温度效应与反应性控制

温度效应与反应性控制4堆芯温度不断变化：●

冷态至热态：200~300K功率改变

→

堆芯温度变化堆芯温度及其分布的变化将引起：●燃料温度变化：

多普勒效应，共振吸收增加●

慢化剂密度变化：慢化能力及慢化性能改变●中子截面的变化：截面是温度的函数●

可溶硼溶解度的变化上述因素的变化将导致堆芯有效增殖因子的变化，从而引起反应性的变化，该物理现象称为反应堆的“温度效应”。反应堆反应性变化的主要影响因素·

温度效应·

燃耗·

中毒·

功率调节、反应堆启动、停堆等反应堆要有足够的剩余反应性，以克服上述反应性变化并对反应堆进行控制反应性效应数值，%要求变化率温度亏损2~50.5/h功率亏损1~20.05/min氙和钐中毒5~250.004/min燃耗5~80.017/d功率调节0.1~0.20.1/min紧急停堆2~4<1.5~2s压水堆反应性变化8.1反应性系数·

反应性系数：指反应堆的反应性相对于反应堆的

某一个参数的变化率称为该参数的反应性系数。

如：

反应性温度系数、空泡系数、功率系数等。·

为保证反应堆安全运行，要求反应性系数为负值，以便形成负反馈·石墨水冷堆·

事故原因：-操作员严重违反操作规程-核电站内在的设计缺陷：正反应性系数

(低功率状态)、空心控制棒

设计等切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站事故死亡人数为30人本报维也纳5月21日电(记者丁健行)

联合国原子辐射效应科学委员会2日至11日在维也纳举行第49次会议，会议的主要议题之一是评价切尔诺贝利核电站事故14年来的辐

射后果。该委员会的结论是：

核电站事故造成30人死亡，其中28人死于过量照射，死者

均为电站工作人员或消防人员。开始被检查有急性放射病症状的工作人员共237人，最后

诊断为急性放射病的为134人，其他人没有确诊。134人中包括辐射照射致死的28人。对于切尔诺贝利核电站事故的长期效应，联合国原子辐射效应科学委员会的结论是：除儿童甲状腺癌的发生率有十万分之几例的增加外，至今未发现有其他可归因于这

次事故的总癌症发生率和死亡率的增加。联合国原子辐射效应科学委员会是联合国系统中专门评价电离辐射水平和健康效应的一个科学委员会，由各国科学家代表和顾问组成，每年召开一次会议，发表专门报告。其报告在国际上被公认为在这个领域中最有权威的报告。针对近来西方舆论界的大量错误报道，本次会议专门讨论了切尔诺贝利核电站事故的后果，通过了联合国原子辐

射效应科学委员会主席给联合国秘书长安南和世界卫生组织总干事的信，澄清了有关事

实。最近以来一些传媒报道说，1986年发生的切尔诺贝利核电站事故到现在已造成7000

人死亡，还有称已死亡3万人。这些为追求“轰动”效果而缺乏科学依据的错误报道有损核能的公众形象，影响了人类和平利用核能的信心，这一情况引起科学家们的极大担心

。《光明日报》2000-5-

22

第4版8.1.1反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响单位温度变化所引起的反应性变化称为反应性温度系数因kef≈1,所以上式可写为根据反应性定义，可得近似计算公式反应堆总的温度系数二

各材料成分温度系数的总和其中起主要作用的是燃料温度系数和慢化剂温度系数●αT>0

:

正

阶

跃→

P↑→T个→

k↑→p↑→P↑

(不稳定)●

αT<0

:①|αI

很小，导热很快：正阶

跃→

P↑→T个且快

→

p↓很

小(p>0)→P↑→T……p=0

(稳态)②|α-I

很大，

导

热

不

快：

正

阶

跃→

P↑→T个且不快

→

p↓

很大

→

p<0→P↓→T↓→p

个→

p=0

(稳态)αT>0αT<0且|

αrl很小，导热很快αT<0且|

αrl很大，导热不快时间

t在不同温度系数情况下，反应堆功

率随时间的变化功

率

P8.1.2燃料温度系数由单位燃料温度变化所引起的反应性变化称为燃料温度系数瞬发系数：功率变化时，燃料温度立即升高，燃料的温度效应

立即表现出来。

对功率变化响应快，对安全运行非常重要!燃料温度系数主要是由于燃料核共振吸收的多普勒效应引起!考虑“四因子公式”-2.8-2.6-2.4-2.2-2.0473

673

873

1073燃料温度系数影响因素①燃料温度有关②燃料成分相关：多普勒效应，低富集铀燃料(238U

共振俘获吸收截面>235U

共振裂变截面)③与燃料燃耗有关：20Pu

增加，多普勒效应使燃料负温度系数的绝对值增大αf

10s1oC燃料有效温度K12738.1.3

慢化剂温度系数由单位慢化剂温度变化所引起的反应性变化称为慢化剂温度

系数，为缓发温度系数固体慢化剂，膨胀系数小，近似认为密度不随温度变化，

仅引起中子能谱的变化，所以温度系数很小。下面讨论液体

慢化剂M

1

dkeffTkeff

0TM慢化剂温度增加时，将引起两个相反的效应：正

效

应：①温度升高，密度减小，有害吸收将减小，kerf增加②如慢化剂含有化学补偿毒物(如硼酸),温度升高导致溶解

度减小，正效应非常显著。寿期初可能出现正的温度系数负

效

应：①温度升高，密度减小，慢化能力减弱，

共振吸收增加②温度增加，中子能谱硬化，238U、240Pu低能部分共振吸收增加NH₂o/NUo₂慢化剂负温度系数有利于反应堆功率的自动调节!综合效应：??8.1.4.a

空泡系数在冷却剂中所包含的蒸汽泡的体积百分数称为空泡份额(x)冷却剂的空泡份额变化百分之一所引起的反应性变化，为空泡系数opdxMV空泡份额增大时，出现三种效应：①冷却剂有害中子吸收减小：

正效应②中子泄漏增加：

负效应③慢化能力变小，能谱变硬：

正或负效应>总的净效应是上述效应的叠加>

热堆(轻水堆)一般为负，快堆可能为正8.1.4.b功率系数堆芯内部燃料温度及其变化等是不能直接测量的，实际运行中通常以功率作为观测量。因此引入功率系数：单位功率变化所引起的反应性变化功率系数是所有反应性系数变化的综合，与反应堆核特性相关，与热工水力特性也有关。堆芯寿期初WHY?堆芯寿期末寿期末硼浓度比寿期初低寿期末堆芯重同位素(中子吸收体)的积累20

40

60

80相对功率(占总功率的百分数),%-12-14-16-18-20-22功率系数,10-/%功率100从反应堆运行角度，需要考虑功率系数的积分效应，即功率亏损：描述功率系数的积分效应，指当反应堆功率提升时，向堆芯引入的负的反应性效应。是反应性亏损，而非功率的亏损当反应堆功率提升时，需向堆芯引入一定量正反应

性，补偿功率亏损引入的负反应性，才能维持堆在新

功率水平下稳定功率运行!沸水堆压水堆重水堆高温气冷堆钠冷快堆燃料温度系数10-⁵/K-4-14～-]-2～-1-7-0.1～0.25慢化剂温度系数10-5/K-50～-8-50～-8-7～-3+1.0空泡系数10-5/%功率-200-100000-12~+20几种堆型的反应性系数温度系数的计算·

不同温度T

下的临界计算，求出相应的kef,

从而

得出△kef与△T的比值，即温度系数·

计算精度与所取得温差大小有关·

微扰理论求解温度系数8.2

反应性控制的任务和方式·

剩余反应性堆芯中没有任何控制毒物时的反应性，Pex。时间、温度函数，

Pex↑→堆芯寿期个、中子利用率↓、控制要求个·

控制毒物价值/控制毒物反应性某一控制毒物投入堆芯所引起的反应性变化

量，△p·停堆深度当全部控制毒物都投入到堆芯时，反应堆所达到的负反应

性

，Ps。为保证安全，要求：在热态、平衡氙中毒工况下，应有足够大的停堆深度。压水堆规定：在一束具有最大反应性的控制棒被卡在堆外的情况下，冷态无中毒时的停堆深度必须大于2~3$·总的被控反应性=剩余反应性+停堆深度。反应性沸水堆压水堆重水堆高温气冷堆钠冷快堆清洁堆芯的剩余反应性pe在20℃时0.250.2930.0750.1280.050在运行温度时0.2480.0650.037在平衡鼠和钐时0.1810.0350.073控制毒物价值总的被控制价值△p0.290.320.1250.2100.074控制棒总价值0.170.070.0350.110.074可燃毒物总价值0.120.080.090.10化学补偿总价值0.17停堆深度Ps冷态和清洁堆芯0.040.030.050.0820.024热态和平衡氙、钐时0.140.1370.037几种主要堆型的各种反应性8.2.2

反应性控制的任务·

反应性控制的主要任务：一控制剩余反应性，满足长期运行的需要一通过控制毒物适当的空间布置和最佳的提棒程序，使反应堆在整个寿期内保持较平坦的功率分布，尽量降低功

率峰因子一在外界负荷变化时，能调节反应堆功率，使它能适用外界负荷变化一反应堆事故时，能迅速安全停堆，并保持适当的停堆深度8.2.2

反应性控制的任务·

反应堆控制的分类：一

紧急控制能够迅速引入大的负反应性，快速停堆，并达到一定的深度。要有极高的可靠性。一功率调节要求操作简单又灵活一补偿控制控制毒物变化很缓慢8.2.3

反应性控制的方式·控制方法一改变堆内中子吸收一改变中子慢化性能一改变燃料的含量改变中子泄漏·控制方式一控制棒控制一固体可燃毒物控制一化学补偿控制8.3控制棒控制8.3.1控制棒的作用控制棒是反应堆紧急控制和功率调节所不可缺少的控制部件，特点：移动速度快、操作可靠、适用灵活、控制反应性准确度高·主要控制下面的反应性变化：一燃料的多普勒效应\慢化剂的温度效应和空泡效应\变工况时，瞬态氙效应\硼冲稀效应\热态停堆深度·

形状一石墨/重水反应堆：粗棒或套管形式的控制棒一沸水反应堆：十字形控制棒-压水堆：束棒式控制棒·对控制棒材料的要求一大的中子吸收截面，包括热中子及超热中子一较长的寿命：单位体积吸收体核子密度大、子核吸收截面大一抗辐照、抗腐蚀和良好的机械性能，同时价格便宜等同位素丰度，%(oa)热

，b(aa)共振，

bE,eV107Ag51.84563016.6109

Ag48.292125005.1113

Cd12.32000072000.18113

In4.212一一115In95.8203300001.46174Hf0.18390一176Hf5.2<30-一177H18.538060002.36178Hf27.1475100007.80179Hf13.756511005.69180Hf35.241413074.0控制棒用材料核特性控制棒价值的计算分别计算有控制棒存在和没有控制棒存在时反应堆的反应性，两种情况之差即所求的控制棒的反应性价值。控制棒与周围水组成“控制棒栅元”,与周围8个燃料栅元均匀混合

构成的附加层，形成“超栅元”。利用CPM

等方法求解中子通量密度、

均匀化截面、控制棒价值等。UO₂+H₂O+Zr(附加层)控制棒·H₂O-导管控制棒栅元(a=12.6)等效控制栅元

(πR²=a²)8.3.3控制棒插入深度对控制棒价值的影响●

中子价值：同一个中子，在堆芯不同地点，对链式反应和

反应堆的功率的贡献是不同的，即不同r处，中子具有不

同的价

值

。√

φ*(r)表示中子价值，正比于在r点每秒消除或出现一个中子所引起的反应堆反应性的减少或增益。√

堆芯边界处中子价值<芯部中心处中子价值√

控制棒价值与被吸收中子数及中子价值有关200015001000s001050

100

200

300●

控制棒的积分价值当控制棒从一初始参考位置插入到某一高度时，所引入的反应性称为这个高度上的

控制棒积分价值。●

控制棒的微分价值控制棒在堆芯不同高度处移动单位距离所引起的反应性变化。单位：PCM/cm①控制棒位于顶部与底部时，非线性关系

②中部，微分价值较大，近似线性关系→

反应堆中调节帮的调节段一般都选择在堆芯的轴向中间区段。8.3.3

控制棒插入深度对控制棒价值的影响控制善积分价值,(PCM)控

制摔

微

分

价

值

,

P

C

M

c

m控制棒组高度，cm控制棒2-

控

制

棒

2

控制棒1堆芯0d₂