)生熱中子裂變，但裂變截面大且壽命長(zhǎng)的只有235U、233U和239Pu。易裂變核素吸收中子后除發(fā)生裂變外，還可以發(fā)射γ。因此熱中子吸收截面包括裂變截面σf和輻射俘獲界面σc。第37頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五可裂變核有些核素，如238U，232Th等，熱中子不能誘發(fā)裂變，只有當(dāng)中子能量達(dá)到一定值時(shí)才能誘發(fā)裂變，即存在裂變閾值。這種裂變稱為有閾裂變，這些核素稱為可裂變核。第38頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子的慢化大多數(shù)中子源(放射性中子源、加速器中子源和反應(yīng)維）產(chǎn)生的中子都是能量為幾至十幾MeV的快中子。天然易裂變物質(zhì)只有235U，它在天然鈾中只占0.712%.235U的原子核在較低能量的中子轟擊下能發(fā)生裂變反應(yīng)。因此，需要將快中子減速為慢中子?？熘凶优c原子核能進(jìn)行非彈性和彈性散射，但慢化過程中，以彈性散射為主。第39頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五鈾同位素的微觀截面第40頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五慢化劑、減速劑裂變中釋放出的中子，大部分為能量為1-2MeV的快中子，它們與235U發(fā)生裂變的概率很小。使中子慢化的物質(zhì)稱為慢化劑。第41頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五慢化劑的慢化能力（減速能力）平均對(duì)數(shù)能降ξ:每次碰撞引起的中子能量的自然對(duì)數(shù)的平均變化值。ξ只和慢化劑的質(zhì)量數(shù)有關(guān)，質(zhì)量數(shù)越小，ξ越大。慢化劑的慢化能力用中子的平均對(duì)數(shù)能降ξ和宏觀散射截面Σs之積(ξΣs)表示。第42頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五慢化劑的慢化比（減速比）慢化劑除應(yīng)具有大的ξ外，還應(yīng)該具有：較大的散射截面中子與核易發(fā)生彈性散射。Σs大較小的吸收截面慢化劑對(duì)中子吸收少，中子損失少。Σa小慢化劑的慢化比=ξΣs/Σa綜合指標(biāo)第43頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五慢化劑的減速能力和減速比第44頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五慢化劑的減速能力和減速比慢化劑水重水石墨鈹減速能力(ξΣs)1.530.1780.080.158減速比(ξΣs/Σa)715670192143減速能力越大，中子在同樣能量損失下經(jīng)過的路程就越短．減速比越大，減速性能越好重水的減速能力雖比普通水差，但減速性能卻要好得多第45頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第46頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核反應(yīng)堆與核電站核反應(yīng)堆：可控制地利用原于核能的裝置。核能動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分，其作用相當(dāng)于火力發(fā)電廠的鍋爐“原于鍋爐”。1939年發(fā)現(xiàn)了核裂變，1942年，世界上第一座核反應(yīng)堆，人類第一次實(shí)現(xiàn)了自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了受控的核能釋放。關(guān)鍵：可控。1954年建成了世界第一度核電站。目前，世界上已有約500座核反應(yīng)堆和核電站。第47頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核反應(yīng)堆原理用慢中子轟擊鈾原子核時(shí)，235U原子核能夠俘獲一個(gè)中子，所生成的復(fù)合核極不穩(wěn)定，以致立即分裂成兩個(gè)原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不相同的碎片——新的原子核〔有時(shí)也能分裂成三塊或四塊碎片，但機(jī)率很小)，同時(shí)產(chǎn)生2—3個(gè)新的中子，升釋放出很大的能量(約為200MeV）。裂變反應(yīng)。第48頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五235U裂變碎片出現(xiàn)的概率曲線兩個(gè)峰值位于質(zhì)量數(shù)為95和140附近裂變成質(zhì)量數(shù)恰好相等的兩半的概率很小，約為0.01%。第49頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五鏈?zhǔn)椒磻?yīng)若裂變反應(yīng)發(fā)生在適當(dāng)大小的一維鈾塊內(nèi)，在一定的條件下，235U原子核裂變時(shí)產(chǎn)生的2—3個(gè)中子，有可能再去轟擊其他235U原子核，使之發(fā)生裂變，于是產(chǎn)生更多的中子，從而引起更多的235U原子核發(fā)生裂變。這樣一代一代發(fā)展下去，就成為一連串的裂變反應(yīng)。如果這種過程能繼續(xù)不斷地進(jìn)行下去，那么就會(huì)有大量的235U在很短的時(shí)間內(nèi)迅速裂變（鏈?zhǔn)椒磻?yīng)），釋放出巨大能量。第50頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)第51頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第52頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五原子彈爆炸原理中子從釋放到引起裂變的時(shí)間間隔通常只有萬分之一秒。如果讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不加控制地繼續(xù)進(jìn)行下去，那么在極短的時(shí)間內(nèi)持有大量的235U核發(fā)生裂變，放出巨大的能量原子彈爆炸。第53頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五反應(yīng)控制原理怎樣才能使模式反應(yīng)在反應(yīng)堆內(nèi)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去并加以控制呢?關(guān)鍵控制中子的數(shù)目，保持中子平衡。維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基本條件：每一個(gè)核裂變時(shí)所產(chǎn)生的中子，其中平均至少要有一個(gè)中子能引起另一個(gè)核發(fā)生裂變。但是，實(shí)際上，在反應(yīng)堆內(nèi)并非每一個(gè)中子都能引起新的核裂變。首先，這是因?yàn)榉磻?yīng)堆用的核燃料一般是天然鈾或低濃鈾，只含有少量的可裂變物質(zhì)235U（0.7%)，而大部分是238U(98%)，它會(huì)吸收慢中子而不發(fā)生核裂變，只有能量大于1.1MeV的快中子才能使238U原子核發(fā)生裂變。其次，在反應(yīng)堆內(nèi)除了裝有核燃料外，還有慢化劑、冷卻劑和其他金屬結(jié)構(gòu)材料，這些物質(zhì)在一定程度上會(huì)吸收中子。所以在反應(yīng)堆內(nèi)能否實(shí)現(xiàn)自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，取決子中子參與以上四個(gè)過程反應(yīng)的相對(duì)程度。第54頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子的產(chǎn)生和消耗

(1)各種能量的中子轟擊235U原子核時(shí)產(chǎn)生的裂變過程，以及快中子轟擊238U所引起的裂變，都使中子的數(shù)目增加。

(2)有一小部分235U吸收中子后不發(fā)生裂變而生成236U，238U吸收熱中子后不發(fā)生裂變而轉(zhuǎn)化為239Pu，這種非裂變俘獲使中子數(shù)目減少。

(3)中子被慢化劑、冷卻劑、結(jié)構(gòu)材料、裂變產(chǎn)物及其他雜質(zhì)吸收。

(4)有一部分中子跑到堆芯核燃料外面去，這部分中子的損失稱為中子泄漏。第55頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子平衡產(chǎn)生中子：裂變，每次約2.4個(gè)中子消耗中子：非裂變俘獲：燃料中的238U等慢化劑冷卻劑金屬結(jié)構(gòu)材料泄露幾個(gè)過程在系統(tǒng)中消耗中子，而只有第一個(gè)過程在消耗中子的同時(shí)產(chǎn)生更多的新中子。只有在每次裂變產(chǎn)生的中子數(shù)目等于或超過各個(gè)過程消耗的中子總數(shù)時(shí)，反應(yīng)堆才有可能實(shí)現(xiàn)自持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。所以在設(shè)計(jì)反應(yīng)堆時(shí)，首先要研究核燃料、慢化劑、冷卻劑及其他結(jié)構(gòu)材料如何選擇和怎樣組合，盡量減少中子輻射俘獲和泄漏的損失，使它們?cè)谶m當(dāng)大小的堆芯結(jié)構(gòu)中，能夠產(chǎn)生自持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。第56頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核裂變控制第57頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五中子有效增值系數(shù)K=1:中子循環(huán)達(dá)到平衡，形成自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)，以恒定功率運(yùn)轉(zhuǎn)。K>1：中子數(shù)目會(huì)急劇增加，功率不斷增長(zhǎng)，反應(yīng)堆處于超臨界狀態(tài)，反應(yīng)堆啟動(dòng)和功率提升的狀態(tài)。K<1：中子數(shù)目會(huì)一代比一代少，反應(yīng)堆處于超臨界狀態(tài)，反應(yīng)堆停堆和功率降低的狀態(tài)。第58頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五過剩增值系數(shù)過剩增值系數(shù)：⊿Keff=Keff-1衡量反應(yīng)堆臨界程度。第59頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五反應(yīng)性=0：反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)；>0：反應(yīng)堆處于超臨界狀態(tài)，相當(dāng)于功率提升階段<0：反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)，相當(dāng)于降功率過程。第60頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五反應(yīng)性的控制要使反應(yīng)堆達(dá)到臨界狀態(tài)，就要生產(chǎn)高純度的235U核燃料，選用中子吸收截面小的慢化劑、冷卻劑和反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，盡量減少因被吸收而損失的中子數(shù)。而且堆芯內(nèi)的這些材料要有適當(dāng)?shù)慕M合和布置。同時(shí)堆芯的幾何形狀和體積大小要適當(dāng)，以減少中子的泄漏損失。這樣才能使Keff＝1。在反應(yīng)堆中，可用控制棒和硼酸來控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的程度，即控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的運(yùn)行功率，使反應(yīng)誰正常運(yùn)行。第61頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五控制棒控制棒有能夠強(qiáng)烈吸收中子的材料（銀銦鎘合金）制成，有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)在堆芯內(nèi)移動(dòng)（抽出或插入）來控制反應(yīng)性。主要用于控制反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停止和功率變化等較快速的反應(yīng)性變化。問題：控制棒插入后中子密度的分布發(fā)生畸變，局部中子密度過高，出現(xiàn)熱點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)使燃料棒燒毀。因此，對(duì)控制棒的插入深度要嚴(yán)格控制。第62頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五Ag-In-Cd材料的中子吸收Ag-In-Cd合金—黑棒不銹鋼—灰棒第63頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五硼酸硼酸中硼原子核可以吸收中子，把硼酸溶解在慢化劑中，通過調(diào)節(jié)硼酸的濃度可以控制反應(yīng)性。優(yōu)點(diǎn)：硼酸在堆芯中分布均勻，不會(huì)引起中子注量率畸變。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)速度慢慢化劑中硼酸濃度的調(diào)節(jié)速度緩慢.只能用于控制比較緩慢的反應(yīng)性變化，如燃耗、慢化劑溫度變化、氙毒等。第64頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五臨界質(zhì)量和臨界體積使裂變物質(zhì)在特定條件下實(shí)現(xiàn)自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所需的最少裂變物質(zhì)的量稱為臨界質(zhì)量。與臨界質(zhì)量相應(yīng)的裂變物質(zhì)的體積，稱為臨界體積。臨界質(zhì)量是反應(yīng)堆的重要參數(shù)之一，它因堆型的不同而異。第65頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五反應(yīng)堆的主要組成部分反應(yīng)堆組成：活性區(qū)、反射層、屏蔽層活性區(qū)：核裂變反應(yīng)發(fā)生處，發(fā)應(yīng)堆的核心部分?；钚詤^(qū)組成：核燃料、慢化劑、冷卻劑、控制棒、其它結(jié)構(gòu)部件第66頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核燃料核燃料：裂變?nèi)剂希衡櫍?35（自然界存在的唯一一種核燃料）鈾－233

钚－239

轉(zhuǎn)換燃料：釷－232

鈾－238核燃料的形態(tài)：固態(tài)：實(shí)際應(yīng)用的核燃料液態(tài)：未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的程度第67頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五對(duì)固體核燃料的要求具有良好的輻照穩(wěn)定性，保證燃料元件在經(jīng)受深度燃耗后，尺寸和形狀的變化能保持在允許的范圍之內(nèi)具有良好的熱物性（熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率大，熱膨脹系數(shù)?。?，使反應(yīng)堆能達(dá)到高的功率密度在高溫下與包殼材料的相容性好與冷卻劑接觸不產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕工藝性能好，制造成本低，便于后處理第68頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五固體核燃料金屬鈾與鈾合金

特點(diǎn)：密度高、熱導(dǎo)率大、工藝性能好；輻照穩(wěn)定性差，有“腫脹”現(xiàn)象；不能在現(xiàn)在動(dòng)力堆中使用。第69頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五燃料腫脹第70頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五陶瓷燃料氧化物、碳化物、氮化物氧化物的使用研究最多，輕水、重水、改進(jìn)型氣冷、快堆等均使用燒結(jié)的氧化物圓柱小塊。氧化鈾：钚、鈾混合物：UO2+PuO2UC+PuCUN+PuN第71頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五核燃料芯塊第72頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五燃料芯塊第73頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五燃料棒第74頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五燃料組件第75頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五燃料組件第76頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五包殼材料對(duì)包殼材料的要求：具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感生放射性要弱。具有良好的導(dǎo)熱性能。與核燃料的相容性要好，也就是說在燃料元件的工作狀態(tài)下，包殼與燃料的界面處不會(huì)發(fā)生使燃料元件性能變壞的物理作用和化學(xué)反應(yīng)。具有良好的機(jī)械性能，即能夠提供合適的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，使得在燃耗較深的條件下，仍能保持燃料元件的機(jī)械完整性。應(yīng)有良好的抗腐蝕能力。具有良好的輻照穩(wěn)定性。容易加工成形，成本低廉，便于后處理。第77頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五包殼材料鋯合金不銹鋼和鎳基合金

水堆中應(yīng)用最普遍的是鋯－2和鋯－4合金快堆中主要考慮高溫性能和抗輻照損傷性能，目前多采用奧氏體不銹鋼，有時(shí)也使用鎳基合金。

第78頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五慢化劑第79頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五冷卻劑(又稱載熱劑)核裂變釋放的巨大能量，會(huì)使燃料元件溫度升高，必須及時(shí)地把熱量帶出堆芯，否則，燃料元件將被燒毀。冷卻劑通過活性區(qū)，在反應(yīng)堆冷卻劑一回路系統(tǒng)循環(huán)流動(dòng)，不斷地將堆內(nèi)的熱量帶出來，通過熱交換器散熱，使堆芯得到冷卻，保持一定的工作溫度。如果是動(dòng)力堆，帶出來的熱量可用于發(fā)電或作其他用途。冷卻劑必須具有吸收中子少，導(dǎo)熱性能好，對(duì)結(jié)構(gòu)材料腐蝕性小等特性?？捎米鳠嶂杏诙牙鋮s劑的物質(zhì)有：重水、普通水、二氧化碳?xì)怏w、氦氣等。熔融的金屬鈉和鈉鉀合金，是快中于堆常用的載熱劑。它們的導(dǎo)熱性能很好，但是操作設(shè)備復(fù)雜，與水和空氣接觸時(shí)會(huì)引起燃燒和爆炸等，這是它們的缺點(diǎn)，所以要特別注意安全。第80頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五控制棒控制棒的作用是控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，調(diào)節(jié)Keff的大小，是反應(yīng)堆保持一定的功率正常運(yùn)行，并保證反應(yīng)堆的安全?？刂瓢羰侵凶游战孛婧艽蟮奈镔|(zhì)，如B、Cd、Ha等?？刂瓢舴譃椋赫{(diào)節(jié)棒、補(bǔ)償棒和安全棒三種第81頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五反射層活性區(qū)有一定大小，總有一部分中子泄漏，因此，在活性區(qū)外建造反射層，把可能逃逸（泄漏）的中子反射回來。熱堆：能作慢化劑的材料都可以作反射層：石墨、重水、水等。第82頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五屏蔽層隨反應(yīng)堆的運(yùn)行，產(chǎn)生大量裂變產(chǎn)物，放射性非常強(qiáng)。為保護(hù)工作人員安全，并防止鄰近的結(jié)構(gòu)材料收到輻射損傷，必須在反應(yīng)堆的四周建造一個(gè)相當(dāng)厚的屏蔽層。常用的屏蔽材料為混凝土等。第83頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五五重安全屏障燃料芯塊燃料包殼壓力容器（一回路壓力邊界）安全殼廠房第84頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五反應(yīng)堆類型分類方法反應(yīng)堆名稱按中子能量分快中子堆、熱中子堆按中子通量分高通量堆、一般通量堆按慢化劑分石墨堆、輕水堆、重水堆、鈹堆按冷卻劑分水冷堆、氣冷堆、液態(tài)金屬冷卻堆按燃料形式分非均勻堆（固體堆）、均勻堆（液體堆）按熱工狀態(tài)分壓水堆、沸水堆按運(yùn)行方式分穩(wěn)態(tài)堆、脈沖堆按用途分零功率堆、研究實(shí)驗(yàn)堆、生產(chǎn)堆、動(dòng)力堆、增值堆第85頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五影響反應(yīng)性的重要因素1.慢化劑溫度效應(yīng)慢化劑溫度變化引起反應(yīng)性變化的現(xiàn)象，稱慢化劑溫度效應(yīng)。慢化劑溫度變化1℃所引起的反應(yīng)性變化的大小稱為慢化劑溫度系數(shù)，用αt表示。溫度升高水的密度減小體積增大單位體積內(nèi)水分子數(shù)減少水的慢化能力減小反應(yīng)性減小負(fù)的溫度系數(shù)單位體積內(nèi)硼酸分子數(shù)減少中子被硼酸吸收的概率減小反應(yīng)性增大正的溫度系數(shù)第86頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五硼酸濃度限制因此，當(dāng)慢化劑溫度增加時(shí)，引起了兩個(gè)相反的效應(yīng)，即純水的負(fù)效應(yīng)和溶解毒物的正效應(yīng)。慢化劑溫度系數(shù)是正值還是負(fù)值，要看這兩方面的效應(yīng)哪個(gè)更顯著。在壓水堆中，當(dāng)水中沒有或僅含有少量硼時(shí)，慢化劑溫度系數(shù)是負(fù)值；在硼濃度較大時(shí)，慢化劑溫度系數(shù)是正值。技術(shù)規(guī)范要求壓水堆電站運(yùn)行時(shí)慢化劑溫度系數(shù)必須為負(fù)值，所以硼濃度不能太高，通常不超過1400μg/g。第87頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五2．燃料溫度效應(yīng)（多普勒效應(yīng)）燃料溫度效應(yīng)是由于燃料溫度變化引起U-238共振吸收截面變化引起的反應(yīng)性變化，也稱多普勒效應(yīng)。當(dāng)燃料溫度上升時(shí)，U-238共振吸收俘獲截面峰值覆蓋的能譜加寬，這就導(dǎo)致有較多的中子損失在燃料共振區(qū)，從而使反應(yīng)性下降；反之，當(dāng)燃料溫度下降時(shí)，則反應(yīng)性增加。燃料溫度變化1℃所引起的反應(yīng)性變化，稱為燃料溫度系數(shù)（多普勒系數(shù)），用αu