堆物理第五章精选PPT.ppt

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1、堆物理第五章第1页，此课件共36页哦第五章第五章 燃耗及中毒燃耗及中毒有关物理量不随时间变化的分析为稳态分析。有关物理量不随时间变化的分析为稳态分析。有关物理量随时间而变化的分析为动态分析。有关物理量随时间而变化的分析为动态分析。动态分析问题动态分析问题第一类：研究核燃料同位素和裂变产物同位素成分随时间第一类：研究核燃料同位素和裂变产物同位素成分随时间的变化以及它们堆反应性和中子通量密度分布的影响。的变化以及它们堆反应性和中子通量密度分布的影响。第二类：研究在反应堆的启动、停堆和功率调节过程第二类：研究在反应堆的启动、停堆和功率调节过程中，中子通量和功率随时间的变化，这种变化是很中，中子通量和

2、功率随时间的变化，这种变化是很迅速的。迅速的。第2页，此课件共36页哦第五章第五章 燃耗及中毒燃耗及中毒5.1 5.1 核燃料中重同位素成分随时间的变化核燃料中重同位素成分随时间的变化5.2 5.2 裂变产物的中毒裂变产物的中毒5.3 5.3 核反应堆堆芯寿期与燃耗深度核反应堆堆芯寿期与燃耗深度第3页，此课件共36页哦5.1 5.1 核燃料中重同位素成分随时间的变化核燃料中重同位素成分随时间的变化裂变产物：我们把由裂变反应直接产生的裂变碎片以裂变产物：我们把由裂变反应直接产生的裂变碎片以及随后这些碎片经过放射性衰变形成的各种同位素及随后这些碎片经过放射性衰变形成的各种同位素统称为裂变产物。统称

3、为裂变产物。1 1 核燃料重同位素的燃耗方程核燃料重同位素的燃耗方程2 2 燃耗方程的求解燃耗方程的求解 第4页，此课件共36页哦第5页，此课件共36页哦第6页，此课件共36页哦1 1 核燃料重同位素的燃耗方程核燃料重同位素的燃耗方程 ABC第7页，此课件共36页哦燃耗方程的建立：燃耗方程的建立：同位素同位素A A的核密度随时间变化的核密度随时间变化式中：式中：为为C C吸收中子变成吸收中子变成A A 为为B B衰变成衰变成A A 为为A A吸收中子消失吸收中子消失 为为A A衰变消失衰变消失对重同位素链的每一个同位素写出方程，得到方程组，称对重同位素链的每一个同位素写出方程，得到方程组，称为

4、核燃料中重同位素的燃耗方程。为核燃料中重同位素的燃耗方程。第8页，此课件共36页哦2 2 燃耗方程的求解燃耗方程的求解1.1.解析方法解析方法2.2.数值方法数值方法 第9页，此课件共36页哦第10页，此课件共36页哦分析：分析：235235U U核密度随燃耗不断地减少。核密度随燃耗不断地减少。239239PuPu具有很大的热中子吸收截面，因而其核密度很快具有很大的热中子吸收截面，因而其核密度很快便达到饱和而趋近于一个常数。便达到饱和而趋近于一个常数。钚的其它同位素是由钚的其它同位素是由239239PuPu逐级俘获中子而形成，所以逐级俘获中子而形成，所以它们的产生率要慢的多。它们的产生率要慢的

5、多。乏燃料中存在乏燃料中存在235235U U 和和239239PuPu，回收利用。，回收利用。随燃耗的增加，裂变产物不断积累，因而使反应堆随燃耗的增加，裂变产物不断积累，因而使反应堆的过剩反应性逐渐下降，这就是堆芯寿期的主要限的过剩反应性逐渐下降，这就是堆芯寿期的主要限制。制。第11页，此课件共36页哦5.2 5.2 裂变产物的中毒裂变产物的中毒裂变产物中毒：由于裂变产物吸收中子所引起的反应裂变产物中毒：由于裂变产物吸收中子所引起的反应性变化称为裂变产物中毒。性变化称为裂变产物中毒。某些同位素具有很大的热中子吸收截面，并且它们某些同位素具有很大的热中子吸收截面，并且它们的先驱核有较大的裂变产

6、额，如的先驱核有较大的裂变产额，如135135XeXe，149149SmSm1 1 135135XeXe中毒中毒2 2 149149SmSm中毒中毒 第12页，此课件共36页哦反应性反应性反应性：反应性：反应性变化：反应性变化：上式中上式中F，M分别表示燃料和慢化剂。分别表示燃料和慢化剂。为裂变产物的热中子宏观吸收截面。为裂变产物的热中子宏观吸收截面。第13页，此课件共36页哦1 1 135Xe中毒中毒 第14页，此课件共36页哦吸收截面吸收截面 在中子能量为在中子能量为0.025ev0.025ev时，时，135135XeXe的微观吸的微观吸收截面为收截面为2.7102.7106 6靶左右，而

7、且在中子能靶左右，而且在中子能量为量为0.08ev0.08ev处有一个大的共振峰。处有一个大的共振峰。在热能范围内它的平均吸收截面大约为在热能范围内它的平均吸收截面大约为3103106 6靶。靶。在高能区，在高能区，135135XeXe的吸收截面随中子能量的的吸收截面随中子能量的增加而显著地下降，因而在快中子反应堆增加而显著地下降，因而在快中子反应堆中，氙中毒的影响是比较小的。中，氙中毒的影响是比较小的。第15页，此课件共36页哦产额产额质量数为质量数为135135的裂变产物的衰变链的裂变产物的衰变链 裂变第16页，此课件共36页哦产额产额在铀在铀-235-235核裂变时，氙核裂变时，氙-13

8、5-135的直接产额仅为的直接产额仅为0.002280.00228，但是它的先驱核的直接裂变产额却很高，但是它的先驱核的直接裂变产额却很高，它们进过它们进过 衰变后就形成了氙衰变后就形成了氙-135-135。由上图可知：。由上图可知：锑锑-135-135和碲和碲-135-135的半衰期都非常短，因此可以把锑的半衰期都非常短，因此可以把锑-135-135和和碲碲-135-135的裂变产物与碘的裂变产物与碘-135-135的直接裂变产额之和作为碘的直接裂变产额之和作为碘-135-135的裂变产额，即的裂变产额，即 忽略短寿命的氙忽略短寿命的氙-135-135的同质异能素（的同质异能素（135m13

9、5mXeXe）的存在。）的存在。由于碘由于碘-135-135的热中子吸收截面仅为的热中子吸收截面仅为8 8靶，因此可以忽略靶，因此可以忽略碘碘-135-135堆热中子的吸收，认为碘堆热中子的吸收，认为碘-135-135全部都衰变成氙全部都衰变成氙-135135。第17页，此课件共36页哦可得简化图：可得简化图：裂变第18页，此课件共36页哦浓度变化方程浓度变化方程以单群为例，写出碘以单群为例，写出碘-135-135和氙和氙-135-135的浓度随时间变化的浓度随时间变化的方程。的方程。讨论：反应堆在启动、停堆以及功率变化时的氙中毒讨论：反应堆在启动、停堆以及功率变化时的氙中毒第19页，此课件共

10、36页哦第20页，此课件共36页哦A 反应堆启动时反应堆启动时反应堆启动时，氙反应堆启动时，氙-135-135中毒中毒平衡氙中毒：反应堆在稳定功率状态下，运行很短时平衡氙中毒：反应堆在稳定功率状态下，运行很短时间（约间（约40h40h）之后，碘）之后，碘-135-135和氙和氙-135-135的浓度已很接近它的浓度已很接近它们的平衡浓度，由平衡氙浓度所引起的反应性变化值，们的平衡浓度，由平衡氙浓度所引起的反应性变化值，称为平衡氙中毒。称为平衡氙中毒。由前方程可得：由前方程可得：第21页，此课件共36页哦注意：注意：与与 有关，即与运行的功率大小相有关，即与运行的功率大小相关。关。很小时，很小时

11、，.此时此时 也很也很小，可忽略。小，可忽略。例：例：数量级时，数量级时，数量级数量级.第22页，此课件共36页哦 很大（满功率）时，很大（满功率）时，与与 无关。无关。此时氙中毒为可观值，不可忽略。此时氙中毒为可观值，不可忽略。低于额定功率下运行，氙中毒与低于额定功率下运行，氙中毒与P大小有关。大小有关。第23页，此课件共36页哦B.停堆后停堆后在反应堆运行时，氙在反应堆运行时，氙-135-135的产生有两条途径，的产生有两条途径，即由燃料核裂变直接产生氙即由燃料核裂变直接产生氙-135-135和碘和碘-135-135的的 衰变而生成氙衰变而生成氙-135-135。由于氙由于氙-135-13

12、5的裂变产额比较小，停堆的裂变产额比较小，停堆2 2天以后，天以后，碘碘-135-135已饱和，此时氙已饱和，此时氙-135-135主要由碘主要由碘-135-135的的 衰变产生。衰变产生。氙氙-135-135的消失也有两条途径，即由于氙的消失也有两条途径，即由于氙-135-135吸吸收中子和氙收中子和氙-135-135的的 衰变而消失。衰变而消失。第24页，此课件共36页哦前者与反应堆的中子通量密度有关，当前者与反应堆的中子通量密度有关，当 时时 ，两种消失率相，两种消失率相等。在动力热中子反应堆中，平均热中子通量密度一般等。在动力热中子反应堆中，平均热中子通量密度一般都大于这个值，因此在正

13、常功率运行时，氙都大于这个值，因此在正常功率运行时，氙-135-135的消失的消失主要是靠吸收中子而消失。主要是靠吸收中子而消失。剩余反应性：反应堆在无控制毒物的情况下超临界剩余反应性：反应堆在无控制毒物的情况下超临界的反应性。的反应性。第25页，此课件共36页哦第26页，此课件共36页哦碘坑：碘坑：停堆后氙停堆后氙-135-135的浓度先是增加到最大值，然后逐渐地减的浓度先是增加到最大值，然后逐渐地减小；过剩反应性随时间变化则与氙小；过剩反应性随时间变化则与氙-135-135浓度的变化刚好浓度的变化刚好相反，先是减小到最小值，然后又逐渐地增大，通常把相反，先是减小到最小值，然后又逐渐地增大，

14、通常把这一现象称为这一现象称为“碘坑碘坑”。t1 为碘坑时间：从停堆开始直到剩余反应性又回升到停为碘坑时间：从停堆开始直到剩余反应性又回升到停堆时刻堆时刻的值时所经历的时间称为碘坑时间。为允许停堆时间：在碘坑时间内，剩余反应性大于零的为允许停堆时间：在碘坑时间内，剩余反应性大于零的这段时间称为允许停堆时间。这段时间称为允许停堆时间。为强迫停堆时间：剩余反应性小于或等于零，则堆无法启动，为强迫停堆时间：剩余反应性小于或等于零，则堆无法启动，这段时间称为强迫停堆时间。这段时间称为强迫停堆时间。碘坑深度：停堆后反应堆剩余反应性下降到最小值的程度称碘坑深度：停堆后反应堆剩余反应性下降到最小值的程度称为

15、碘坑深度为碘坑深度。第27页，此课件共36页哦停堆后，氙停堆后，氙-135-135中毒变化与停堆方式的关系中毒变化与停堆方式的关系 逐渐降功率的方式会使停堆后的碘坑深度要比突然停堆逐渐降功率的方式会使停堆后的碘坑深度要比突然停堆方式所引起的碘坑深度浅得多。这时因为有一部分氙方式所引起的碘坑深度浅得多。这时因为有一部分氙-135-135和碘和碘-135-135在停堆过程中吸收中子和衰变而消耗掉了。在停堆过程中吸收中子和衰变而消耗掉了。停堆后不久，存在大量氙停堆后不久，存在大量氙-135-135的情况下重新启动反应堆，的情况下重新启动反应堆，那么，由于中子通量密度突然增加，氙那么，由于中子通量密度

16、突然增加，氙-135-135将大量地消耗，将大量地消耗，它的浓度很快地下降，因而氙中毒迅速地减小，这时堆内的它的浓度很快地下降，因而氙中毒迅速地减小，这时堆内的过剩反应性很快地增加，原来作为启动用而提起的控制棒又过剩反应性很快地增加，原来作为启动用而提起的控制棒又要插到足够的深度，以补偿由于氙要插到足够的深度，以补偿由于氙-135-135浓度减小而引起的反浓度减小而引起的反应性增加。应性增加。第28页，此课件共36页哦C 功率过渡时的氙功率过渡时的氙-135-135中毒中毒第29页，此课件共36页哦 当功率突然降低时，氙当功率突然降低时，氙-135-135浓度和过剩反应性随浓度和过剩反应性随时

17、间变化的曲线形状与突然停堆的情况很相似，只时间变化的曲线形状与突然停堆的情况很相似，只是在变化程度上有差别。是在变化程度上有差别。功率突然升高时，碘功率突然升高时，碘-135-135浓度、氙浓度、氙-135-135浓度和过剩反浓度和过剩反应性随时间变化与功率突然下降的情况刚好相反。应性随时间变化与功率突然下降的情况刚好相反。第30页，此课件共36页哦2 Sm-149中毒中毒 钐钐-149-149裂变产物链裂变产物链第31页，此课件共36页哦A 反应堆启动时钐反应堆启动时钐-149的中毒的中毒反应堆启动后，钐反应堆启动后，钐-149-149平衡浓度与热中子通量密度平衡浓度与热中子通量密度无关（即

18、与功率无关）。无关（即与功率无关）。在约在约400400小时后，钐小时后，钐-149-149达到了平衡毒性。达到了平衡毒性。平衡钐中毒：平衡钐中毒：第32页，此课件共36页哦B B 反应堆停堆后钐反应堆停堆后钐-149-149浓度随时间变化浓度随时间变化t=0时突然停堆，时突然停堆，达到平衡达到平衡第33页，此课件共36页哦5.3 5.3 核反应堆堆芯寿期与燃耗深度核反应堆堆芯寿期与燃耗深度1.核反应堆堆芯寿期核反应堆堆芯寿期2.燃耗深度燃耗深度第34页，此课件共36页哦1 1 核反应堆堆芯寿期核反应堆堆芯寿期堆芯寿期：一个新装料堆芯从开始运行到有效增殖因堆芯寿期：一个新装料堆芯从开始运行到有

19、效增殖因数降到数降到1 1时，反应堆满功率运行的时间。时，反应堆满功率运行的时间。PWRPWR中，通常分为：寿期初（中，通常分为：寿期初（BOLBOL）、寿期中）、寿期中（MOLMOL）和寿期末（）和寿期末（EOLEOL）三个阶段。）三个阶段。第35页，此课件共36页哦2 2 燃耗深度燃耗深度燃耗深度装入堆芯的单位质量核燃料所产生的总能量的一种度燃耗深度装入堆芯的单位质量核燃料所产生的总能量的一种度量，也是燃料贫化程度的一种度量。量，也是燃料贫化程度的一种度量。几种表示方法：几种表示方法：通常把装入堆芯的单位质量燃料所发出的能量作为燃耗深通常把装入堆芯的单位质量燃料所发出的能量作为燃耗深度的度量。单位：度的度量。单位：J/kg ；工程上：工程上：MWd/t 1MWd/t=86.4MJ/kg 燃耗掉的易裂变同位素质量和装载的易裂变同位素质量的比值燃耗掉的易裂变同位素质量和装载的易裂变同位素质量的比值 燃耗掉的易裂变同位素的质量与装载的燃料质量的比值。燃耗掉的易裂变同位素的质量与装载的燃料质量的比值。kg/t第36页，此课件共36页哦