反应堆期末复习资料.pdf

1、在热中子反应堆中为什么要使用慢化剂？慢化剂的工作原理是什么？并举出几种常用的慢化剂。反应堆内产生的中子能量相当高，其平均值约为 2MeV；而微观裂变截面在热能区较大，热中子反应堆内的裂变反应基本上都是发生在这一能区，所以在热中子反应堆中使用慢化剂。在热中子反应堆中，慢化过程中弹性散射起主要作用，因为裂变中子经过与慢化剂和其他材料核的几次碰撞，中子能量便很快降低到非弹性散射的阈能一下，这是中子的慢化主要靠中子与慢化剂核的弹性散射进行。水、重水、石墨等。1、缓发中子是如何产生的？在反应堆动力学分析计算中，份额不足 1%的缓发中子与份额超过 99%的瞬发中子相比是否可以忽略不计？为什么？缓发中子是在裂变碎片衰变过程中发射出来的，占裂变中子的不到 1%缓发中子不可以忽略不计 缓发中子份额虽然很少，但它的发射时间较长，缓发效应大大增加了两代中子之间的平均时间间隔，从而滞缓了中子密度的变化率。反应堆的控制实际上正是利用了缓发中子的作用才得以实现的。2、解释碘坑现象和强迫停堆时间。船用反应堆要求不能出现强迫停堆现象，请问在设计上应如何考虑。刚停堆时，135Xe 不再吸收中子消失，而一段时间内，135I 衰变成 135Xe 的速率高于 135Xe 的衰变速率，因此 135Xe 核密度随着时间增长，即毒性随时间上升；但在9-10 小时后，堆内 135I 浓度已明显降低，氙的生成速率低于衰变速率，所以毒性随时间降低，这种现象称为碘坑现象。在碘坑时间内，若剩余反应性小于或等于 0，则反应堆无法启动，这段时间称为强迫停堆时间。船用反应堆要求不能出现强迫停堆现象，在设计上应留有足够的后备反应性，按照最大氙中毒设计。3、为什么沸水堆中控制棒是从底部插入堆芯的？沸水堆中水密度在高度方向上变化非常剧烈，堆芯下部的水密度要远高于堆芯上部的水密度，故堆芯的下部中子通量密度要比上部大，控制棒由下向上插入可以提高控制棒的效率，同时还可以展平轴向功率。4、如何保证压水堆慢化剂温度系数为负值？举例说明负温度系数对反应堆安全运行作用。为了保证慢化剂温度系数为负值，设计时要注意水铀比，保证处于欠慢化区；运时要注意控制硼浓度不要超过最大值。例如，由于误操作或其他原因，在运行过程中控制棒突然上提了一段，致使 k 突然上升，这时中子通量密度将骤然增加，温度也将突然上升，若反应堆具有负温度系数，则随着温度升高，k 值将变小，从而使中子通量密度下降，有自动降温以利于安全的趋势。5、反应堆堆芯燃料管理的主要任务是什么？反应堆堆芯燃料管理的主要任务是在满足电力系统能量需求和在电厂设计规范和安全的要求下，为电厂的运行循环做出其经济安全运行的全部决策。主要包括下列变量的确定：新燃料的富集度，批料数或一批换料量，循环长度，循环功率水平，燃料组件装载方案，控制毒物的布置和控制方案。6、简述热中子反应堆中子循环过程，并写出四因子公式。一代热裂变中子，由于 238U 的快裂变，中子数增加到 倍。这些快中子有一部分泄露出堆外，留在堆内的中子在慢化过程中经过共振能区，又被吸收了一部分。热中子也会有一部分泄露出堆外，留在堆内的热中子，一部分被燃料吸收，一部分被结构材料、慢化剂吸收。被燃料吸收的中子一部分发生辐射俘获反应，一部分发生裂变反应，生成新的裂变中子。四因子公式 K=pf，其中 为快中子增殖系数；p 为逃脱共振吸收率；f 为热中子利用系数；为热中子裂变因数。7、为什么反应堆温度变化后，反应性会发生改变？燃料温度升高时由于多普勒效应，将使共振峰展宽，共振吸收中的“能量自屏现象”和“空间自屏”效应都将减弱，从而使有效共振积分增加，逃脱共振吸收概率减小，有效增殖因子下降。慢化剂温度升高时，慢化剂密度减小，慢化剂相对燃料的有害吸收将减小，使有效增殖因子增大，同时是慢化剂的慢化能力减小，因而共振吸收增加，有效增殖因子下降。8、分别说明内-外、外-内装料方案的布置方式及其优缺点。内-外装料方案中，芯部自馁向外分为三区，新料装在堆芯最内区，少过一个循环的燃料组件布置在中间区，最外区布置烧过两个循环的燃料。优点：燃料燃耗比较均匀，中子泄露损失小；缺点：寿期初功率峰因子大，限制功率输出。外-内装料方案中，新燃料在最外区，烧过一个循环的布置在中间区，最内区布置烧过两个循环的燃料。优点：展平堆芯中子通量密度分布，功率峰因子下降；缺点：泄露损失大，循环长度缩短。10、大型压水堆中通常采取哪些方法来控制反应性？为什么？控制棒，可燃毒物，化学控制剂 控制棒采用对中子吸收截面大的物质制成，可以快速有效地改变反应堆内的反应性；采用化学控制剂，如将对中子吸收截面大的硼溶解在慢化剂中来控制反应性，这样可以使反应堆的反应性变化比较均匀，但调节过程缓慢；采用可燃毒物，可以减少控制棒的数量和水中的硼浓度，如硼是利用硼“燃耗”较快的特点，从而使可燃毒物管的中子吸收能力随反应堆燃耗加深而明显降低，这种补偿不需外部控制，是自动进行的。11、反应堆可以在任意功率水平下达到临界状态，这一说法是否正确，为什么？正确。因为临界状态是指反应堆内中子的生灭到达一种平衡状态，而与反应堆的功率水平无关，如不考虑热工条件，从理论上讲，反应堆可以在任意功率水平下达到临界状态。1、设在无限大非增值的扩散介质内有一个点源，源强为 S 中子每秒，各项同性地在介质内扩散而达到稳定状态，请列出单速中子扩散方程并给出边界条件。条件：1 在扩散方程成立区域内，中子通量密度必须是个非负实数，处处有界；2 在扩散性质不同的介质交界面附近，两侧的中子通量密度以及中子流密度矢量在界面上的法向分量必须相等；3 在介质与真空交界面上，边界条件为：在无物理边界以外的外堆边界上，通量密度为 0。求控制棒位置方法。以中子计数的倒数为纵坐标，控制棒的的位置为横坐标，求纵坐标为零处的位置。微观截面：一个中子和一个靶核发生反应的几率。问答题 1、优质慢化剂的三个主要性质是什么？慢化剂的原子量应该多大为好？答案：1.吸收截面小；散射截面大；平均对数能量损失大。2.原子量应尽可能小。2、哪些反应堆可以用天然铀作燃料？答案：重水慢化、重水冷却热中子反应堆；石墨慢化、气体冷却热中子反应堆；石墨慢化、轻水冷却热中子反应堆。3、试解释“过慢化”与“欠慢化”答案：过慢化：堆芯布置中包含的慢化剂多于为获得 最大值所需的量，中子完全热化，多余的慢化剂导致中子吸收增加。欠慢化：堆芯布置中包含的慢化剂少于为获得 最大值所需的量，中子没有完全热化，U-238共振吸收变大。5、过慢化反应堆的慢化剂温度系数为何值（是正还是负）？答案：过慢化反应堆的慢化剂温度系数为正。慢化剂温度升高时 变大 7、什么叫毒素？答案：裂变产物中有些元素核，如氙和钐，具有相当大的吸收截面，它们将消耗堆内的中子，通常把这些吸收截面大的裂变产物叫毒素。8、试给出“中子毒物”的定义，举出 3 种重要的中子毒物。答案：中子毒物系指那些其热中子吸收截面值很大而明显降低反应堆反应性的核素，例如：控制材料中的镉；可燃或可溶毒物中的 10B；裂变产物中的 135Xe、149Sm 和 155Gd。9、什么是非饱和性（或永久性）裂变产物？请写出几种较重要的非饱和裂变产物。答案：裂变产物的生成率远比由于吸收中子或自身衰变的损耗率大，如。热中子吸收截面特别大，在整个反应堆运行期内，由于吸收中子而消失的速率也比较小，在一个相当长的时间里其浓度将随时间的增长而不断增加，所以称之为非饱和裂变产物。热中子吸收截面较大的非饱和裂变产物还有：镉113、钐151、钆155 和钆157 等。16、动力反应堆中 达到平衡浓度的时间哪个长？为什么？答案：达到平衡浓度的时间长得多，主要原因在于 的热中子吸收截面远远大于钐（）的热中子吸收截面，而且 还由于放射性衰变而消失，所以它很快就达到了平衡浓度。17、反应堆停堆后 Sm 浓度和 Xe 浓度的变化有何不同？答案：停堆后 由于 149Pm 的衰变而有所增多，然而 149Sm 不发生衰变，是一种稳定的核素，所以 Sm 将在堆内一直保持到反应堆恢复临界后由于吸收中子而减少，故停堆后 149Sm浓度将会逐渐趋于某个与停堆前中子通量有关的浓度值。停堆后，虽然由于裂变直接产生 135Xe 停止了，但由于 135I 的衰变会继续产生 135Xe，而且其产生速度快于 135Xe 本身衰变速度，所以尽管 135Xe 由于本身的衰变最终将消失，但在停堆后开始阶段还是增加的，这样形成 Xe 浓度的一个峰值。然后 135I 的衰变率变得小于135Xe 的衰变率，135Xe 浓度逐渐下降。19、氙振荡的条件是什么？氙振荡有哪些危害？如何抑制氙振荡？答案：1.热通量1014/cm2sec，2.反应堆尺寸很大（堆芯尺寸超过 30 倍徙动长度）。氙振荡使反应堆热管位置转移和功率密度峰值因子改变；并使局部区域的温度升度，若不加控制甚至会使燃料元件熔化；氙振荡还使堆芯中温度场发生交替地变化，加剧堆芯材料热应力的集中，使材料容易过早的损坏。可通过称动控制棒来改变功率峰大小及轴向位置，即改变轴向偏移值(A0)，从而使氙振荡引起的功率偏移值得到控制，功率峰值受到抑制。20、燃耗深度的定义是什么？单位是什么？答案：单位重量核燃料所发出的总能量称为燃耗深度。单位常用 MWd/tU 21、什么是卸料燃耗深度？它受什么影响？答案：堆芯卸料时所达到的燃耗深度称为卸料燃耗深度。它受两方面影响：1)反应堆核特性，主要是指反应堆中初始后备反应性；2)燃料元件本身的性能，主要是指燃料元件在各种工况下的稳定性。22、什么叫做转换？什么是可转换同位素？什么是铀钚循环和钍铀循环？答案：通过可转换同位素产生易裂变同位素的过程叫做转换。可用来生产易裂变同位素的核素称之为可转换同位素，例如 238U，232T 等。在利用 238U作核燃料时，利用 238U 和 232Th 产生再生燃料的过程分别叫做铀钚循环和钍铀循环。26、随着燃耗的加深，使反应堆易于控制还是难以控制？为什么？解答：反应堆更难控制。随燃耗增加，Pu 积累的结果使总的 下降。由于 减小，对于引入堆芯的一个较小的反应性变化，反应堆将会产生快得多的响应。29、什么是中子的弹性散射？弹性散射在反应堆内有何重要意义？答案：散射前后粒子动能守恒的散射。即中子与靶核作用后，中子重新射出，且动能降低，减少的动能成为靶核的动能，而靶核内能不变。也可近似想象为两个弹性小球的碰撞，反应前后动量守恒，动能也守恒。这种反应称为弹性散射。在热中子反应堆中，快中子慢化成热中子，主要就是通过这种过程来完成的。30、什么是中子与靶核的非弹性散射？答案：中子与靶核作用后，虽然也放出一个中子，但其动能的一部分（或全部）转变为靶核的内能或激发能，使靶核的内能发生了变化，新靶核处于激发态。散射前后系统的总动能不守恒，这是与弹性散射的根本不同点。非弹性散射也是快中子慢化的一个途径。31、什么是辐射俘获反应？举例说明辐射俘获反应在反应堆内的重要意义?答案：靶核俘获中子放出 射线，称这类反应为辐射俘获反应。堆内有大量的辐射俘获发生，并对反应堆的运行有重要意义，如：238U 辐射俘获中子生成 239U，239U 经衰变为 239Pu，是再生燃料 239Pu 的生成反应。32、什么是裂变反应?说明中子与重核裂变反应在反应堆的重要性。答案:中子与重核作用，重核分裂成两个或三个碎片，同时放出 2-3 个次级中子，并伴随着有大量能量放出，这类过程称为裂变反映（n,f）1)235U 的裂变反应是核能最主要的来源，是维持中子链式反应的主要贡献。2）与 238U 的快裂变反应提供核能的次要来源，产生快裂变中子，辅助维持中子链式反应。3）与 235U 的裂变反应应用于堆芯中子探测器。4）与 239Pu 的裂变反应新增加部分核能。33、试说明微观截面的大致变化规律。答案：微观截面在不同入射中子能量及不同靶核质量数的情况下，差别是很大的。对反应堆最重要的几个核反应，一般均可按中子能量不同分为三个区域：在低能区，微观截面或者保持常数（对（n，n）反应）或者与 成正比（对（n，）反应和（n，f）反应）。在该区以上是共振区。有多个共振峰存在。在高能区是微观截面的平滑区。34、试说明 235U 的裂变截面随中子能量的大致变化规律。答案：在低能区（热中子）（En1ev），f 从 4000ba-80ba 与 成正比变化。中能区（中能中子）（1ev En1000ev），f 基本上是平滑地随能量增加而下降，从 10ba1.5ba。可见热中子堆将快中子慢化成热中子是十分重要的。35、什么叫“1/v”吸收体？答案：如果微观截面的大小正好和中子速度的大小成反比，这种情况就称为 1/v 特性。在低能区（E2eV），许多核的微观吸收截面 a 按 1/规律变化，即服从“1/v”律，我们称这些元素为“1/v”吸收体。对于多数轻核，中子能量从热能一起到几兆电子伏，其吸收截面都近似地符合 1/v 律。然而对于重核，如轴238 核，中子在稍高于热能的能量范围内就出现强烈的共振吸收，吸收截面都不符合 1/v 律。38、活化产物的定义是什么？举例说明。答案：一种稳定核素与中子发生核反应生成的放射性核素，称为活化产物。例如：，39、请举出几种重要的活化产物与裂变产物。答案：活化产物：H3，N16，Co60，Mn54，Sb124 等。裂变产物：Cs137，I131，Xe135，Sr90，Kr85，Zr85 等。40、热中子的定义是什么？当慢化剂温度增加时，热中子谱向什么方向移动？答案：与它们所在的介质原子（或分子）处于热平衡状态中的中子。热中子能谱向中子速度增加的方向移动，即随着慢化剂温度的增加，中子最可几速度也增加。41、运行期间，中子通量受哪些因素的影响？试举三例。答案：1.控制棒；2.慢化剂密度；3.中子毒物（裂变产物，可燃毒物等）；4.堆芯装载情况；5.燃耗；6.反应堆功率。42、什么是热中子通量不均匀系数？答案：堆芯内热中子通量的最大值与热中子通量的平均值之比。43、为什么要进行中子通量展平？主要的展平措施有哪些？解答：堆内的中子通量分布愈不均匀，能从给定体积的堆内输出的总功率就愈少，为了提高总的功率输出，就应该进行通量展平。主要措施：芯部分区布置；可燃毒物的合理布置 采用化学补偿及部分长度控制棒控制以展平轴向通量分布。（以上为黄皮核物理以西交核物理书上的标准答案，但可知对于高温气冷堆，堆芯分区布置、可燃毒物的布置、化学补偿都是不成立的。对于高温气冷堆中子通量的展平措施有待大家补充说明）44、由同一富集度组成的堆芯,试分别定性地绘出中心平面在有反射层和无反射层的径向热中子通量分布曲线(要求以平均热通量归一)。注意以下要点：形状；归一点；反射层的峰值；外推距离；基本对称。45、试分别描述以下参数的变化对反应堆轴向偏移 AO 的影响（假定其它条件不变）：1）反应堆功率增加。2）提出一组处在堆芯轴向半高度处的控制棒。3）燃料燃耗加深。4）功率改变后氙浓度变化。解答:1）反应堆功率增加，导致功率峰下移，AO 的变化为负。2）提升控制棒，导致功率峰上移，AO 的变化为正。3）随着燃耗加深，功率峰逐渐上移，AO 的变化为正。4）功率改变后氙浓度增加，AO 的变化方向将取决于功率的轴向变化方向。即，如果原来功率峰在堆芯下半部，功率变化导致氙浓度增加，下半部的氙浓度增加更多，使功率峰上移，AO 的变化为正；反之，如果原来功率峰在堆芯上半部，则功率改变导致氙浓度增加，使功率峰下移，AO 的变化为负。47、反应堆从寿期初到寿期末，堆芯某处的中子通量与该处的功率密度之比是如何变化的？为什么？答案：中子通量与该处的功率密度之比将逐渐增大，这是因为随着燃耗加深，宏观裂变截面 f 下降，所以保持功率不变，中子通量 必须提高。50、什么叫裂变中子能谱？给出裂变中子的能量变化范围。答案：裂变产生的瞬发中子随中子能量的分布称为裂变中子谱。裂变中子的能量分布在相当大的能量范围内，主要在包括 0.05MeV 到 10MeV 的范围内。平均能量约 2MeV。51、U-235 裂变时出现哪些反应产物？答案：裂变产物、中子、瞬发 射线、缓发 射线、射线、中微子。52、裂变能在堆芯的什么部位释放出来？答案：在燃料芯块中大约释放 97%，在慢化剂、结构材料、压力壳和屏蔽层中释放大约 3%。53、什么叫瞬发中子？它们是如何产生的？答案：99%以上的中子是在裂变过程中的一个极短时间（约 10-14S）内产生的，把这些中子叫做瞬发中子。它们是在复合核分成两个碎片后，由于这些碎片或核素都含有多于稳定性所要求的中子和足够放出这些中子的过剩能量。在这种激发的、不稳定的核的形成后极短时间内，立刻放出一个或更多的中子。瞬发 射线也是这时候发射出来的。54、缓发中子是如何产生的？对于 U-235 核，由热中引起裂变时的缓发中子通常分几组？最长一组的平均寿期约为多少秒？缓发中子在全部裂变中子所占的份额是多少？解答：当瞬发中子在极短的时间内停止发射后，一些裂变碎片核大多不稳定，它们是一些 发射体，衰变后的产物处在一种高激发态中有足够能量时即发出一个中子，即缓发中子。缓发中子通常分 6 组，其中平均寿期最长的一组约为 78 秒（50 秒到 100 秒之间都算对）。=0.0065（对 U-235 核而言）。55、请分别解释在升功率瞬变过程中，有效缓发中子衰变常数有什么变化？解答：1）在上升功率瞬变功过程中，发生了较多的裂变，因而就产生了较多的中子，很快就出现半衰期较短的缓发中子，即半衰期较短的缓发中子份额相对增加，缓发中子的平均寿命相对减小，衰变常数增加。2）在功率下降瞬变过程中，由于中子产生和裂变的速度减小，因而产生的瞬发中子也较少。链式反应更取决于较长寿命的缓发中子，即半衰期较长的缓发中子份额相对增加，缓发中子的平均寿命相对增大，衰变常数减小。56、什么叫自持链式反应？答案：可裂变物质处于适当条件下，使裂变中子能引起进一步裂变而放出中子，并使裂变反应能不断继续下去。57、为什么长期运行中 会发生变化？答案：由于燃料的宏观裂变截面 f 减小，而燃料的宏观俘获截面 a 却增加了，所以 随运行时间推移而下降。58、试解释当冷却剂温度升高时热中子利用因子 f 的变化。答案：在欠慢化栅格布置的情况下，冷却剂温度升高意味着冷却剂密度降低，则冷却剂宏观吸收截面降低，所以 f 升高。59、哪些运行措施可以改变四因子公式中的热中子利用因子 f？答案：通过提升或插入控制棒，或者改变冷却剂中的硼浓度均可以改变四因子公式中的热中子利用因子 f。中子毒物的存在明显改变了反应堆四因子公式中的 热中子利用因子。61、什么是反应堆内热中子扩散现象？答案：热能中子在堆内从密度高的地方向密度低的地方运动的现象称之为热中子扩散。热中子最终被核燃料或慢化剂等吸收，或泄漏堆外。62、解释热中子扩散长度（L）的物理意义。答案：在无限介质内点源的情况下，扩散长度的平方 等于热中子从产生地点到被吸收地点穿行的直线距离均方值 的六分之一，即。扩散长度 L 的大小将影响反应堆内热中子的泄漏。L 越大，热中子自产生地点到被吸收地点所移动的平均距离也越大，因而热中子泄漏到反应堆外的几率也就越大。66、什么叫临界质量？什么叫临界尺寸？答案：具有给定几何布置与材料组成的介质或系统能够达到临界所需要的易裂变材料的最小质量，叫做临界质量。具有给定几何布置与材料组成的堆芯或装置能够达到临界所需要的最小尺寸，叫做临界尺寸。67、在有中子源的反应堆中，Keff 小于 1 时是否有可能获得增加的计数率？为什么可能或为什么不可能？答案：有可能。如果 Keff1 时，源中子弥补了裂变链中的损失，中子总数则保持不变。如果反应性（正的）增加，反应堆变得更加有效，尽管此时反应堆的有效增殖系数 Keff 仍然小于 1（但已非常接近于 1），但由中子源产生的中子除弥补裂变链的损失外还有富裕，由此造成反应堆内的中子计数率随时间的延续而增加，就好像反应堆是处于超临界状态一样。68、在反应堆堆芯成分相同的条件下，几何形状不一样，哪种几何形状的临界质量最小？为什么？答案：球形反应堆临界质量最小，因球形反应堆的中子泄漏最小。69、反射层既然对反应堆很重要，是不是反射层越厚越好？答案：理论上可证明当反射层厚度增加到一定值后，反射层节省 就达到一个常数值（大约等于中子在反射层中的扩散长度），而与反射层厚度无关，这时即使再增加反射层的厚度，也不会是反射层节省增加。73、哪些因素能改变反应堆的反应性？（至少三种）。答案：硼浓度，燃料棒温度，冷却剂温度（或密度），Xe 毒，控制棒插入深度，可燃毒物等。74、试列举三种反应性系数。答案：如冷却剂温度系数，燃料温度系数，空泡系数和功率系数等。75、什么是慢化剂温度系数？影响慢化剂温度系数的主要因素是什么？答案：慢化剂温度每变化 1引起反应性的变化。PWR 内影响慢化剂温度系数的主要因素是冷却剂平均温度、冷却剂内硼浓度、燃耗和水铀比等。影响高温气冷堆慢化剂温度系数的因素有慢化剂温度、控制棒的插入、堆芯的燃耗、裂变产物的积累等。76、什么是燃料温度系数？答案：堆芯燃料有效温度每变化 1引起的反应性变化值。77、影响燃料温度系数的主要因素是什么？答案：等核素的变化；燃料有效温度的变化。78、什么是功率系数？答案：单位功率变化所引起的反应性变化称为功率系数（即功率反应性系数或微分功率系数）。它是燃料温度系数、慢化剂温度系数和空泡系数等的总和。79、什么是功率亏损（Power Defect）？答案：因堆功率上升使反应性有损失，即向反应堆引入了一个负反应性，这一反应性损失即称为功率亏损（即为功率系数的积分）。80、何谓反应堆在反应性增加时的自调节功能？答案：反应性增加后，由于堆功率增加导致反应堆冷却剂温度升高，由于负温度系数效应使反应性下降，从而在一个高于变化前的温度上反应堆趋于稳定。81、停堆裕度的定义是什么？答案：停堆裕度的定义：假定最大价值的一束棒全部卡在堆外，其余所有控制棒全部插入堆内，由此使反应堆处于次临界或从现时状态将达到次临界，使堆次临界的反应性总量称停堆裕度，或称停堆深度。82、什么是后备反应性（或剩余反应性）？答案：在任何时刻通过对控制元件和其它用于控制反应性的毒物的调节所能获得的最大反应性。