堆物理第五章

堆物理第五章第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第五章燃耗及中毒有關(guān)物理量不隨時間變化的分析為穩(wěn)態(tài)分析。有關(guān)物理量隨時間而變化的分析為動態(tài)分析。動態(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、停堆和功率調(diào)節(jié)過程中，中子通量和功率隨時間的變化，這種變化是很迅速的。第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第五章燃耗及中毒5.1核燃料中重同位素成分隨時間的變化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3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一5.1核燃料中重同位素成分隨時間的變化裂變產(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4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1核燃料重同位素的燃耗方程

ABC第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一燃耗方程的建立：同位素A的核密度隨時間變化式中：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衰變消失對重同位素鏈的每一個同位素寫出方程，得到方程組，稱為核燃料中重同位素的燃耗方程。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2燃耗方程的求解1.解析方法2.數(shù)值方法

第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一分析：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常數(shù)。⑶钚的其它同位素是由239Pu逐級俘獲中子而形成，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11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一5.2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12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一反應(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13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1135Xe中毒

第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一吸收截面⑴在中子能量為0.025ev時，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15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)額

質(zhì)量數(shù)為135的裂變產(chǎn)物的衰變鏈

裂變第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)額在鈾-235核裂變時，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17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一可得簡化圖：

裂變第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一濃度變化方程以單群為例，寫出碘-135和氙-135的濃度隨時間變化的方程。討論：反應(yīng)堆在啟動、停堆以及功率變化時的氙中毒第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一A反應(yīng)堆啟動時反應(yīng)堆啟動時，氙-135中毒平衡氙中毒：反應(yīng)堆在穩(wěn)定功率狀態(tài)下，運行很短時間（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21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一注意：⑴與有關(guān)，即與運行的功率大小相關(guān)。⑵很小時，.此時也很小，可忽略。例：數(shù)量級時，數(shù)量級.

第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一⑶很大（滿功率）時，與無關(guān)。

此時氙中毒為可觀值，不可忽略。⑷低于額定功率下運行，氙中毒與P大小有關(guān)。第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一B.

停堆后在反應(yīng)堆運行時，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24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一前者與反應(yīng)堆的中子通量密度有關(guān)，當(dāng)時，兩種消失率相等。在動力熱中子反應(yīng)堆中，平均熱中子通量密度一般都大于這個值，因此在正常功率運行時，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)堆在無控制毒物的情況下超臨界的反應(yīng)性。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一碘坑：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

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

為允許停堆時間：在碘坑時間內(nèi)，剩余反應(yīng)性大于零的這段時間稱為允許停堆時間。為強(qiáng)迫停堆時間：剩余反應(yīng)性小于或等于零，則堆無法啟動，這段時間稱為強(qiáng)迫停堆時間。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27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一停堆后，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。這時因為有一部分氙-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，這時堆內(nèi)的過剩反應(yīng)性很快地增加，原來作為啟動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28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一C功率過渡時的氙-135中毒第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一①當(dāng)功率突然降低時，氙-135濃度和過剩反應(yīng)性隨時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，碘-135濃度、氙-135濃度和過剩反應(yīng)性隨時間變化與功率突然下降的情況剛好相反。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2Sm-149中毒

釤-149裂變產(chǎn)物鏈第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一A反應(yīng)堆啟動時釤-149的中毒反應(yīng)堆啟動后，釤-149平衡濃度與熱中子通量密度無關(guān)（即與功率無關(guān)）。在約400小時后，釤-149達(dá)到了平衡毒性。平衡釤中毒：第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一B反應(yīng)堆停堆后釤-149濃度隨時間變化t=0時突然停堆，達(dá)到平衡第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一5.3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34頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1核反應(yīng)堆堆芯壽期堆芯壽期：一個新裝料堆芯從開始運行到有效增殖因數(shù)降到1時，反應(yīng)堆滿功率運行的時間。PWR中，通常分為：壽期初（BOL）、壽期中（MOL）和壽期末（EOL）三個階段。第35頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2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：