反应堆物理分析CHAPTER.ppt

燃耗与中毒 在分析稳态情况下的反应堆物理问题时 有关的物理量是不随时间变化的 但是运行中 易裂变核的裂变和可裂变核的转化 裂变产物的积累 冷却剂温度的变化以及控制棒的移动等原因 许多物理量如反应性 燃料的同位素成分以及中子通量密度等是随时间变化的 本章主要讨论随时间变化速率缓慢的物理量 如燃料成分的变化和燃耗 裂变产物同位素的形成与消耗 反应堆启动和停堆后Xe 135和Sm 149中毒随时间的变化 铀 钚重同位素链 简化的铀 钚循环中同位素燃耗链 我们略去了239U 240U和240Np 239U吸收截面很小 半衰期很短 从239Np变为240Np也很少 燃耗方程 变化率 产生率 消失率 铀 235的燃耗 钚 239的积累 裂变产物链 我们考虑了14个独立的线性链 包括22个裂变产物和2种假想裂变产物 裂变产物中毒 裂变产物绝大部分具有放射性 经过一系列衰变后 形成新的同位素 其中的一些具有很大的热中子吸收截面 如Xe 135和Sm 149 并且它们的先驱核还有较大的裂变产额 因此对反应堆的运行有较大的影响 由于裂变产物的存在 吸收中子而引起反应性的变化称为裂变产物中毒 氙中毒 氙 135是热堆最重要的裂变产物 对反应堆运行有重要影响 极大的热中子吸收截面Xe 135热能区平均吸收截面达3 106b 大的产额Xe 135的总体产额达到6 以上反应堆停堆后会积累起来工况变化时 浓度变化迅速可导致堆内中子通量密度和功率的空间震荡 氙 135的热中子吸收截面 U235裂变的质量产额曲线 质量数为135的核素的简化衰变链 碘 氙动力学方程 碘 氙 反应堆净堆启动后的瞬变 碘的积累 氙 135的平衡浓度 反应堆在稳定功率下运行约40h后 达到平衡浓度 平衡氙中毒 有平衡氙浓度引起的反应性变化的值 称为平衡氙中毒 可以看出 平衡氙中毒与热中子通量密度水平有关 当堆内中子通量密度很小时 平衡氙中毒也很小 在高的热中子通量密度下运行时 可以近似认为平衡氙中毒与通量密度无关 只与宏观裂变截面和宏观吸收截面的比值有关 反应堆启动后氙中毒的瞬态变化 135Xe的产生有两条途径 直接裂变产生 135I的衰变 其中135I的衰变为主要产生途径 135Xe的消失有两条途径 吸收中子消失 衰变 当平均中子通量密度为0 756 1013cm 2 s 1时 由135Xe吸收中子和135Xe衰变所引起的消亡率刚好相等 但在动力热堆中 通量密度一般都大于上值 反应堆停闭后的情况 对于压水堆 在额定功率运行时 其中子通量密度为第二种情况 所以有最大氙中毒现象 一个典型的热堆中氙的产生和消失的相对比例5 95 10 90 停堆后 中子通量密度近似降为零 直接裂变的氙也将为零 这时的产生主要是I 135的衰变 消失主要靠氙的衰变 其吸收消失也将为零 同时 氙的半衰期大于碘的半衰期 所以氙的浓度会累积起来 但是碘的浓度不断降低 因此 氙的浓度在到达一个峰值后 会逐渐减小 碘坑 停堆后 氙 135的浓度先是增加到最大值 然后逐渐地减小 剩余反应性随时间的变化刚好相反 先减小到最小值 然后逐渐地增大 这一现象称为 碘坑 从停堆到剩余反应性回升到停堆时刻的剩余反应性时间称为 碘坑时间 用tI表示 碘坑时间内 剩余反应性大于零的时间称为 允许停堆时间 用tp表示 小于零的时间称为 强迫停堆时间 用tf表示 碘坑 高通量情况下 停堆后达到最大氙浓度的时间tmax大约为11 3h 碘坑的深度与停堆前热中子通量密度的关系 中子通量密度越大 碘坑深度越深 从不同的初始功率水平情况下停堆 停堆后的重启动 反应堆功率变化过程的氙瞬态Xenontransientsfollowingreactorpowerchanges 1 反应堆功率变化过程的氙瞬态Xenontransientsfollowingreactorpowerchanges 2 反应堆功率变化过程的氙瞬态 反应堆功率变化过程的氙瞬态 氙振荡 在前面的讨论中 没有考虑到中子通量密度在空间上的不均匀性 实际堆内的中子通量密度是不均匀的 所以135Xe的浓度也不均匀 氙振荡是这样的物理现象 大型反应堆内局部中子通量密度的变化会引起局部区域135Xe浓度和局部区域反应性的变化 反过来 局部区域反应性的变化也会引起局部135Xe浓度的变化 这样的相互作用可能使堆芯中135Xe和中子通量密度分布产生空间振荡 产生条件 1 高热中子通量密度 大于1013中子 cm2s 2 反应堆尺寸很大 要求大于30倍徙动长度 氙振荡 1 高热中子通量密度 一般大于1013 2 反应堆尺寸大于30倍徙动长度 氙震荡 氙震荡周期一般为15 30h 周期较长 可以人为地控制 对于天然铀或低富集铀气冷堆和大多数大型压水堆 尺寸都超过30倍徙动长度 必须考虑氙振荡 沸水堆中 由于局部功率升高 该区域的水立刻产生更多的沸腾 负的空泡反应性效应使得该区的增殖系数很快地减小 功率很快恢复到初始值 所以在沸水堆中 产生氙振荡的可能性很小 氙振荡产生时 对整个堆的氙总量影响不大 所以从总的反应性测量中来发现氙振荡很困难 只有从测量局部功率变化中发现 氙振荡的危险在于反应堆热管位置转移和功率密度峰因子改变 局部区域的温度升高 若不加控制 可能导致燃料元件熔化 几种情况下的氙中毒 一 反应堆启动时的135Xe中毒二 停堆后135Xe中毒三 功率变化时135Xe中毒四 氙振荡 反应堆启动时的135Xe中毒 对于净堆 135Xe初始浓度为零 随运行时间逐渐积累 在运行40h左右就接近平衡浓度了 停堆后135Xe中毒 停堆后 氙 135的浓度先是增加到最大值 然后逐渐地减小 剩余反应性随时间的变化刚好相反 先减小到最小值 然后逐渐地增大 这一现象称为 碘坑 功率变化时135Xe中毒 功率变化时135Xe中毒 氙振荡 由于局部中子通量密度的变化引起局部区域135Xe浓度和局部区域反应性的变化 反过来 局部区域反应性的变化也会引起局部135Xe浓度的变化 钐 149中毒 在所有的裂变产物中 钐 149对反应性的影响仅次于氙 135 钐 149的产额为1 13 钐 149的热中子平均吸收截面为40 000靶 相对较大 A 149的裂变产物的衰变链 钐 149为稳定核素 只能通过吸收中子而消失 钷 钐动力学方程 钷 钐 通量为5 1013时 t要远大于0 5 106s 反应堆净堆启动 钐 149的平衡浓度值与反应堆的中子通量或功率水平无关 但其达到平衡所需要的时间和功率水平有关 在不同通量密度下停堆后钐的积累与重开堆后的烧损 反应堆停堆和再启动Reactorshutdownandrestart 反应性随时间的变化与燃耗深度 寿期初 反应堆的燃料装载量比临界时燃料装载量多 所以初始的有效增殖因子 剩余反应性 较大 因此需要用控制毒物 控制棒 硼酸 可燃毒物棒 来补偿这些剩余反应性 才能在反应堆中实现自持链式反应 随着运行时间的增加 堆内燃料不断消耗 裂变产物不断积累 剩余反应性将逐渐减小 一个堆芯从开始运行到有效增殖系数降到1时 反应堆满功率运行的时间称为堆芯寿期 燃耗和堆芯寿期 燃耗深度 燃耗深度是表示核燃料贫化程度的物理量 工程中通常以单位质量的燃料所发出的能量来表示 单位 MWd t GWd t1MWd t 86 4MJ kg 从堆芯中卸出的燃料达到的燃耗深度称为卸料燃耗深度 平均卸料燃耗深度影响电厂的经济性卸料燃耗深度受反应堆核设计和燃料元件性能的影响目前国际上压水堆的平均卸料燃耗深度已经可以达到45GWd t以上 除了采用MWd t外 还可以用EFPH EFPD 来表示燃耗 表示在满功率条件下运行一个小时 天 所带来的燃耗 在50 功率运行两小时与100 功率运行一小时所产生的燃耗相同 不同电厂之间EFPH可能不同 但MWd t可以通用 计算一座其核燃料装载量为100t UO2 热功率为3411MW的核电厂积分功率 EFPH 设循环燃耗为13000MW d tU 解 铀的质量 100t 238