反應(yīng)堆原理：第八章 溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制

《反應(yīng)堆原理》

第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制反應(yīng)堆啟動運行后：①核燃料的燃耗和裂變產(chǎn)物的積累會引起反應(yīng)性的變化②堆內(nèi)溫度隨時間變化時，也會引起反應(yīng)性的變化反應(yīng)堆中各種材料的溫度發(fā)生變化時，所引起的反應(yīng)堆反應(yīng)性的改變，稱為反應(yīng)堆的溫度效應(yīng)。反應(yīng)堆穩(wěn)定運行或啟動、停閉及改變功率時，都必須采用外部控制的方法來控制反應(yīng)性。壓水堆常用的三種控制方式：控制棒控制、可燃毒物控制、化學(xué)補(bǔ)償控制第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制反應(yīng)性系數(shù)反應(yīng)性控制的任務(wù)和方式控制棒控制可燃毒物控制化學(xué)補(bǔ)償控制12345目錄一.反應(yīng)性系數(shù)1.反應(yīng)性溫度系數(shù)及其對反應(yīng)堆穩(wěn)定性的影響與反應(yīng)性有關(guān)的許多參數(shù)都是溫度的函數(shù)單位溫度變化所引起的反應(yīng)性變化稱為反應(yīng)性的溫度系數(shù)反應(yīng)性溫度系數(shù)(αT)總的溫度系數(shù)等于各成分的溫度系數(shù)的總和：根據(jù)反應(yīng)性的定義：一.反應(yīng)性系數(shù)不同溫度系數(shù)下，引入一個階躍正反應(yīng)性之后，反應(yīng)堆功率隨時間的變化壓水堆物理設(shè)計的基本準(zhǔn)則之一，便是要保證溫度系數(shù)必須為負(fù)值。一.反應(yīng)性系數(shù)2.燃料溫度系數(shù)由單位燃料溫度變化引起的反應(yīng)性變化稱為燃料溫度系數(shù)。σa(E)E238U的共振吸收燃料的溫度系數(shù)主要是由核燃料共振吸收的多普勒效應(yīng)引起的一.反應(yīng)性系數(shù)燃料溫度系數(shù)屬于瞬發(fā)溫度系數(shù)。E0Φ(E)1/E無共振峰有共振峰能量自屏效應(yīng)空間自屏效應(yīng)燃料慢化劑燃料溫度升高使核燃料有效共振吸收增加，逃脫共振俘獲概率減小，有效增殖因數(shù)下降，因此產(chǎn)生負(fù)溫度效應(yīng)一.反應(yīng)性系數(shù)一.反應(yīng)性系數(shù)3.慢化劑溫度系數(shù)由單位慢化劑溫度變化引起的反應(yīng)性變化稱為慢化劑溫度系數(shù)，慢化劑溫度系數(shù)屬于緩發(fā)溫度系數(shù)。一.反應(yīng)性系數(shù)①由純易裂變核組成的核燃料對于235U和239Pu，η隨溫度升高而減小，對于233U，η隨溫度升高而增大，由天然鈾組成的核燃料溫度一直升至575K，η基本為常數(shù)，溫度高于575K，η隨溫度升高而減小，一.反應(yīng)性系數(shù)②當(dāng)慢化劑溫度增加時，慢化劑密度減小，慢化劑相對于燃料的吸收也減小，這使得熱中子利用系數(shù)增加③當(dāng)慢化劑溫度升高時，慢化能力減小，逃脫共振幾率減小慢化劑中還有硼酸時，溫度升高導(dǎo)致溶解度的減小，正效應(yīng)尤其明顯一.反應(yīng)性系數(shù)④按雙群理論，熱中子裸堆不泄露幾率可表示為：溫度升高時，ρM

減小，Λ減小，所以總之溫度升高，慢化劑密度較小時，引起兩個相反的效應(yīng)正效應(yīng)：負(fù)效應(yīng)：一.反應(yīng)性系數(shù)C1,C2為常數(shù)慢化劑溫度系數(shù)與單位體積內(nèi)慢化劑與燃料的核密度比值有關(guān)k∞VH2O/VU2O293K573K欠慢化區(qū)過慢化區(qū)一.反應(yīng)性系數(shù)VH2O/VUO2k∞不含可溶硼含可溶硼不同硼濃度時鈾水柵格的k∞與VH2O/VUO2的關(guān)系欠慢化過分慢化對于給定結(jié)構(gòu)的堆芯，通常設(shè)定一個最大允許硼濃度的限制，要求在最大的可溶硼濃度下，反應(yīng)堆仍保持為欠慢化柵格。一.反應(yīng)性系數(shù)1.控制棒提起，核裂變發(fā)，一回路冷卻劑被加熱2.主泵帶動冷卻劑通過蒸汽發(fā)生器3.二回路水被一回路加熱產(chǎn)生蒸汽4.蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電5.蒸汽進(jìn)入冷凝器被冷凝成水一.反應(yīng)性系數(shù)外界負(fù)荷減小汽輪機(jī)的控制閥自動關(guān)小堆芯水溫度升高反應(yīng)性減小功率減小較低功率下達(dá)到平衡一.反應(yīng)性系數(shù)也叫鈾氫鋯反應(yīng)堆，是一種以氫化鋯與濃縮鈾均勻混合物為燃料的固有安全性很高的研究堆。TRIGA型反應(yīng)堆引入一個大的正反應(yīng)性之后，TRIGA型反應(yīng)堆功率隨時間的變化瞬發(fā)負(fù)溫度系數(shù)鈾氫鋯反應(yīng)堆的應(yīng)用：①中、短壽命放射性同位素的生產(chǎn)；②中子活化分析；③中子照像；④核物理、中子物理及固體物理等基礎(chǔ)研究工作；⑤輻照試驗；⑥教學(xué)和人員培訓(xùn)；⑦動力堆的安全和動態(tài)學(xué)研究。鈾氫鋯反應(yīng)堆的脈沖運行是依靠堆芯內(nèi)的脈沖棒來實現(xiàn)的。一般可在幾十毫秒內(nèi)將棒抽出堆芯，從而使功率迅速上升。4.其它反應(yīng)性系數(shù)空泡份額(x):冷卻劑中所含的蒸汽泡的體積百分?jǐn)?shù)空泡系數(shù):冷卻劑的空泡份額變化百分之一所引起的反應(yīng)性變化當(dāng)出現(xiàn)空泡或空泡份額增大時，Ⅰ冷卻劑的有害中子吸收減少Ⅱ中子泄露增加Ⅲ慢化能力變小，能譜變硬①空泡系數(shù)正效應(yīng)負(fù)效應(yīng)正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)一.反應(yīng)性系數(shù)反應(yīng)性系數(shù)沸水堆壓水堆重水堆高溫氣冷堆鈉冷快堆燃料溫度系數(shù)10-5/K-4~-1-4~-1-2~-1-7-0.1~0.25慢化劑溫度系數(shù)10-5/K-50~-8-50~-8-7~-31.0空泡系數(shù)10-5/K-200~100000-12~20幾種堆型的反應(yīng)性系數(shù)一.反應(yīng)性系數(shù)一.反應(yīng)性系數(shù)思考：為什么沸水堆的控制棒一般從堆底部向上插入堆芯？？？在沸水堆中，堆芯上部的含氣量大于堆芯下部，所以堆芯下部的中子通量密度較高。因此，沸水堆的控制棒從堆底部向上插入堆芯，以利于通量的展平和提高控制棒的效率。沸水堆核電站示意圖渦輪②功率系數(shù)功率系數(shù):單位功率變化所引起的反應(yīng)性變化功率虧損:反應(yīng)堆零功率變化到滿功率時反應(yīng)性的變化一.反應(yīng)性系數(shù)壓水堆功率系數(shù)與相對功率關(guān)系一.反應(yīng)性系數(shù)1.反應(yīng)性控制中所用的幾個物理量①剩余反應(yīng)性剩余反應(yīng)性ρex

:堆芯中沒有任何控制毒物時的反應(yīng)性控制毒物包括控制棒、可燃毒物和化學(xué)補(bǔ)償毒物等剩余反應(yīng)性的大小與反應(yīng)堆的運行時間和狀態(tài)有關(guān)②控制毒物價值控制毒物價值Δρi

:某一控制毒物投入堆芯所引起的反應(yīng)性變化量二.反應(yīng)性控制的任務(wù)和方式③停堆深度停堆深度ρs

:當(dāng)全部控制毒物都投入堆芯時，反應(yīng)堆所達(dá)到的負(fù)反應(yīng)性停堆深度也與反應(yīng)堆運行時間和狀態(tài)有關(guān)，反應(yīng)堆在熱態(tài)和平衡氙中毒時應(yīng)有足夠大的停堆深度卡棒準(zhǔn)則：即使一根反應(yīng)性最大的控制棒被卡在完全抽出的位置時，堆芯有效增殖因數(shù)仍低于臨界值(k=0.99)④總被控反應(yīng)性總被控反應(yīng)性Δρ

:剩余反應(yīng)性與停堆深度之和二.反應(yīng)性控制的任務(wù)和方式2.反應(yīng)性控制的任務(wù)反應(yīng)堆控制設(shè)計的主要任務(wù)：①控制反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性，滿足反應(yīng)堆長期運行的需要；②通過控制毒物適當(dāng)?shù)目臻g分布和最佳的提棒程序，使反應(yīng)堆在整個堆芯壽期內(nèi)保持較平坦的功率分布；③外界負(fù)荷變化時，能調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率；④反應(yīng)堆出現(xiàn)事故時，能迅速安全地停堆。二.反應(yīng)性控制的任務(wù)和方式按控制毒物在調(diào)解過程中的作用和要求，反應(yīng)堆控制可分為：①緊急控制當(dāng)反應(yīng)堆需要緊急停堆時，要求反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)能迅速地引入一個大的負(fù)反應(yīng)性，快速停堆，并達(dá)到一定停堆深度②功率調(diào)節(jié)當(dāng)外界負(fù)荷或堆芯溫度發(fā)生變化時，反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)必須引入一個適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)性，以滿足反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)的需要③補(bǔ)償控制剩余反應(yīng)性隨時間變化時，為保持反應(yīng)堆臨界，必須逐漸從堆芯中移出控制毒物二.反應(yīng)性控制的任務(wù)和方式3.反應(yīng)性控制的方式單能中子擴(kuò)散方程①改變堆內(nèi)中子吸收在堆芯中加入或提出控制毒物以改變堆內(nèi)中子的吸收控制毒物包括：控制棒、可燃毒物和可溶性毒物②改變中子慢化性能在譜移反應(yīng)堆中（重水-輕水混合慢化反應(yīng)堆），通過改變重水和輕水的比例，以改變中子能譜，從而改變反應(yīng)性二.反應(yīng)性控制的任務(wù)和方式③改變?nèi)剂系暮吭谟萌剂蟻碜隹刂瓢艋蜃骺刂瓢舻母S體的情況下，當(dāng)控制棒移動時，除了改變堆內(nèi)中子吸收之外，還改變堆內(nèi)燃料含量，從而改變反應(yīng)性④改變中子泄漏小型快中子反應(yīng)堆中，可以通過移動反射層的方法，改變中子的泄漏，從而改變反應(yīng)性目前反應(yīng)堆采用的三種主要控制方式：控制棒控制、可燃毒物控制、化學(xué)補(bǔ)償控制二.反應(yīng)性控制的任務(wù)和方式1.控制棒的作用和一般考慮控制棒的特點：移動速度快，定位精度高控制棒主要用于控制反應(yīng)性的快變化：①調(diào)節(jié)由于溫度、硼濃度、空泡份額等擾動引起的反應(yīng)性小變化；②補(bǔ)償功率變化氙濃度變化引起的功率分布畸變；③提供足夠的停堆深度三.控制棒控制控制棒按作用分為補(bǔ)償棒、調(diào)節(jié)棒和安全棒。控制棒形式：控制棒組件燃料棒吸收棒導(dǎo)管底部管嘴把手中子吸收棒片套筒式控制棒組件十字形控制棒組件三.控制棒控制三.控制棒控制控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆的重要動作部件，通過它的動作帶動控制棒組件在堆芯內(nèi)上下抽插，以實現(xiàn)反應(yīng)堆啟動、停堆、調(diào)節(jié)功率或事故反插?？刂瓢趄?qū)動機(jī)構(gòu)的功能可靠與否，直接影響反應(yīng)堆的安全性?？刂瓢舨牧系奶匦裕阂话阋罂刂瓢舨牧暇哂泻艽蟮闹凶游战孛?，使用壽命長，能抗輻照和抗腐蝕，并且機(jī)械性能良好，同時價格便宜①鉿(Hf)Hf在相當(dāng)寬的中子能量范圍內(nèi)，吸收能力都很強(qiáng)Hf能夠持續(xù)吸收中子，經(jīng)久耐用Hf的機(jī)械性能好，易于加工；在高溫水中有良好的抗腐蝕性能，可以不要包殼；抗輻照能力也好，能在高通量輻照下長期使用三.控制棒控制②Ag-In-Cd合金三.控制棒控制③硼(B)10B熱中子吸收截面高達(dá)3470b使用高10B含量的濃縮B材料作控制棒吸收體，要用不銹鋼、鈦等作包殼，或者制成硼不銹鋼或硼鈦等合金，以滿足機(jī)械、抗腐蝕等的要求10B(n,α)7Li:晶格損傷、腫脹和內(nèi)應(yīng)力三.控制棒控制①控制棒的積分價值②控制棒的微分價值當(dāng)控制棒從一初始參考位置插入到某一高度時，所引入的反應(yīng)性稱為這個高度上的控制棒積分價值?？刂瓢粼诙研静煌叨忍幰苿訂挝痪嚯x所引起的反應(yīng)性變化。2.控制棒的價值控制棒的價值：某控制棒插入(拔出)堆芯時，使得堆芯的反應(yīng)性的減少量(增加量)①控制棒的積分價值②控制棒的微分價值控制棒組高度/cm控制棒組高度/cm控制棒積分價值/PCM控制棒微分價值/PCM反應(yīng)堆中調(diào)節(jié)棒的調(diào)節(jié)帶一般都選擇在堆芯的軸向中間區(qū)段，此時調(diào)節(jié)棒移動時所引起的價值與它插入深度呈線性關(guān)系。三.控制棒控制注：PCM為習(xí)慣上采用的反應(yīng)性單位，1PCM=10-5控制棒價值的影響因素：慢化劑溫度溫度升高，密度降低，中子更容易穿過慢化劑，達(dá)到控制棒，控制棒價值升高。慢化劑中的硼濃度燃耗濃度升高，能譜硬化，超熱中子增多，Ag-In-Cd控制棒對超熱中子有很大吸收截面，控制棒價值變化。燃耗增加，裂變產(chǎn)物不斷積累，吸收熱中子也導(dǎo)致能譜變硬，控制棒價值變化。三.控制棒控制3.控制棒間的干涉效應(yīng)控制棒1控制棒2控制棒插入堆芯后對徑向中子通量密度分布的影響三.控制棒控制控制棒離開堆中心軸的距離/m控制棒的價值兩根對稱偏心控制棒的干涉效應(yīng)兩根偏心控制棒同時插入時的價值單根偏心控制棒插入時價值的兩倍三.控制棒控制4.控制棒插入不同深度對堆芯功率分布的影響堆芯壽期初(BOL)堆芯壽期末(EOL)zz??控制棒的插入深度對軸向中子通量密度分布的影響三.控制棒控制慢化劑溫度/K慢化劑溫度系數(shù)/(10-5/K)273373473573-60-20020-40123451.可燃毒物的作用在壓水反應(yīng)堆(PWR)中，控制棒加硼酸水的方法還滿足不了對反應(yīng)性的控制四.可燃毒物控制1—0μg/g2—500μg/g3—1000μg/g4—1500μg/g5—2000μg/g具有比較大的吸收截面；要求由于消耗了可燃毒物而釋放出來的反應(yīng)性基本上要與堆芯中由于燃料燃耗所減少的剩余反應(yīng)性相等；在吸收中子后，它的產(chǎn)物的吸收截面要盡可能??；在堆芯壽期末，可燃毒物的殘余量應(yīng)盡可能少；要求可燃毒物及其結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有良好的機(jī)械性能?？扇级疚锊牧系囊螅嚎扇级疚锿ㄟ^自身“燃燒”的方式改變對反應(yīng)性的控制四.可燃毒物控制目前作為可燃毒物使用的主要元素有硼和釓例如：10B熱中子吸收截面很大，吸收中子后變?yōu)?1B11B吸收截面很小，相當(dāng)于10B被燒掉了四.可燃毒物控制2.可燃毒物的布置及其對反應(yīng)性的影響①均勻布置情況四.可燃毒物控制四.可燃毒物控制可燃毒物↓——反應(yīng)性↑

燃料消耗↑——反應(yīng)性↓由于堆芯壽期末有可燃毒物的殘留，它們對中子的有害吸收將使堆芯壽期縮短。壽期虧損：②可燃毒物的非均勻布置均勻布置非均勻布置定義可燃毒物的有效吸收截面可燃毒物燃耗方程：r?可燃毒物自屏因子：四.可燃毒物控制反應(yīng)堆運行時間t?t=0t1>0t2>t1t—∞NpΣ四.可燃毒物控制可燃毒物對有效增殖因數(shù)的影響1—可燃毒物非均勻分布2—可燃毒物均勻分布3—無可燃毒物四.可燃毒物控制可燃毒物的合理配置：理想狀態(tài)：可燃毒物消耗釋放的正反應(yīng)性正好等于燃料燃耗引起的反應(yīng)性損失，有效增殖因數(shù)不變要求：①既要有足夠的補(bǔ)償能力，又不要過補(bǔ)償，堆芯壽期末不要殘留②能展平堆芯中子通量密度分布可燃毒物的合理配置是堆芯燃料管理的一大任務(wù)，也是當(dāng)前研究熱點四.可燃毒物控制可燃控制棒的形式硼玻璃可燃毒物棒(PYREX)空氣不銹鋼硼玻璃鋯合金水秦山一期使用硼玻璃取代硼不銹鋼可燃毒物，首裝堆芯的運行壽期延長了24個滿功率天，相當(dāng)于多發(fā)電1億零80千瓦時四.可燃毒物控制濕式狀可燃毒物棒(WABA)氦氣Al2O3-B4C鋯合金水與硼玻璃可燃毒物棒相比，濕式狀可燃毒物棒使燃料循環(huán)成本降低1~2%四.可燃毒物控制涂硼燃料元件(IFBA)氦氣ZrB2鋯合金UO2目前在壓水堆中還采用在UO2中摻加Gd2O3(含量可達(dá)10%)作為可燃毒物，例如清華5MW低溫供熱堆四.可燃毒物控制在反應(yīng)堆一回路冷卻劑中加入可溶性化學(xué)毒物(如硼酸)，以代替控制棒的作用，稱為化學(xué)補(bǔ)償控制濃硼酸水的注入一回路冷卻水泵反應(yīng)堆熱交換器五.化學(xué)補(bǔ)償控制化學(xué)補(bǔ)償控制的優(yōu)點：①化學(xué)補(bǔ)償毒物在堆芯中分布比較均勻，不會造成中子通量分布畸變，而且與燃料分區(qū)配合，能有效展平功率，提高平均功率密度；②與控制棒相比，它價格便宜，與可燃毒物相比，它對反應(yīng)性的控制可以調(diào)節(jié)；③化控不占柵格位置，不需要驅(qū)動機(jī)構(gòu)等，從而可以簡化反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)，提高反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性等五.化學(xué)補(bǔ)償控制化學(xué)補(bǔ)償控制的缺點：①水中硼濃度的大小對慢化劑溫度系數(shù)有顯著的影響慢化劑溫度/K慢化劑溫度系數(shù)/(10-5/K)273373473573-60-20020-401—0μg/g2—500μg/g3—1000μg/g4—1500μg/g5—2000μg/g12345五.化學(xué)補(bǔ)償控制在壓水堆設(shè)計中，一般把硼濃度取在1300~1400μg/g以下②硼的加濃或稀釋需要一定時間，因此化控反應(yīng)性的速率慢五.化學(xué)補(bǔ)償控制化控主要是用來補(bǔ)償一些慢變化的反應(yīng)性：Ⅰ反應(yīng)堆從冷態(tài)到熱態(tài)時，慢化劑溫度效應(yīng)所引起的反應(yīng)性的變化；Ⅱ裂變同位素燃耗和長壽命裂變產(chǎn)物積累所引起的反應(yīng)性變化；Ⅲ平衡氙和平衡釤所引起的反應(yīng)性變化五.化學(xué)補(bǔ)償控制硼微分價值硼濃度對堆芯反應(yīng)性的補(bǔ)償效率的度量用硼微分價值來表示，它等于堆芯冷卻劑中單位硼濃度變化所引起的堆芯反應(yīng)性變化量，可表示為：：為堆芯反應(yīng)性變化：為堆芯硼濃度變化硼微分價值總是負(fù)值，其大小（絕對值）與堆芯硼濃度、冷卻劑溫度（密度）和燃耗深度有關(guān)，一般隨硼濃度的增加、冷卻劑溫度的升高和燃耗的增加而減小。硼濃度加濃或稀釋所引起的反應(yīng)性變化：例如：假設(shè)運行中負(fù)荷以1%/min速率下降，反應(yīng)性功率系數(shù)近似為15×10-5/%功率，則所需補(bǔ)償反應(yīng)性速率大約為：一般硼的注入速率。設(shè)堆芯壽期末硼濃度CB=300ppm，硼的微分價值為12×10-5