第4章：反应性变化与控制.ppt

1、第四章：反应性变化和控制，反应性工程概论，第一，反应性(1)，有效乘数Keff是反应性反应堆最重要的宏观物理量。反应堆Keff应该在1附近。Keff和1的相对偏差定义为反应性：(K1)/K=0:临界；0:超临界；0:二次临界、一次、反应性(2)、倍增因子或反应性的影响因素很多，最重要的是堆的材料成分变化和材料温度的变化。在反应堆运行过程中，必须有效控制这些因素对反应性的影响，使反应堆保持受控运行状态。实际上，反应堆总是设计为Keff1，反应堆运行时调节Keff为1，停止堆时调节Keff小于1。反应堆在冷停止状态下(如果所有停止系统都移出核心)，反应性大于0的部分称为残留反应性。第二，反应温度效

2、应(1)，2.1反应温度系数(1)反应堆停止过程中的室温状态，即冷。运行时温度上升到运行温度。材料温度的变化一般对反应性有很大影响。温度变化随着一个单位(K，C)的反应性变化，反应性温度系数t: t=d/dt=dk/dt/k2 dk/dt/k反应堆的温度变化不统一，各种材料温度变化对反应性的影响不同，因此燃料温度、减速剂温度等温度变化很重要。相应的温度系数称为燃料反应性温度系数、减速剂反应性温度系数等。第二，反应温度效应(2)，2.1反应温度系数(2)反应温度系数负值有利于反应堆安全，反之亦然。反应堆设计应尽量在各种条件下使温度系数为负。第二，反应温度效应(3)，2.2燃料的反应温度系数燃料核

3、截面中，中等能量段有很多强共振峰。燃料温度对反应性的影响主要是共振吸收的变化。随着温度的升高，共振峰会减少，但在微剖面曲线下应用的区域保持不变，这称为疱疹峰扩张。最常见的核反应堆有很多以强共振俘获吸收为特征的238U。温度升高，谐振杆变宽，落在谐振杆上的中子增多，俘获吸收中子增加，中子的利用率降低。引起反应性下降。这种效果称为多普勒效应。238U多普勒反应性温度系数为负。这对反应堆安全至关重要。其次，影响反应温度效应(4)、2.3减速剂反应温度系数减速剂温度变化时减速剂减速能力的主要方法如下：减速剂密度变化。以水为例，温升减速能力下降，能量谱变硬。减速剂温度变化引起中子温度变化。温度升高，能量

4、谱就会凝固。对于热中子反应堆，一般来说，能量谱凝固后，反应性就会下降。因为能量谱凝固后，燃料的共振吸收会增加，裂变物质的裂变截面会减少，中子泄漏也会增加。但也不是绝对的。影响反应性的因素很多。由于能谱的变化，影响反应性的各种趋势、最终综合效果、反应堆设计都有所不同。一些强吸收体的中子截面呈1/v变化。能量谱凝固后，吸收力减弱，反应性增加。如果这种吸收作用在核反应堆中占优势，则总反应温度系数为正。第三，核裂变产物中毒(1)，核裂变和崩溃导致反应堆发生大量物质转换。特别是核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影响。特别是每种裂变产物都有较大的中子吸收截面，典型的裂变产物是钐(149

5、Sm)和氙(135Xe)。这种强吸收裂变产物分为两类。寿命长的叫“slash”，寿命短的叫“中毒”。135Xe的中毒效果如下所述。iii，裂变产物中毒(2)，3，裂变产物中毒(3)，核反应堆135Xe主要来自裂变产物135I的崩溃，一小部分直接通过核裂变生成。135Xe强力吸收中子，转化为136Xe，通过衰变转换为135Cs。任何时候，如果将I和Xe的核密度设置为NI和NX，那么它的微分方程为dni/dt=wifi NIC dnx/dt=iniwxfxnxxx，iii，裂变产物中毒(4)，在核反应堆正常运行期间，I和Xe的密度不会随时间变化，而是处于所谓的平衡状态。此时，Xe的原子密度为Nx=

6、(wI wx)f/(x x)氙瞬态问题：当功率阶段发生变化时，Xe的原子密度会暂时发生变化，因此倍增系数会暂时发生变化。典型案例：堆停止时的“碘坑”现象。氙振动：氙密度与原子功率一起在空间中具有正反馈机制的振动现象。有可能发生在大型通量较高的核反应堆中。四、燃料消耗分析(1)，反应堆中材料成分的原子密度不断变化。对乘法因素或中子的平衡有很大影响的其原子密度的变化尤为令人担忧。上一节Xe，Sm的讨论是典型的方面。本节讨论与核燃料相关的原子密度变化及其影响。核燃料原子密度变化的分析称为燃料消耗分析。燃料消耗分析首先要按照核反应式列出相关微分方程，然后一起解这个微分方程，得出燃料相关原子密度随时间的

7、变化。油耗分析以已知通量分布为前提。比起解决能谱问题和通量的空间分布问题，油耗分析更简单。4，燃料消耗分析(2)，4，燃料消耗分析(3)，能谱计算和扩散计算基于核反应堆的特定固定材料成分。随着燃料的不断消耗，材料成分发生变化，能谱和扩散计算结果将不准确，需要根据新材料成分进行能谱和扩散计算。因此，能谱、扩散和燃料消耗分析三大任务是徐璐结合的任务。这里没有提到温度计算，实际上，能谱计算与温度非常相关，因此堆内温度场计算也参与了上述耦合计算的第四个任务。4，燃料消耗分析(4)，S:能谱计算，F:通量计算，B:燃料消耗计算，4，燃料消耗分析(5)3360燃料消耗深度，燃料消耗深度：插入核反应堆单位重

8、量中的重金属，例如单位：MWd/tU。1吨235U的裂变释放能量约为106MWd。今天，PWR燃料中235U的浓度约为35%。燃料消耗也在35万MWd/tU左右。其中一部分是239Pu等其他裂变材料的贡献。排放未消耗235U。燃料元件本身(包括燃料本身和外壳材料)的调查耐受性是影响燃料消耗深度的主要因素。第四，燃料消耗分析(6):堆燃料管理，堆燃料管理：装载分区，使用硼酸或可燃毒物代替控制棒，优化控制棒操作程序，优化替代方案等，为最大限度地平衡堆燃料消耗深度的几项技术措施。优化的反应堆燃料管理可以增加反应堆供应周期，增加燃料消耗深度，大大提高发电站的经济效率。5，反应性补偿和控制(1)，反应性操作后温度升高，有毒物质生成，燃料消耗等导致反应性下降，因此反应性必须设计出适当的初步反应性。反应堆控制手段必须能够控制这种预备反应性，使反应堆运行时的反应性为零，还必须能够控制功率，将反应堆带到特定的临界深度。例如：PWR反应平衡状态：温度4.2，氙毒性4.2，燃料消耗