控制棒控制(核反应堆物理分析)

1、8.3控制棒控制，反应性控制的三种方式，7.3.1控制棒的功能和一般考虑，控制棒主要用于控制反应性的快速变化，主要用于控制由以下因素引起的反应性变化：多普勒效应、慢化剂温度效应和气蚀效应、瞬态氙效应、硼冲洗效应、热停堆效应。在压水堆中，控制棒的反应性一般必须控制在0.07-0.1左右，控制棒的材料选择为：具有较好的性能。例如，压水堆使用银(80%)-铟(15%)-镉镉有较大的热中子吸收截面，银和铟在超热能区有较大的共振吸收峰，具有较长的寿命。要求单位体积内含有吸收剂的原子核数要多，中子吸收后形成的子核也要有较大的吸收截面，这样它们的吸收能力就不会受到自身燃烧的影响。例如，177Hf俘获中子形成

2、178Hf，然后形成179Hf，两者都有较大的共振吸收截面。它具有抗辐射、耐腐蚀、良好的机械性能和低廉的价格。常用的控制材料有铪、镉、银铟镉、硼、钆、铒、铕、钐和其他稀土元素。7.3.2控制棒数值的计算：指反应堆中控制棒的存在和不存在之间的反应性差异。中子值：用于描述堆芯不同位置的中子。用*(r)表示中子值。表示在静止状态下，每秒钟消除或产生一个中子导致反应堆反应性降低或增加。显然，控制棒的价值不仅与吸收中子的数量有关，而且与吸收中子的价值*(r)有关。对于单群模型，*(r)和中子通量密度分布函数(r)是相同的，即，*(r)=(r)。因此，控制棒的值与控制棒插入位置中子通量密度的平方成正比，即

3、2(r)，控制棒插入深度对控制棒值的影响。控制棒插入前，堆芯单组方程：当控制棒插入堆芯时，宏观吸收截面从变为，中子通量密度单组方程为：使用时，分别将前面两个方程相乘，并减去积分得到：反应堆表面的和为零，得到：从=(k-1)/k)=-(1/k)，有，得到：对于裸圆柱形反应堆，得到：控制棒积分值，控制棒从初始参考位置插入到一定高度时引入的反应性。选择具有参考位置的堆芯顶部：然后柱塞向堆芯引入负反应性。随着棒的连续插入，引入的负反应性增加。参考位置在反应堆底部(完全插入位置):提升控制棒会产生正反应性，提升的控制棒越高，正反应性越大。定义：由控制棒在堆芯不同高度移动单位距离引起的反应性变化，其单位通

4、常为相变材料/厘米。控制棒的差值随着控制棒在堆芯中的移动位置而变化。控制棒之间的干扰效应：当一个控制棒插入堆芯时，会造成堆芯中子通量密度分布的畸变，这将不可避免地影响其他控制棒的数值。干扰效应：当多个控制棒同时插入堆芯时，总数值不等于每个控制棒单独插入时的数值之和。这种现象被称为控制棒之间的干涉效应。控制棒的值与其所在位置的中子通量密度的平方成正比。控制棒2插在靠近第一个控制棒的d1处，其值低于单独插入时的值；在d2处插入比单独插入更有价值。同样，第二个控制棒的插入将扭曲中子通量密度分布，这将影响周围控制棒的数值。当距离较近时，同时插入的总值小于单次插入的总值，当距离较远时，同时插入的总值大于

5、单次插入的总值。考虑到干扰效应，设计中控制棒间距应大于热中子扩散长度。什么因素影响控制棒的价值？介质温度：随着温度的升高，密度降低，中子很容易通过燃耗：随着燃耗的增加，裂变产物不断积累，热中子的吸收也导致能谱硬化和控制棒价值增加。控制棒插入深度对数值的影响，插入深度对数值的影响：当控制棒位于堆芯顶部和底部附近时，控制棒的微分值很小，与控制棒的移动距离呈非线性关系；当控制杆插入中段时，控制杆的差值相对较大，基本上与控制杆的移动距离成线性关系。根据这一原理，反应堆中调节杆的调节带通常选择在堆芯的轴向中间部分。这样，由调节杆的运动引起的值与其插入深度成线性关系，并且控制杆的不同插入深度对芯功率分布的

6、影响也成线性关系。在主要由控制棒控制的反应堆中，堆芯在其寿命开始时具有更大的过剩反应性，控制棒被深深插入。在有控制棒的区域，中子通量密度和功率相对较低，但由于整个堆芯的总功率输出应保持不变，在没有控制棒的底部形成中子通量密度峰值，如图7.12所示。在中子通量密度高的区域，燃料消耗非常快。随着反应堆运行时间的延长，控制棒不断向上移动。到堆芯寿命结束时，控制棒已经升到堆芯顶部，中子通量密度和功率的峰值逐渐向顶部移动。8.4可燃毒物控制，7.4可燃毒物控制：中子吸收剂可燃毒物在反应堆运行过程中燃烧的重要性首次装入的压水堆是一种新燃料，其剩余反应性极高。化学控制受到硼浓度不超过1400ppm的限制，因

7、此有必要增加控制棒的数量。这将增加大量的驱动机构装置，并且在压力容器的头部将打开更多的孔，因此结构强度是不允许的。此外，机制越多，出现问题的可能性就越大。此外，有必要仅在第一次装载期间控制大的反应性。第二次换料后，大部分装载的是乏燃料，初始剩余反应性明显降低，因此没有必要增加控制棒的数量。可燃毒物的要求：吸收截面较大；要求可燃毒物消耗释放的反应性基本上等于堆芯燃料消耗减少的剩余反应性；吸收中子后，其产物的吸收截面应尽可能小；在卫星寿命结束时，可燃毒物的残留量应尽可能小；要求可燃毒物及其结构材料具有良好的机械性能。可燃毒物材料，目前常用的主要元素是硼和钆。常用的可燃毒物包括硼、钆、铒、钐和其他具

8、有较大中子吸收截面的核素。它们以分散在氧化物、碳化物或其他基质材料中的形式使用。它可以与燃料混合或制成管状、杆状或板状并插入燃料组件中。可燃毒物的排列及其对反应性的影响。均匀排列假设堆芯中没有中子泄漏，燃料和可燃毒物随时间变化。通过对T积分，我们可以得到如下结果：假设堆芯中没有中子泄漏，慢化剂、冷却剂和结构材料的宏观吸收截面与时间无关，有效倍增系数表示为：keff上升，因为可燃毒物对反应性的释放速率大于初始阶段燃料消耗对反应性的损失率；Keff在达到最大值后再次降低，因为燃料消耗对反应性的损失率大于大量可燃毒物消耗后可燃毒物对反应性的释放率。可燃毒物吸收截面越大，keff与初始值的偏差越大。该

9、图显示可燃毒物消耗与堆芯剩余反应性的降低不匹配。理想情况下，在整个堆芯寿命期间，keff的变化尽可能小。是德西在压水堆核电站中，可燃毒物棒的非均匀布置基本上可以满足这一要求。排列不均匀，可燃毒物制成杆状、管状或板状零件，插入芯部，从而形成可燃毒物的不均匀排列。非均匀布置的主要特点是可燃毒物棒有很强的自屏蔽效应。下图显示了几种不同运行时间下可燃毒物棒中的中子通量密度分布。可燃毒物的自屏蔽效应随反应器运行时间而变化。可燃毒物棒在寿命初期的中子通量密度远低于慢化剂-燃料，表明自屏蔽效应强，有效微观吸收截面小，Keff偏离初始值。随着运行时间的减少，自屏蔽效应减弱，毒物棒内的平均通量密度增加，有效截面

10、逐渐增大，Np下降较快。可燃毒物在寿命结束时在堆芯中的滞留量很小，对堆芯寿命没有明显影响。反应堆内可燃毒物棒的布置，当有可燃毒物时，keff小于无可燃毒物时，控制棒控制的反应性相应较小。如果排列不均匀，在整个堆芯寿命期间，keff的最大值不会超过初始值。当分布均匀时，keff的最大值大大超过其初始值。可燃毒物棒在堆芯中合理分布，不仅可以补偿剩余反应性，还可以使径向中子通量密度分布变平。8.5化学补偿控制，7.5化学补偿控制，化学补偿控制：将可溶性化学毒物添加到主冷却剂中以取代补偿的作用，简称为化学控制。化学控制主要用于补偿反应性：当反应堆从冷态到热态(零功率)时，反应性的变化是由慢化剂的温度效

11、应引起的；裂变同位素燃耗和长寿命裂变产物积累引起的反应性变化；氙和钐平衡引起的反应性变化。化学控制的优点在堆芯中均匀分布，对整个堆芯的反应性有一致的影响；化学控制不仅不会造成堆芯功率分布的畸变，而且可以降低功率峰值因数，并与燃料分区配合提高平均功率密度；化学控制中的硼浓度可根据操作需要进行调节，但固体可燃毒物不可调；化学控制不占据网格位置，不需要驱动机构，可以简化反应器结构，提高反应器经济性。化学控制的缺点是只能控制慢变的反应性，需要一套添加硼和释放硼的附加设备；水中硼浓度对慢化剂的温度系数有显著影响。随着浓度的增加，减速剂负温度系数的绝对值越来越小。当水中硼浓度超过一定值时，可能会使慢化剂的

12、温度系数呈现正值。硼的特性，硼浓度的上限是1400ppm，慢化剂温度系数与慢化剂温度有关。当温度较低时，当硼浓度超过500ppm时，出现正温度系数。在反应器的工作温度(约280300)下，当硼浓度大于1400ppm时，出现正温度系数。当设计反应堆堆芯时，要求慢化剂温度系数在反应堆温度处于热态时不呈现正值，这限制了反应堆堆芯中允许的硼浓度。目前，在压水堆的设计中，硼浓度一般低于1400ppm。随着反应堆的运行，堆芯中的反应性逐渐降低，因此有必要持续降低硼浓度，以保持堆芯处于临界状态。此时，硼浓度被称为：临界硼浓度随着燃耗深度的增加而逐渐降低，其对慢化剂温度系数的影响逐渐减小。慢化剂负温度系数的绝对值随着燃耗深度的增加而逐渐增大。硼差值被定义为由cha引起的堆芯反应性的变化能谱硬化，解释：硼的中子吸收服从1/v，所以能量较低的中子吸收更多，导致热中子峰向超热中子带移动的现象。即使中子能谱硬化，硼的注入也会硬化能谱，硼浓度的变化率与冷却剂中硼的浓度成正比。在相同的注入速率下，寿命结束时的硼浓度变化率比寿命开始时小得多。硼浓度的变化率，假设系统的彭浓度为CB，注入的高浓度硼浓度为CH，并且注入速度为w。为了保持来自系统的冷却剂的相同体积，例如稀释时CH=0，它也减少1