堆物理第五章

堆物理第五章第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第五章燃耗及中毒有關(guān)物理量不隨時(shí)間變化的分析為穩(wěn)態(tài)分析。有關(guān)物理量隨時(shí)間而變化的分析為動(dòng)態(tài)分析。動(dòng)態(tài)分析問題第一類：研究核燃料同位素和裂變產(chǎn)物同位素成分隨時(shí)間的變化以及它們堆反應(yīng)性和中子通量密度分布的影響。第二類：研究在反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停堆和功率調(diào)節(jié)過程中，中子通量和功率隨時(shí)間的變化，這種變化是很迅速的。第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第五章燃耗及中毒5.1核燃料中重同位素成分隨時(shí)間的變化5.2裂變產(chǎn)物的中毒5.3核反應(yīng)堆堆芯壽期與燃耗深度第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日5.1核燃料中重同位素成分隨時(shí)間的變化裂變產(chǎn)物：我們把由裂變反應(yīng)直接產(chǎn)生的裂變碎片以及隨后這些碎片經(jīng)過放射性衰變形成的各種同位素統(tǒng)稱為裂變產(chǎn)物。1核燃料重同位素的燃耗方程2燃耗方程的求解

第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1核燃料重同位素的燃耗方程

ABC第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日燃耗方程的建立：同位素A的核密度隨時(shí)間變化式中：為C吸收中子變成A為B衰變成A為A吸收中子消失為A衰變消失對(duì)重同位素鏈的每一個(gè)同位素寫出方程，得到方程組，稱為核燃料中重同位素的燃耗方程。第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2燃耗方程的求解1.解析方法2.數(shù)值方法

第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日分析：⑴235U核密度隨燃耗不斷地減少。⑵239Pu具有很大的熱中子吸收截面，因而其核密度很快便達(dá)到飽和而趨近于一個(gè)常數(shù)。⑶钚的其它同位素是由239Pu逐級(jí)俘獲中子而形成，所以它們的產(chǎn)生率要慢的多。⑷乏燃料中存在235U和239Pu，回收利用。⑸隨燃耗的增加，裂變產(chǎn)物不斷積累，因而使反應(yīng)堆的過剩反應(yīng)性逐漸下降，這就是堆芯壽期的主要限制。第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日5.2裂變產(chǎn)物的中毒裂變產(chǎn)物中毒：由于裂變產(chǎn)物吸收中子所引起的反應(yīng)性變化稱為裂變產(chǎn)物中毒。某些同位素具有很大的熱中子吸收截面，并且它們的先驅(qū)核有較大的裂變產(chǎn)額，如135Xe，149Sm1135Xe中毒2149Sm中毒

第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日反應(yīng)性反應(yīng)性：反應(yīng)性變化：上式中F，M分別表示燃料和慢化劑。

為裂變產(chǎn)物的熱中子宏觀吸收截面。第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1135Xe中毒

第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日吸收截面⑴在中子能量為0.025ev時(shí)，135Xe的微觀吸收截面為2.7×106靶左右，而且在中子能量為0.08ev處有一個(gè)大的共振峰。⑵在熱能范圍內(nèi)它的平均吸收截面大約為3×106靶。⑶在高能區(qū)，135Xe的吸收截面隨中子能量的增加而顯著地下降，因而在快中子反應(yīng)堆中，氙中毒的影響是比較小的。第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)額

質(zhì)量數(shù)為135的裂變產(chǎn)物的衰變鏈

裂變第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)額在鈾-235核裂變時(shí)，氙-135的直接產(chǎn)額僅為0.00228，但是它的先驅(qū)核的直接裂變產(chǎn)額卻很高，它們進(jìn)過衰變后就形成了氙-135。由上圖可知：⑴銻-135和碲-135的半衰期都非常短，因此可以把銻-135和碲-135的裂變產(chǎn)物與碘-135的直接裂變產(chǎn)額之和作為碘-135的裂變產(chǎn)額，即⑵忽略短壽命的氙-135的同質(zhì)異能素（135mXe）的存在。⑶由于碘-135的熱中子吸收截面僅為8靶，因此可以忽略碘-135堆熱中子的吸收，認(rèn)為碘-135全部都衰變成氙-135。第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日可得簡(jiǎn)化圖：

裂變第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日濃度變化方程以單群為例，寫出碘-135和氙-135的濃度隨時(shí)間變化的方程。討論：反應(yīng)堆在啟動(dòng)、停堆以及功率變化時(shí)的氙中毒第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日A反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)，氙-135中毒平衡氙中毒：反應(yīng)堆在穩(wěn)定功率狀態(tài)下，運(yùn)行很短時(shí)間（約40h）之后，碘-135和氙-135的濃度已很接近它們的平衡濃度，由平衡氙濃度所引起的反應(yīng)性變化值，稱為平衡氙中毒。由前方程可得：第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日注意：⑴與有關(guān)，即與運(yùn)行的功率大小相關(guān)。⑵很小時(shí)，.此時(shí)也很小，可忽略。例：數(shù)量級(jí)時(shí)，數(shù)量級(jí).

第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日⑶很大（滿功率）時(shí)，與無(wú)關(guān)。

此時(shí)氙中毒為可觀值，不可忽略。⑷低于額定功率下運(yùn)行，氙中毒與P大小有關(guān)。第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日B.

停堆后在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，氙-135的產(chǎn)生有兩條途徑，即由燃料核裂變直接產(chǎn)生氙-135和碘-135的衰變而生成氙-135。⑴由于氙-135的裂變產(chǎn)額比較小，停堆2天以后，碘-135已飽和，此時(shí)氙-135主要由碘-135的衰變產(chǎn)生。⑵氙-135的消失也有兩條途徑，即由于氙-135吸收中子和氙-135的衰變而消失。第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日前者與反應(yīng)堆的中子通量密度有關(guān)，當(dāng)時(shí)，兩種消失率相等。在動(dòng)力熱中子反應(yīng)堆中，平均熱中子通量密度一般都大于這個(gè)值，因此在正常功率運(yùn)行時(shí)，氙-135的消失主要是靠吸收中子而消失。剩余反應(yīng)性：反應(yīng)堆在無(wú)控制毒物的情況下超臨界的反應(yīng)性。第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日碘坑：停堆后氙-135的濃度先是增加到最大值，然后逐漸地減??；過剩反應(yīng)性隨時(shí)間變化則與氙-135濃度的變化剛好相反，先是減小到最小值，然后又逐漸地增大，通常把這一現(xiàn)象稱為“碘坑”。t1

為碘坑時(shí)間：從停堆開始直到剩余反應(yīng)性又回升到停堆時(shí)刻的值時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為碘坑時(shí)間。

為允許停堆時(shí)間：在碘坑時(shí)間內(nèi)，剩余反應(yīng)性大于零的這段時(shí)間稱為允許停堆時(shí)間。為強(qiáng)迫停堆時(shí)間：剩余反應(yīng)性小于或等于零，則堆無(wú)法啟動(dòng)，這段時(shí)間稱為強(qiáng)迫停堆時(shí)間。碘坑深度：停堆后反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性下降到最小值的程度稱為碘坑深度。第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日停堆后，氙-135中毒變化與停堆方式的關(guān)系⑴逐漸降功率的方式會(huì)使停堆后的碘坑深度要比突然停堆方式所引起的碘坑深度淺得多。這時(shí)因?yàn)橛幸徊糠蛛?135和碘-135在停堆過程中吸收中子和衰變而消耗掉了。⑵停堆后不久，存在大量氙-135的情況下重新啟動(dòng)反應(yīng)堆，那么，由于中子通量密度突然增加，氙-135將大量地消耗，它的濃度很快地下降，因而氙中毒迅速地減小，這時(shí)堆內(nèi)的過剩反應(yīng)性很快地增加，原來(lái)作為啟動(dòng)用而提起的控制棒又要插到足夠的深度，以補(bǔ)償由于氙-135濃度減小而引起的反應(yīng)性增加。第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日C功率過渡時(shí)的氙-135中毒第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日①當(dāng)功率突然降低時(shí)，氙-135濃度和過剩反應(yīng)性隨時(shí)間變化的曲線形狀與突然停堆的情況很相似，只是在變化程度上有差別。②功率突然升高時(shí)，碘-135濃度、氙-135濃度和過剩反應(yīng)性隨時(shí)間變化與功率突然下降的情況剛好相反。第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2Sm-149中毒

釤-149裂變產(chǎn)物鏈第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日A反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)釤-149的中毒反應(yīng)堆啟動(dòng)后，釤-149平衡濃度與熱中子通量密度無(wú)關(guān)（即與功率無(wú)關(guān)）。在約400小時(shí)后，釤-149達(dá)到了平衡毒性。平衡釤中毒：第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日B反應(yīng)堆停堆后釤-149濃度隨時(shí)間變化t=0時(shí)突然停堆，達(dá)到平衡第三十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日5.3核反應(yīng)堆堆芯壽期與燃耗深度核反應(yīng)堆堆芯壽期燃耗深度第三十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1核反應(yīng)堆堆芯壽期堆芯壽期：一個(gè)新裝料堆芯從開始運(yùn)行到有效增殖因數(shù)降到1時(shí)，反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行的時(shí)間。PWR中，通常分為：壽期初（BOL）、壽期中（MOL）和壽期末（EOL）三個(gè)階段。第三十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2燃耗深度燃耗深度裝入堆芯的單位質(zhì)量核燃料所產(chǎn)生的總能量的一種度量，也是燃料貧化程度的一種度量。幾種表示方法：⑴