chapter反应性系数

51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟0⑴反应性系数在反应堆运行当中，堆芯的反应性受到许多因素的影响。为了定量的描述这些量对反应性的影响，引入反应性系数的概念。【定义】反应性系数当参数x发生变化单位变化时，引起的反应性ρ的变化，其表达式为：xx51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1⑵反应性温度系数①温度效应运行过程中，堆芯各点的温度存在差异；当堆芯功率变化时，堆芯温度也会发生变化。反应堆启动过程中，燃料和冷却剂的温度变化更大。温度变化时，相应物理参数也会变化，影响到有效增殖系数和反应性的变化。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2【定义】反应性的温度效应因反应堆温度变化而引起的反应性发生变化的效应。温度效应可用反应性温度系数来度量。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3②反应性温度系数【定义】反应性温度系数当反应堆温度发生单位变化时，导致的反应性的变化，其表达式为：将反应性的定义式代入可得：TT2111TkTkkT51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4如果反应堆偏离临界的程度非常小，那么有：在以后的讨论中，将上式当作反应性温度系数的定义。反应性温度系数的单位为：。1TkkTkKk51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5⑶温度系数对反应堆的影响温度系数的正负对反应堆有着极为重要的影响。①αT0假设反应堆受到一个微扰，偏离了临界状态。Ⅰ.正微扰对于正微扰，T升高，即ΔT0：由于αT0，因而Δρ0，此时反应性ρ增加；Keff＝1/(1－ρ)，因而Keff变大；51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6中子通量密度Φ变大；反应率R增加；堆芯功率P升高；温度T升高。可见，当αT0时，如果引入正微扰，其会受到一个正反馈，从而堆芯温度会越来越高，此时必须插入控制棒以遏制功率的上升。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7Ⅱ.负微扰对于负微扰，T降低，即ΔT0：由于αT0，因而Δρ0，即反应性ρ减小；Keff＝1/(1－ρ)，因而Keff变小；中子通量密度Φ变小；反应率R减小；堆芯功率P降低；温度T降低。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟8可见，当αT0时，如果往堆芯引入一个负的微扰，将会受到一个正反馈，使得堆芯的温度和反应性不断下降，直到最后反应堆停堆。【总结】对于具有正温度系数的反应堆：一旦受到扰动，除非采取相应的控制措施，否则反应堆无法返回原来的稳定状态；对于αT0的反应堆，其具有固有的不稳定性。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟9②αT0Ⅰ.正微扰引入一个正的微扰，T升高，即ΔT0：由于αT0，从而Δρ0，即反应性ρ减小；Keff＝1/(1－ρ)，因而Keff变小；中子通量密度Φ变小；反应率R降低；51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟10堆芯功率P降低；温度T降低。可见，当αT0时，往堆芯引入一个正的扰动，将会受到一个负反馈，堆芯的反应性会降低，使得反应堆回复到扰动前的状态。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟11Ⅱ.负微扰引入一个负微扰，T降低，即ΔT0：由于αT0，从而Δρ0，反应性ρ增加；Keff＝1/(1－ρ)，因而Keff变大；中子通量密度Φ变大；反应率R增加；堆芯功率P升高；温度T升高。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟12当αT0时，往堆芯引入一个负的扰动，将会受到一个负反馈，堆芯的反应性会增加，从而使得反应堆回复到扰动前的状态。【总结】对于具有负温度系数的反应堆：其具有自我调节的功能（负反馈性）；αT0的反应堆具有固有稳定性，这对反应堆的安全是有利的。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟13③自动跟踪负荷对于αT0的反应堆，其还具有自动跟踪负荷的“自调性”。反应堆二回路负荷发生增加较小的值：从一回路取走较多热量；入口水温降低；堆芯平均温度降低；反应性增加；功率升高。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟14【总结】对于具有负温度系数的反应堆：其具有自动根据二回路负荷自动调整堆芯功率水平的能力；这种能力是有局限性的，只能在一定范围内起作用。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟15④总结根据以上分析，无论从反应堆安全或功率控制的角度来看，具有负温度系数的反应堆都具有明显的优点。在设计和运行当中，都要求反应堆必须具有负的温度系数。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟16⑶温度系数大小的影响【问题】αT0的反应堆具有固有稳定性，但是|αT|是否越大越好？考虑如下两种情况：|αT|较大，导热较差；|αT|较小，导热较好。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1751.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟18①|αT|很大、导热较差如果反应堆的导热较差，热量将在堆芯堆积，使得堆芯T升高，即ΔT0：由于αT0，从而Δρ0，即ρ下降；由于|αT|很大，因而ρ很快就降到0以下；此时反应堆的功率开始降低，T也随之下降；由于αT0，Δρ0，ρ再次增加；当功率降到某个较低的水平时，ρ恰好为0，此时反应堆就在该功率水平下稳定运行。这种现象称之为功率“过调”现象。51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟19②|αT|较小，导热较好随着反应堆功率逐渐增加，温度T也随之逐渐上升，即ΔT0：由于αT0，从而向反应堆中引入负反应性；由于|αT|较小，同时热量能够较快的导出堆外，使得堆芯的反应性是逐渐减小的；堆芯功率始终是增加的，但其增加速率逐渐减缓；51.反应性温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟20当功率提升到一定的水平，负温度效应引入的负反应性刚好使得总反应性为0，此时反应堆便在该功率水平下稳定运行。③总结在反应堆设计时，应当选择合适的负温度系数。52.温度系数的分类2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟21⑴核燃料与慢化剂的温度变化特点①核燃料Ⅰ.变化速率堆芯能量主要来源于易裂变核素的裂变反应，其在核燃料中发生。当堆芯功率发生变化时，首先是核燃料的温度发生了变化，即核燃料温度的变化和堆芯功率的变化是同步。Ⅱ.变化范围在反应堆功率水平发生变化时，燃料芯块内的变化值较大。可达400～600℃。52.温度系数的分类2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟22②慢化剂Ⅰ.变化速率慢化剂温度变化是由于核燃料的温度发生变化，然后传递至慢化剂所导致的。热量的传递需要一定的时间，这意味着冷却剂的温度变化是滞后于核燃料的。Ⅱ.变化范围当功率水平发生变化时，冷却剂的温度变化值较小，一般在20～30℃。52.温度系数的分类2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟23⑵核燃料温度系数与慢化剂温度系数由于核燃料和慢化剂温度变化的特点并不相同，需要分开讨论其温度效应。①定义【定义】核燃料温度系数核燃料温度发生单位变化所导致的反应性的变化。用符号表示。【定义】慢化剂温度系数慢化剂温度发生单位变化所导致的反应性的变化。用符号表示。FTMT52.温度系数的分类2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟24②大小从下表可以看出：慢化剂的温度系数一般在量级。核燃料的温度系数一般在量级。当温度发生变化时，温度系数也随之发生变化。在冷态下，慢化剂的温度系数有可能为正。410kKk510kKk52.温度系数的分类2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2553.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟26⑴定义下面从六因子公式出发来分析核燃料温度系数。有效增殖系数的表达式为：Keff＝εηfp·PFPT对于核燃料而言：温度变化对ε、η、f、PF和PT的影响都较小；温度变化对逃脱共振俘获几率p的影响较大。53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟27将上式代入温度系数的定义式有：上式中，TF是核燃料的温度。由于p0，核燃料温度系数的正负便由决定。11FTFFkpkTpTFTFpT53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟28⑵Doppler效应与核燃料的温度效应密切相关的，主要是共振吸收的Doppler效应。①核热运动的影响Ⅰ.共振吸收截面当入射中子的能量为某些特殊值时，靶核对中子的吸收截面会急剧增加，这种现象称为共振吸收。发生共振吸收时，入射中子的能量称为共振能量，用E0表示。53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟29在共振能量附近，反应的微观截面可近似用下式表示：上式中：E0为中子的共振能量；E为中子的入射能量；Γ为能级宽度。20022044EEEEE53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟30在上式中，假定靶核是静止的。实际当中显然不是这样，靶核也在做着无规则的热运动。用入射中子和靶核的相对运动动能Er代替上式中的E，从而有：20022044rrrEEEEE53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟31Ⅱ.靶核运动的影响ⅰ)对峰值的影响如果靶核静止，当入射中子（在L系中）的能量为E＝E0时，σ取最大值：σγ(E0)＝σ0当靶核热运动比较明显时，有：ErE0orErE053.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟32无论是哪一种情况，都将导致：σγσ0表现在曲线上，就是使得峰值减小。53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3353.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟34ⅱ)对其它点的影响对于EE0处，如果靶核静止有：σ＝σγ(E)当考虑靶核的热运动后，实验室坐标系中能量为E的中子相对靶核的动能将具有一定的分布：Er∈[E－Etar,E＋Etar]53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟35从而有：对于一部分中子，其ErE，从而σ会比σγ(E)大；对于一部分中子，其ErE，从而σ会比σγ(E)小。但是总的效果，是对于能量为E的中子，其平均吸收截面σ比σγ(E)大。表现在曲线上，是该处的曲线上的点上升了。53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟36对于EE0处的情况，可以得到相同的结论：靶核的热运动使得该点处的吸收截面σ比σγ(E)大。【总结】靶核运动总的结果就是使的截面曲线的峰值降低，曲线展宽。53.核燃料温度系数2019/10/25哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟37②Doppler效应当介质（核燃料）的温度越高时：靶核运动的速度越快，Etar也越大；对于单一能量入射的中子的相对运动动能的展宽也越大；共振吸收截面曲线的峰值降得