反应堆的中毒效应PPT课件.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 12 27 0 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 0 46 中毒效应 2019 12 27 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 Keff fp PL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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 1 46 中毒效应 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 2 46 中毒效应 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 3 46 中毒效应 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 4 46 中毒效应 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 5 46 中毒效应 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 6 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 12 27 7 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 7 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 8 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 8 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 9 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 9 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 N2 I NI 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 10 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 11 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 12 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 N2 I NI 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 13 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 N3 Xe Nxe 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 14 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 15 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 16 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 17 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 18 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 7 106b 其半衰期约为9 14h 从而可得 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 19 47 135Xe中毒 2019 12 27 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1014 1015 2 s 1 时 此时135Xe中毒将达到一个比较可观的数值 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 20 47 135Xe中毒 2019 12 27 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t 0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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 21 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 22 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 23 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 24 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 24 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 25 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 26 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 27 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 28 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 29 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 30 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 31 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 31 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 32 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 33 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 34 47 135Xe中毒 2019 12 27 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 35 2019 12 27 36 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 37 从而只要保证 便可以保证在任何时刻都有 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 37 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 38 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 38 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 39 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 39 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 40 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 40 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 41 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 41 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 42 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 42 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 43 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 43 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 44 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 NXe Nd N 0 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 44 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 45 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 45 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 46 当反应堆的功率P降低 P1 P2 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 46 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 47 功率提升时当反应堆的功率P提升 P1 P2 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 47 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 48 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 48 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 49 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 49 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 50 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 50 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 51 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 51 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 52 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 52 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 53 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 53 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 54 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 54 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 55 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 2 s 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15 30h 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 55 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 56 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 56 47 135Xe中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 57 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 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 57 48 149Sm中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 58 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 2 1015a 其可视为是稳定的 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 58 48 149Sm中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 59 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 59 48 149Sm中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 60 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 Pm Nd 0 0113 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 60 48 149Sm中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 61 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 N2 Pm NPm 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 61 48 149Sm中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 62 动力学方程从而149Pm的动力学方程为 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 62 48 149Sm中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 63 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 N1 Pm NPm 消耗项149Sm的半衰期T1 2 2 1015a 可以认为其是稳定的 从而149Sm的消耗项的表达式为 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟 63 48 149Sm中毒 2019 12 27 哈尔滨工程大学核科学与技术学