第四章：反应性变化与控制精选文档.ppt

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1、第四章：反应性变化与控制本讲稿第一页，共二十四页一、反应性一、反应性(1)有效倍增因子有效倍增因子Keff是反应堆最重要的一个宏观物理量。是反应堆最重要的一个宏观物理量。一座反应堆的一座反应堆的Keff应该在应该在1附近。附近。Keff与与1的相对偏离定的相对偏离定义为反应性义为反应性：(K1)/K=0：临界；：临界；0：超临界；：超临界；1，反应堆运行时调节，反应堆运行时调节Keff使其为使其为1，停，停堆时调节堆时调节Keff使其小于使其小于1。反应堆冷态停堆情。反应堆冷态停堆情况下况下(假使全部停堆系统全部移出堆芯假使全部停堆系统全部移出堆芯)反应性反应性大于大于0的部分称作的部分称作剩

2、余反应性剩余反应性。本讲稿第三页，共二十四页二、反应性温度效应二、反应性温度效应(1)2.1 反应性温度系数反应性温度系数(1)反应堆停堆时处于常温状态，即冷态。运行时温度升高反应堆停堆时处于常温状态，即冷态。运行时温度升高到运行温度。材料温度的改变一般情况下对反应性有很大的到运行温度。材料温度的改变一般情况下对反应性有很大的影响。温度变化一个单位影响。温度变化一个单位(K,C)带来的反应性变化定义为带来的反应性变化定义为反应性温度系数反应性温度系数T：T=d/dT=dK/dT/K2 dK/dT/K 反应堆内温度的变化是不均匀的，各种材料温度变化反应堆内温度的变化是不均匀的，各种材料温度变化对

3、反应性的影响也不尽相同，所以温度的变化要有所指，对反应性的影响也不尽相同，所以温度的变化要有所指，如燃料温度，慢化剂温度等。对应的温度系数称为燃料如燃料温度，慢化剂温度等。对应的温度系数称为燃料反应性温度系数，慢化剂反应性温度系数等。反应性温度系数，慢化剂反应性温度系数等。本讲稿第四页，共二十四页二、反应性温度效应二、反应性温度效应(2)2.1 反应性温度系数反应性温度系数(2)l反应性温度系数为反应性温度系数为负值负值对反应堆安全有利，对反应堆安全有利，反之不利。反之不利。l反应堆设计要尽可能做到各种工况下温度系反应堆设计要尽可能做到各种工况下温度系数为数为负负。本讲稿第五页，共二十四页二、

4、反应性温度效应二、反应性温度效应(3)2.2 燃料的反应性温度系数燃料的反应性温度系数 燃料核截面在中能区段存在很多的强共振峰。燃料核截面在中能区段存在很多的强共振峰。燃料燃料温度对反应性的影响主要是因为共振吸收的变化。温度对反应性的影响主要是因为共振吸收的变化。温度升温度升高时共振峰值降低，但微观截面曲线下覆盖的面积保高时共振峰值降低，但微观截面曲线下覆盖的面积保持不变，即所谓的共振峰展宽。最常见的反应堆中装持不变，即所谓的共振峰展宽。最常见的反应堆中装有大量的有大量的238U，它有强烈的共振俘获吸收。温度升高时，共，它有强烈的共振俘获吸收。温度升高时，共振峰展宽，落入共振峰内的中子增加，俘

5、获吸收中子增加，降振峰展宽，落入共振峰内的中子增加，俘获吸收中子增加，降低了中子利用率。造成反应性下降。这一效应称为多普勒低了中子利用率。造成反应性下降。这一效应称为多普勒(Doppler)效应。效应。238U的多普勒反应性温度系数为负值。的多普勒反应性温度系数为负值。这这对反应堆安全是非常重要的。对反应堆安全是非常重要的。本讲稿第六页，共二十四页二、反应性温度效应二、反应性温度效应(4)2.3 慢化剂的反应性温度系数慢化剂的反应性温度系数 慢化剂温度变化时慢化剂温度变化时影响慢化剂的慢化能力影响慢化剂的慢化能力，主要途径如下：，主要途径如下：l慢化剂密度变化。以水为例，温度升高慢化能力降低，

6、能谱变硬。慢化剂密度变化。以水为例，温度升高慢化能力降低，能谱变硬。l慢化剂温度变化引起中子温度变化。温度升高时能谱变硬。慢化剂温度变化引起中子温度变化。温度升高时能谱变硬。对于对于热中子反应堆热中子反应堆来讲，一般情况下，来讲，一般情况下，能谱变硬能谱变硬时，时，反应性降低反应性降低。因为能谱变硬时，。因为能谱变硬时，燃料的燃料的共振吸收增加共振吸收增加，裂变材料的，裂变材料的裂变截面降低裂变截面降低，中子，中子泄漏也会有所增加泄漏也会有所增加。但。但这并非是绝对的。影响反应性有诸多因素。各种因素因为能谱的变化进而这并非是绝对的。影响反应性有诸多因素。各种因素因为能谱的变化进而影响反应性的趋

7、势不尽相同，要看最后的综合效果，也看反应堆的设计。影响反应性的趋势不尽相同，要看最后的综合效果，也看反应堆的设计。有些强吸收体的中子截面呈有些强吸收体的中子截面呈 1/v 变化规律。变化规律。能谱变硬时，吸收能力减弱，引起反能谱变硬时，吸收能力减弱，引起反应性增加应性增加。如果这种吸收作用在反应堆中占主导地位，则总的反应性温度系数。如果这种吸收作用在反应堆中占主导地位，则总的反应性温度系数就会是正的。就会是正的。本讲稿第七页，共二十四页慢化剂的反应性温度系数慢化剂的反应性温度系数本讲稿第八页，共二十四页水铀比水铀比 慢化剂温度系数还与单位体积内慢化剂与燃料的核密度比值有关，在轻水堆中以“水铀比

8、”表示本讲稿第九页，共二十四页三、裂变产物中毒三、裂变产物中毒(1)由于裂变和衰变，核反应堆中发生着大由于裂变和衰变，核反应堆中发生着大量的物质转换。特别是裂变产生的裂变产物。量的物质转换。特别是裂变产生的裂变产物。一些新产生的物质对中子平衡有重要的影响。一些新产生的物质对中子平衡有重要的影响。特别是各别特别是各别裂变产物具有很大的中子吸收截裂变产物具有很大的中子吸收截面面，典型的裂变产物是，典型的裂变产物是钐钐(149Sm)和氙和氙(135Xe)。这种强吸收裂变产物分为这种强吸收裂变产物分为两类两类：寿命长的称：寿命长的称为为“结渣结渣”，寿命短的称为，寿命短的称为“中毒中毒”。下面。下面讨

9、论讨论135Xe的中毒效应。的中毒效应。本讲稿第十页，共二十四页三、裂变产物中毒三、裂变产物中毒(2)本讲稿第十一页，共二十四页三、裂变产物中毒三、裂变产物中毒(3)反应堆中反应堆中135135XeXe主要来源于裂变产物主要来源于裂变产物135135I I的的衰变，一小部分直接通过裂变产生。衰变，一小部分直接通过裂变产生。135135Xe Xe 一方面强烈吸收中子变成一方面强烈吸收中子变成136136XeXe，一方面通过，一方面通过衰变转变成衰变转变成135135CsCs。设任意时刻。设任意时刻I I和和XeXe的核密的核密度分别为度分别为N NI I和和N NX X，则可以列出关于它们的微分

10、，则可以列出关于它们的微分方程：方程：dNdNI I/dt=w/dt=wI If fI IN NI IdNdNX X/dt=/dt=I IN NI Iw wX Xf fX XN NX XN NX XX X本讲稿第十二页，共二十四页三、裂变产物中毒三、裂变产物中毒(4)l当反应堆处于稳态运行时，当反应堆处于稳态运行时，I和和Xe的密度都不再随时间变化，的密度都不再随时间变化，处于所谓的平衡态。这时处于所谓的平衡态。这时Xe的原子密度为：的原子密度为：Nx=(wI+wx)f/(x+x)l氙瞬态问题：功率阶跃变化时氙瞬态问题：功率阶跃变化时Xe的原子密度有一个瞬态变的原子密度有一个瞬态变化过程，从而

11、造成了倍增因子的瞬态变化。典型情况：化过程，从而造成了倍增因子的瞬态变化。典型情况：停堆时的停堆时的“碘坑碘坑”现象。现象。l氙振荡：氙密度随反应堆功率之间在空间上存在正反馈机制氙振荡：氙密度随反应堆功率之间在空间上存在正反馈机制的振荡现象。在大尺寸通量高的反应堆中有可能出现。的振荡现象。在大尺寸通量高的反应堆中有可能出现。本讲稿第十三页，共二十四页 碘坑曲线反映了随着停闭时间的增加，堆内反应性的变化。本讲稿第十四页，共二十四页四、燃耗分析四、燃耗分析(1)l反应堆中材料成份的原子密度在不断的变化。对倍增因子或对中子平衡影响大的那些原子密度的变化尤其是我们关心的。上一节Xe、Sm的讨论是典型的

12、一个方面。本节要处理的是与核燃料有关的原子密度的变化以及他们的影响。l核燃料原子密度变化的分析称为燃耗分析。燃耗分析首先是要根据核反应式列出有关的微分方程，然后对这些微分方程进行联立求解，得到燃料有关的原子密度随时间的变化。燃耗分析以已知通量分布为前提。相对于解决能谱问题和通量的空间分布问题，燃耗分析要简单一些。本讲稿第十五页，共二十四页四、燃耗分析四、燃耗分析(2)本讲稿第十六页，共二十四页四、燃耗分析四、燃耗分析(3)l能谱计算和扩散计算是以反应堆某一个固定的材料成份为基础的。随着燃料的不断消耗，材料成份变化了，能谱和扩散计算的结果便不正确了，需要根据新的材料成份进行能谱和扩散计算。因此，

13、能谱、扩散、燃耗分析三大任务是相互耦合的任务。这里没有提到温度计算，实际上，能谱计算与温度有很大关系，因此堆内的温度场计算作为第四大任务也参与到上述耦合计算。本讲稿第十七页，共二十四页四、燃耗分析四、燃耗分析(4)S:能谱计算,F:通量计算,F:通量调整,B:燃耗计算本讲稿第十八页，共二十四页四、燃耗分析四、燃耗分析(5):燃耗深度燃耗深度l燃耗深度：装进反应堆单位重量的重金属(例：235U+238U)在卸出堆芯时释放出的能量。单位：MWd/tU。1吨235U全部裂变释放能量约为106MWd。现今压水堆燃料中235U的加浓度在35%左右。燃耗也在35万MWd/tU左右。这其中一部分是239Pu

14、等其他裂变材料的贡献。卸料时235U并没有消耗完。影响燃耗深度的主要因素是燃料元件(包括燃料本身和包壳材料)本身耐辐照的性能。本讲稿第十九页，共二十四页有效增值系数随燃耗深度变化曲线有效增值系数随燃耗深度变化曲线本讲稿第二十页，共二十四页四、燃耗分析四、燃耗分析(6):堆内燃料管理堆内燃料管理l堆内燃料管理：为使堆内燃耗深度尽可能均匀而采取一些技术措施，如分区装料、用硼酸或可燃毒物代替控制棒、优化的控制棒运行程序、优化的换料方案等等。进行优化的堆内燃料管理可以增加反应堆换料周期、提高燃耗深度，从而明显提高电站的经济效益。本讲稿第二十一页，共二十四页五、反应性补偿与控制五、反应性补偿与控制(1)

15、l反应堆运行以后温度升高、产生毒物、燃料消耗等等因素都使得反应性下降，因此反应堆一定要设计相应的后备反应性。反应堆控制手段要能够控制这些后备反应性，使得反应堆运行时反应性为零，同时还要有调节功率和把反应堆带到一定次临界深度的能力。l例：一座压水堆反应性平衡的情况：温度4.2，氙毒4.2，燃耗7.7，停堆深度34。本讲稿第二十二页，共二十四页五、反应性补偿与控制五、反应性补偿与控制(2)l反应性补偿与控制的手段：控制棒：速度快，但造成通量扰动。硼酸：均匀，但速度较慢，对温度系数可能造成负面影响。固体可燃毒物：均匀，不可调节，只使用与补偿燃耗造成的反应性损失。其他：如减少慢化剂、移动反射层等，在研究堆中有一些特殊的办法。本讲稿第二十三页，共二十四页结 束本讲稿第二十四页，共二十四页