反应堆的中毒效应.ppt

46.中毒效应,毒物的影响 随着反应堆的运行，反应堆中的裂变产物也随之积累。 在这些裂变产物中，有些产物对中子的吸收截面较大，并且其份额也较大。 这些裂变产物对中子的吸收会导致中子的有效利用系数降低，从而对反应堆反应性造成影响。,2019/10/5,0,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,46.中毒效应,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,1,现考虑一个以235U为燃料的均匀热中子反应堆，其有效增殖系数为： KefffpPL 作为近似，可以认为裂变毒物只是通过改变热中子利用系数f而影响反应堆的增殖系数Keff，对、p和PL没有影响。,46.中毒效应,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,2,设有毒物和无毒物时，反应堆的热中子利用系数为f和f，显然有：,46.中毒效应,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,3,若假设有毒物和无毒物时反应堆的有效增殖系数为K和K，从而有： 显然有： 0。即随着毒物的积累，其往反应堆引入负反应性。,46.中毒效应,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,4,上式还可改写为： 这里定义毒物的毒性为q，其表达式为： 可见，裂变毒物的毒性与其浓度（核子数密度）成正比。,46.中毒效应,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,5,如果慢化剂与结构材料的吸收很弱，即： 从而可得： 可见裂变毒物所带来的负反应性与其浓度成正比。,46.中毒效应,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,6,重要的毒物 在反应堆中，对反应性较重要的毒物有：135Xe和149Sm。 其中： 135Xe对中子的吸收截面约在106barn数量级； 149Sm对中子的吸收截面约在104barn数量级。,47.135Xe中毒,135Xe的动力学方程 反应堆中的135Xe约有5%是由核裂变直接产生的，其余则是由其它裂变产物衰变产生的。 135Sb和135Te的半衰期相对135Xe和135I都较短，并且其消耗途径都只有通过自身衰变减少这一条路径。 为了简化问题，可将135Xe的产生和消耗链进行简化。,2019/10/5,7,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,8,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,9,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,10,135I的动力学方程 .135I的产生 135I的产生由裂变产生，其数目为： .135I的消耗 135I的消耗则主要通过衰变，其数目为： N2INI,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,11,.动力学方程 根据核子数平衡原则，可得135I的动力学方程：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,12,135Xe的动力学方程 .135Xe的产生与消耗的特点 从135Xe的变化链可以看出，其产生和消失均有两条路径： 产生：裂变直接产生和由135I衰变产生； 消失：通过衰变和发生吸收反应消失。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,13,135Xe的动力学方程 .产生率 )裂变产生 由裂变产生的135Xe的数目为： )135I衰变产生 单位时间内，通过135I衰变产生的135Xe数目为： N2INI,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,14,.消失率 )135Xe的衰变 在单位时间内，通过衰变消失的135Xe的数目为： N3XeNxe ) 吸收反应 在单位时间内，通过发生吸收反应消失的135Xe的数目为：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,15,.135Xe的动力学方程 根据以上的讨论，135Xe的动力学方程可写为：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,16,平衡135Xe浓度 由于135I和135Xe的半衰期较大，同时对中子的吸收截面也很大，很快便可达到其平衡浓度（也称为饱和值）。 当135I和135Xe达到平衡浓度时有：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,17,上式中的 和 为平衡时的135I和135Xe的浓度，从而有： 求解上式可得：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,18,135Xe的浓度达到平衡时，其往堆芯引入的负反应性为： 上式还可改写为以下形式：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,19,从上式可以看出，反应堆的平衡135Xe浓度与运行功率水平是相关的：越大， 越大，并且有一极限值，大小为： 135Xe对热中子的吸收截面约为2.7106b，其半衰期约为9.14h，从而可得：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,20,一般当反应堆的运行功率很低、或反应堆内的中子通量密度较低时，平衡135Xe中毒可以忽略不计。 当反应堆运行在较高功率水平下（比如达到10141015-2s-1）时，此时135Xe中毒将达到一个比较可观的数值。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,21,反应堆启动时的135Xe浓度 对于一个新堆而言，堆内的135Xe和135I的初始浓度为0，即在t0时，有： 若反应堆启动后很快就达到满功率，那么可认为在反应堆启动后瞬间，堆内的中子通量密度便达到了稳定值。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,22,从而可求解135Xe和135I的动力学方程，解的形式为 ：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,23,从而，其往反应堆引入的反应性为：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,24,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,25,停堆后的135Xe中毒 为了方便讨论，可认为停堆后，堆芯内的中子通量密度立即变为0，裂变反应立即停止。 从停堆开始计时，则初始条件为：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,26,停堆后， 135I与135Xe的动力学方程变为： 根据初值条件，可以求得上面方程的解：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,27,如果反应堆在停堆前较长一段时间内处于稳定运行工况，那么在停堆时135I与135Xe的浓度为：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,28,从而停堆后，135Xe向堆芯引入的负反应性随时间的变化为： 由此可见，在停堆后，堆芯135Xe的浓度将首先达到一个最大值，然后再逐渐减小。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,29,这是因为一方面，在停堆后： 135Xe通过135I的衰变产生，然后通过自身的衰变消失； 由于135Xe的半衰期要比135I的半衰期长，因而其在停堆后首先会增加； 与之对应的，堆芯的剩余反应性首先减小。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,30,另一方面，在停堆后： 135I无法继续产生，但是却在逐渐消耗； 因此135Xe浓度不会无限制的增长下去，其在达到一个最大值后，将会逐渐减少； 从而堆芯的剩余反应性也将在达到一个最小值后逐渐增加。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,31,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,32,从上图可以看出，在停堆后，由于135Xe中毒往堆芯引入的负反应性的最大值，是与停堆前的功率水平相关的： 功率水平越高，则能达到的负反应性越大； 反之则越小。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,33,碘坑及其影响 碘坑发生的条件 停堆后： 135Xe的浓度显示增加到一个最大值，然后逐渐减小； 剩余反应性随时间的变化刚好相反，首先减小到一个最低值，然后逐渐增大。 这种现象称为碘坑。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,34,当反应堆停堆后，135Xe的浓度的变化为： 如果要想不发生碘坑现象，那么只要保证停堆后，135Xe的浓度不增加即可，即：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,35,根据前面的结果可得： 上式整理可得：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,36,从而只要保证： 便可以保证在任何时刻都有：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,37,整理可得： 从而只要停堆时的堆芯中子通量密度满足上述条件时，便不会发生碘坑现象。亦即，如果要发生碘坑现象，就必须有：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,38,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,39,碘坑的影响强迫停堆时间 当反应堆停堆后，堆芯内的135Xe浓度会出现一个极大值。其可能使反应堆的剩余反应性在一段时间内小于0。 这意味着在这段时间内，即使将堆内的所有的控制毒物全部移出堆外，反应堆也无法达到临界。 这段时间称为强迫停堆时间。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,40,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,41,碘坑最大值时间 如果认为在反应堆停堆后，中子通量密度立即将为0，那么在停堆后，135Xe随时间的变化规律为： 对上式求导，并使其为0，即：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,42,上式中的tmax便是停堆后达到最大135Xe浓度时间tmax，可求得其大小为 ： 或者也可以写为：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,43,功率变化过程中的135Xe中毒 功率降低时 为了方便讨论，现在记： 当135Xe的浓度达到平衡时，显然有： NXeNdN 0,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,44,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,45,当反应堆的功率P降低（P1P2）时： 中子通量降低； 由于N与密切相关，从而立即减小； 而与Nd对并不敏感，此时有：Nd(P1) N(P2)； 从而NXe 0，即135Xe的浓度会先增加； 经过一段时间，功率降低导致的135I的产生率降低的效应逐渐体现出来，使得Nd逐渐减小，降低到和N相匹配的水平：Nd(P2)N(P2)。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,46,功率提升时 当反应堆的功率P提升（P1P2）时： 中子通量增加； 由于N与密切相关，从而立即增加； 由于Nd对并不敏感，此时有：Nd(P1) N(P2)； 从而NXe 0，即135Xe的浓度会先降低； 经过一段时间，功率提升导致的135I的产生率增加的效应逐渐体现出来，使得Nd逐渐增加，提高到和N相匹配的水平：Nd(P2)N(P2)。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,47,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,48,135Xe振荡 135Xe振荡 .正的阶跃 如果引入正的反应性，那么有： 中子通量密度增加； 135Xe通过吸收反应的消耗率增加； 135Xe通过135I衰变的产生率还维持在较低的水平上； 135Xe的浓度减小；,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,49,对热中子的吸收减弱，即f（热中子有效利用系数）上升； 从而Keff增加，亦即增加； 进一步增加。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,50,.负的阶跃 如果引入负的反应性，那么有： 中子通量密度减小； 135Xe通过吸收反应的消耗率减少； 135Xe通过135I衰变的产生率还维持在较高的水平上； 135Xe的浓度增加；,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,51,对热中子的吸收加强，即f（热中子利用系数）降低； 从而Keff减小，亦即减小； 进一步减少。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,52,但上述过程并不会一直持续下去。原因有： 135I的产生率在经过一段时间后，也将调整到相应的水平上； 由于中子通量密度形成了梯度，因此会导致中子有通量密度高的地方流向低的地方。 以上的分析综合起来的结果就是 ： 发生扰动后，堆芯内某个局部区域的135Xe的浓度可能会先升高（或降低），在升高到一定程度后，然后降低（或升高）； 中子通量密度、功率密度的变化则和其相反。 从而在反应堆内形成了一个135Xe浓度、中子通量密度和功率密度的空间振荡。简称为135Xe振荡。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,53,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,54,135Xe振荡发生的条件 一般来说，135Xe振荡只有在一定的条件下才会发生。只有当以下两个条件同时满足的时候 ： 堆芯的尺寸超过30倍徙动长度； 堆芯的热中子通量密度大于1013-2s-1。 135Xe振荡才成为一个值得认真考虑的问题。 135Xe振荡的周期一般约为1530h。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,55,135Xe振荡的危害 135Xe振荡会造成以下危害： 135Xe振荡使得堆芯内的功率密度发生振荡，有可能使得堆芯局部温度过高，超过设计限值。 135Xe振荡会使堆芯的温度分布产生交替的变化，从而加剧材料的温度应力的变化，使得材料过早损坏。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,56,135Xe振荡的监测 在135Xe振荡过程中，堆芯的局部的135Xe浓度会发生变化，但是整个堆芯的135Xe的变化不大。 135Xe振荡对Keff和总的反应性的影响是不显著的。所以很难从总的反应性测量中来发现135Xe振荡。 只有从局部的功率密度和中子通量密度的变化中才能发现135Xe振荡。,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,57,149Sm的动力学方程 149Sm的性质 149Sm对反应堆的影响仅次于135Xe。其对0.0253eV的中子的吸收截面为40800b。 149Sm具有以下特点： 149Sm的产生只有通过其它元素衰变产生一条路径； 149Sm的消耗只有通过发生吸收反应一条路径； 149Sm的半衰期T1/2 21015a，其可视为是稳定的。,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,58,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,59,简化处理 为了简化计算，需要对149Sm的衰变链进行简化： 149Nd的裂变产额为0.0113，半衰期为2h，相对149Pm的半衰期（54h）较短。 可以忽略149Nd的中间作用，认为149Pm是在裂变时直接产生的。 从而可得： PmNd0.0113,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,60,149Pm的动力学方程 .产生项： 149Pm的产生是通过裂变直接产生，具体表达式为： .消耗项： 149Pm的消耗则主要是通过-衰变，变为149Sm： N2PmNPm,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,61,.动力学方程 从而149Pm的动力学方程为：,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,62,149Sm的动力学方程 .产生项 149Sm的产生是通过149Pm衰变产生的。其产生率的具体表达式为： N1PmNPm .消耗项 149Sm的半衰期T1/2 21015a，可以认为其是稳定的。从而149Sm的消耗项的表达式为：