教學(xué)課件 第六章 反應(yīng)性隨時間的變化.ppt

第六章反應(yīng)性隨時間的變化,專業(yè):核工程與核技術(shù)反應(yīng)堆工程核物理核安全工程南華大學(xué)反應(yīng)堆物理精品課程教組于濤凌球廖義香左國平李小華,核反應(yīng)堆物理分析,0概論,以前各章涉及的是穩(wěn)態(tài)問題。但實(shí)際上，反應(yīng)性、燃料同位素成分和中子通量密度都將隨著時間而變化。從本章起，開始討論反應(yīng)堆動力學(xué)問題。包括三方面的內(nèi)容：物理量涉及到時間變量；非臨界反應(yīng)堆中中子群行為的研究；由于反應(yīng)堆中反應(yīng)性的變化，而導(dǎo)致中子群的各種物理量隨時間變化的研究。,反應(yīng)性的變化，包括：,慢變化（小時、日）核燃料同位素和裂變產(chǎn)物同位素成分隨時間的變化以及它們對反應(yīng)性和中子通量密度的影響；,快變化（秒）I）啟動、停堆、功率調(diào)節(jié)時，中子通量密度和功率隨時間的變化（可控制），II）另外，非控制的，如冷卻劑喪失，III）隨溫度的變化；,隨機(jī)時（非均勻性變化）冷卻劑中空泡、流體流動的非均勻性變化，機(jī)械振動。,本章內(nèi)容,6.1核燃料中重同位素成分隨時間的消耗,6.1.1燃耗方程,可裂變同位素發(fā)生裂變，不斷燃耗。,可轉(zhuǎn)換同位素發(fā)生轉(zhuǎn)換，如：U-238Pu-239，Th-232U-233。,U-Pu循環(huán),對于Th-U循環(huán)：,考慮更一般的情況：假設(shè)同位素A的產(chǎn)生和消失都有兩個途徑，如圖所示,寫出同位素A的核密度隨時間變化的方程式：,特點(diǎn)：1.變系數(shù)的偏微分方程；2.非線性問題中子通量密度與核成分之間的相關(guān)性。,簡化:,1燃耗區(qū)，N與r無關(guān)（用平均值），可大可小（一個組件或同心圓的幾個組件）；2燃耗時間步長，與t無關(guān)。,在給定某燃耗區(qū)、某燃耗時間步長內(nèi)，上式可以簡化為常系數(shù)的常微分方程.,總的燃耗方程可簡化為:,同學(xué)課后仔細(xì)閱讀燃耗方程式(6-3)-式(6-10)。自學(xué)6.1.2燃耗方程的解,6.2裂變產(chǎn)物中毒,2可燃吸收體（burnableabsorber）:在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中吸收中子而燃耗的中子吸收體，用于部分補(bǔ)償由燃料燃耗引起的反應(yīng)性的降低。3.裂變產(chǎn)物（fissionproducts）:核裂變生成的裂變碎片以及衰變產(chǎn)物統(tǒng)稱為裂變產(chǎn)物。,裂變反應(yīng)過程：,幾個基本概念：,4.可燃毒物（burnablepoison）:放入反應(yīng)堆內(nèi)通過其逐漸燃耗來協(xié)助控制長期反應(yīng)性變化的核毒物。5核毒物（nuclearpoison）:因有很大的中子吸收截面而能降低反應(yīng)性的物質(zhì)。,6、裂變產(chǎn)物的分類,7、裂變產(chǎn)物中毒（fissionproductpoisoning）:反應(yīng)堆由于裂變產(chǎn)物俘獲中子所引起的反應(yīng)性減少的現(xiàn)象。,利用四因子模型討論裂變產(chǎn)物對反應(yīng)性的影響：,f顯著地受到裂變產(chǎn)物吸收熱中子,毒性P：被毒物吸收的熱中子數(shù)與被燃料所吸收的熱中子數(shù)的比值。,裂變產(chǎn)物存在時：,無裂變產(chǎn)物存在時：,是什么？,假設(shè)均勻分布，,裂變產(chǎn)物存在時：,無裂變產(chǎn)物存在時：,裂變產(chǎn)物吸收熱中子所引起的反應(yīng)性變化近似地等于它們的熱中子宏觀吸收截面在堆芯總的熱中子宏觀吸收截面（不包含裂變產(chǎn)物的吸收截面）中所占的分?jǐn)?shù)。這種由于裂變產(chǎn)物吸收中子所引起的反應(yīng)性變化值稱為裂變產(chǎn)物中毒。,=-P,6.2.1Xe-135中毒（xenonpoisoning）,氙-135是所有裂變產(chǎn)物中最重要的一種同位素，這是因為它的熱中子吸收截面非常大.在各個能量段，Xe-135的微觀吸收截面為：,在高能區(qū)，Xe-135的吸收截面隨中子能量的增加而顯著地下降。,Xe-135的產(chǎn)額：,則,簡化的Xe-135衰變圖：,由于碘-135的熱中子吸收截面僅為8靶，它的半衰期也只有6.7小時，在熱中子通量密度為的時候，即由吸收中子引起的損失項遠(yuǎn)小于衰變引起的損失項。因此可以忽略碘-135對熱中子的吸收，認(rèn)為碘-135全部都衰變成氙-135。,I的吸收反應(yīng)可忽略,Xe-135：,產(chǎn)生率=裂變率+先驅(qū)核衰變率,消失率=俘獲+衰變=,其中：,=2.1210-5s-1,Xe-135濃度隨時間變化方程：,I-135：,產(chǎn)生率=裂變率,消失率=衰變率,I-135濃度隨時間變化方程：,I-135和Xe-135的濃度隨時間變化的方程,一、堆啟動時的Xe-135中毒(新堆平衡Xe中毒),新堆：,近似認(rèn)為t=0時刻中子通量密度瞬時達(dá)到了額定值，并且一直保持不變。初始條件：,得到I-135和Xe-135的濃度隨時間的變化：,一、堆啟動時的Xe-135中毒(新堆平衡Xe中毒),得到I-135和Xe-135的濃度隨時間的變化：,啟動后，I-135和Xe-135的濃度隨運(yùn)行時間的增加而增加；,平衡濃度,啟動后，I-135和Xe-135的濃度隨運(yùn)行時間的增加而增加；,平衡濃度,t足夠大，指數(shù)項衰減為零，達(dá)平衡（飽和），即產(chǎn)生率=消失率。也可令：,圖6-8反應(yīng)堆啟動后,碘-135和氙-135的濃度隨時間變化曲線,2.平衡Xe中毒：由平衡Xe濃度引起的反應(yīng)性的變化值。,如：,例：,滿功率運(yùn)行平衡Xe中毒不可忽視。,二、停堆后Xe-135中毒(沒停堆前已達(dá)平衡氙),1分大和小，按方程講：,135I,綜上所述停堆后：,2.假設(shè)運(yùn)行時已達(dá)到平衡氙濃度，停堆后=0,=0,令停堆時刻t=0,解得,分析停堆后氙-135中毒變化規(guī)律，上式對t求導(dǎo)，然后令t=0，,可見只須分子0,此刻停堆后Xe-135的濃度是下降的。,停堆后氙-135的濃度上升。,斜率的正負(fù)決定核素濃度的增減情況,3最大氙濃度發(fā)生的時間,即：停堆后，Xe-135濃度從平衡沿上升到最大值所需的時間。,例：,4剩余反應(yīng)性,在任何時刻通過對控制元件和其他用于控制反應(yīng)性的毒物的調(diào)節(jié)所能獲得的最大反應(yīng)性。,停堆前后，氙-135濃度和過剩反應(yīng)性隨時間變化的示意圖,掌握幾個概念：,從停堆時間開始直到剩余反應(yīng)性又回到停堆時刻的值時所經(jīng)歷的時間。,還大于0，可移動控制棒啟動反應(yīng)堆。,小于0，反應(yīng)堆無法啟動（也稱Reactordead-time）,停堆后反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性下降到最小值的程度。th越大，碘坑深度愈深。,冷態(tài)干凈堆芯的剩余反應(yīng)性。,為了避免出現(xiàn)強(qiáng)迫停堆現(xiàn)象，就必須保證有足夠的后備反應(yīng)性，用于補(bǔ)償氙中毒。一般為40-50小時。,碘坑深度與停堆方式：,突發(fā)停堆；,逐漸的降低功率。,三、功率過渡時的Xe-135中毒,氙瞬態(tài)（xenontransient）：,由反應(yīng)堆局部功率或總功率變化引起的偏離氙平衡的過程。,突然降低功率,突然提升功率,四、氙振蕩（xenonoscillation）,氙不穩(wěn)定性（xenoninstability）：,隨熱中子通量密度變化的氙中毒使大型熱中子堆局部的功率水平發(fā)生振蕩。,大型熱堆的特點(diǎn)：,假設(shè)反應(yīng)堆均勻分布，實(shí)際情況分布不均勻。,秦山一期：=2.9mH=2.4m大亞灣：=3.04mH=3.66m,振蕩的過程：,氙振蕩的危害：局部溫度升高；材料溫度應(yīng)力。氙振蕩的控制：可利用長控制棒抑制反應(yīng)堆負(fù)的溫度系數(shù)可以克服,氙振蕩的周期一般為1天。,6.2.1Sm-149中毒,釤-149對堆的影響僅次于氙-135.對能量為0.025電子伏的中子,釤-149的吸收截面為40800靶。,由圖可知，釤-149是從釹-149經(jīng)過二次衰變而來的。釹-149的裂變額為0.0113，半衰期為2小時。釹-149的半衰期與钷-149的半衰期（54小時）相比可忽略不計。所以可以認(rèn)為钷-149是在裂變是直接產(chǎn)生的，因而略去釹-149的中間作用。,Sm-149中毒與Xe-135中毒的比較,6.3反應(yīng)性隨時間的變化與燃耗深度,6.3.1堆芯壽期（corelifetime）,圖6-17有效增殖系數(shù)隨燃耗深度變化曲線,6.3.2燃耗深度,表示核燃料消耗多少的一種度量。有三種表示方式：,以裝入堆芯的單位質(zhì)量燃料所發(fā)出的能量為單位（J/kg.u），工程上為MW.D/TU。,一、比燃耗（specificburnup）：也稱燃料輻照度（fuelradiationlevel）,目前，壓水堆卸料燃耗深度為：,二、燃耗份額（burnupfraction）：,燃耗掉的易裂變同位素質(zhì)量與裝載量的比值。,三、燃耗掉的易裂變同位素的質(zhì)量與裝載的燃料質(zhì)量的比值。,6.4核燃料的轉(zhuǎn)換與循環(huán),6.4.