哈工程核反应堆的核物理第8章温度效应与反应性控制

第8章温度效应与反应性控制8.1反应性系数定义：反应堆的反应性相对于反应堆的某个参数的变化率成为该参数的反应性系数。参数变化引起的反应性变化将造成反应堆中子密度或功率变化，该变化又会引起参数的进一步变化，这就造成了一种反馈效应。为了保证反应堆的安全运行，要求反应性系数为负值，以便形成负反馈效应。反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响反应性温度系数：单位温度变化引起的反应性变化。表示：keff一般情况下接近于1，上式可简化为：上式假定了温度与反应堆内的位置无关，整个系统的温度均匀发生变化。211effeffeffeffTkkkTkTkT1effTeffkkT反应堆内的温度是随空间变化的，堆芯中各成分的温度及其温度系数都是不同的。反应堆的温暖度系数等于个成分的温度系数的总和。温度系数的正负对反应堆稳定性的影响：反应性温度效应的正反馈将使反应堆具有内在的不稳定性。由于温度变化引起反应性变化的负反馈效应，将使反应堆具有内在稳定性。iTTiiiT燃料温度系数定义：由单位燃料温度变化所引起的反应性变化。燃料的温度系数主要是由燃料核共振吸收的多普勒效应引起的。温度升高多普勒效应的结果是有效共振吸收增加，逃脱共振俘获概率减小，有效增值系数下降，产生负温度效应。逃脱共振俘获概率p为：11TFFFkpkTpTexp[]AsNpI由上两式得：当燃料温度升高时，有效共振积分增加，所以在以低富集铀为燃料的反应堆中，燃料温度系数总是负的。TFAsFNdIdT燃料温度系数与燃耗有关，在核反应堆物理设计中，必须计算堆芯运行初期和运行末期在不同功率负荷情况下的燃料温度系数。慢化剂温度系数定义：由单位慢化剂温度变化所引起的反应性变化。慢化剂温度增加时，慢化剂密度减小，慢化剂相对于燃料的有害吸收将减小，使有效增殖系数增加，该效应对慢化剂温度系数的贡献是正效应；慢化剂密度减小，其慢化能力减小，共振吸收增加，该效应对慢化剂温度系数的贡献是负效应。温度升高时慢化剂温度系数究竟是正值或负值是由这两方面的综合效应决定的。1TMMkkT空泡系数定义：在反应堆中，冷却剂的空泡份额变化百分之一所引起的反应性变化。出现空泡或空泡份额增大时的效应：•冷却剂的有害中子吸收减小，产生正效应；•中子泄漏增加，产生负效应；•慢化能力减小，能谱变硬，产生的效应不确定。VMx功率反应性系数定义：单位功率变化所引起的反应性变化。功率亏损：从零功率变化到满功率时反应性的变化。由于功率亏损，一定得向堆芯引入一定量的正反应性来补偿由于功率亏损引入的负反应性，才能维持反应堆在新的功率水平下稳定运行。()()PFMMiFMTTViiTTTdxxdPTPxPPPP00PPDddPdP温度系数的计算在计算时，首先计算在不同的燃料或或化剂温度条件下堆芯的群常数，然后利用维芯扩散计算程序，对反应推进行临界计算，直接计算出在不同的燃料或慢化剂温度下的有效增殖系数，求出和的比值，从而求得温度系数。()effkTkT8.2反应性控制的任务和方式物理量描述剩余反应性：堆芯中没有任何控制毒物时的反应性。控制毒物：控制毒物是指反应推中用于反应性控制的各种中子吸收体。控制毒物价值：某一控制毒构投入避芯所引起的反应性变化量称为该控制毒物的反肢性或价值。停堆深度：当全部控制毒物都投入堆芯时，反应维所达到的负反应性。反应性控制的任务•采取各种切实有效的控制方式，在确保安全的前提下，控制反应堆的剩余反应性，以满足反应堆长期运行的需要；•通过控制毒物适当的空间布置和最佳的提棒程序，使反应堆在整个堆芯寿期内保持较乎坦的功率分布，使功率蜂因子尽可能地小；•在外界负荷变化时，能调节反应堆功率，使它能适应外界负荷变化；•在反应维出现事故时．能迅速安全地停堆，并保持适当的停堆深度。反应堆控制分类•紧急控制：当反应堆需要紧急停堆时，反应堆的控制系统能迅速引入一个大的负反应性，快速停堆，并达到一定的停堆深度。要求有极高的可靠性。•功率调节：当外界负荷或堆芯温度发生变化时，引入一个适当的反应性，以满足反应堆功率调节的需要。要求既简单又灵活。•补偿控制：反应堆的初始剩余反应性比较大，因而在堆芯寿期初，在堆芯中必须引入较多的控制毒物。但随着反应堆运行，剩余反应性不断减小。为了保持反应堆临界，必须逐渐地从堆芯中移出控制毒物。反应性控制方式•改变堆内种子吸收•改变中子慢化性能•改变燃料的含量•改变中子泄漏目前反应堆采用的反应性控制方式：控制棒控制；固体可燃毒物控制；化学补偿控制。8.3控制棒控制控制棒控制反应性的快速变化：(1)燃料的多普勒效应；(2)慢化剂的温度效应和空泡效应；(3)变工况时，瞬态氙效应；(4)硼冲稀效应；(5)热态停堆深度。控制棒材料要求：具有很大的中子吸收截面；要求控制棒材料有较长的寿命；要求控制棒材料具有抗辐照、抗腐蚀和良好的机械性能，价格便宜。控制棒的作用和一般考虑控制棒价值的计算目前，在工程设计中．多采用数值方法进行计算。首先是对控制棒区进行均匀化，求出其均匀化栅元的有效吸收截面，然后把它输入到少群扩散计算程序中进行临界计算。对有棒和无棒或不同棒位情况下的堆芯进行临界计算，求出这些情况下的有效增殖因数以确定出控制捧的价值。控制棒插入深度对控制棒价值的影响控制棒插入前，堆芯单群方程：将控制棒插入芯部，宏观吸收截面由变为中子通量密度的单群方程为：10afDkaaaa,,0,00apazZra(otherarea)1()0aafDkk利用将（8-14）（8-16）积分相减得：在反应堆表面上和均为零，得：由（8-18）得：11111(1)(1/)kkkkkkkkkk1()0PafVVVDDdVdVdVk()()0VSDDdVDDndS22PPaaVVffVVdVdVdVdV得：对裸圆柱形反应堆：得：2,0022(,)()aZapfVrrzdrdzZdV02.405(,)()sin()rzrzAJRH2200()12sin()/sin()[sin]()2ZHZzzZZdzdzHHHHH控制棒积分价值定义：当控制棒从一初始参考位置插入到某一高度时，所引入的反应性。参考位置选择堆芯顶部，则插棒向堆芯引入负反应性。随着棒不断插入，引入的负反应性也越大定义：控制棒在堆芯不同高度处移动单位距离所引起的反应性变化。控制棒的微分价值是随控制棒在堆芯内的移动位置而变化的。控制棒积分价值cddzH控制棒之间的干涉效应当一根控制棒插入堆芯后将引起堆芯中中子通量密度分布的畸变，势必会影响其它控制棒的价值。这种现象称之为控制棒间的相互干涉效应。控制棒插入不同深度对堆芯功率分布的影响18.4可燃毒物控制可燃毒物材料的要求：•具有比较大的吸收截面；•要求由于消耗了可燃毒物而释放出开的反应性基本上要与堆芯中由于燃料燃耗所减少的剩余反应性相等；•在吸收中子后，它的产物的吸收截面要尽可能地小；•在维芯寿期末，可燃毒物的残余量应尽可能少；•要求可燃毒物及其结构材料应具有良好的机械性能。可燃毒物材料目前常用的主要元素有硼和钆。可燃毒物棒结构：可燃毒物的布置及对反应性的影响•均匀布置假设堆芯中没有中子泄漏，燃料和可燃毒物随时间变化,()()()FaFFdNttNtdt,()()()PaPPdNttNtdt,()()()()FPFPfaFPFPdNtrttNtdt对t积分得：假设堆芯中没有中子泄漏，慢化剂、冷却剂和结构材料等的宏观吸收截面与时间无关，有效增殖系数表示为：,()(0)exp[()]FFaFNtNFt,()(0)exp[()]PPaPNtNFt,,()[1exp(())]FPfFPaFPaFPrNtFt,,,()()()()()FFfKFaFPaPFPaFPaNtktNtNtNt•非均匀布置非均匀布置的主要特点是在可燃毒物中形成了强的自屏效应，使可燃毒物的有效吸收截面减小。自屏效应对有效增殖系数的影响非均匀结构下，可燃毒物的燃耗方程：可燃毒物的有效吸收截面：,()()()()PsaPPdNtfttNtdt,,()PaeffsaPft可燃毒物的自屏效应随反应堆运行时进的变化8.5化学补偿控制在一回路冷却剂中加入可溶性化学毒物，以代替补偿滓的作用，因此称为化学补偿控制，简称化控。对化学毒物的要求：能溶解于冷却刑中，化学性质和物理性质稳定；具有较大的吸收截面；对堆芯结构部件无腐蚀性且不吸附在部件上。化控主要用来补偿的反应性：1)反应堆从冷态到热态(零功串)时，慢化剂温度效应所引起的反应性变化；(2)裂变同位素燃耗和长寿命裂变产物积累所引起的反应性变化；(3)平衡员和平衡锣所引起的反应性变化。化控的优点：化学补偿毒物在堆芯中分布比较均匀；化控不但不引起堆芯功率分布的畸变，而且与燃料分区相配合，能降低功率峰因子，提高平均功率密度；化控中的硼浓度可以根据运行需要来调节，而固体可燃毒物是不可调节的；化控不占栅格位置．不需要驱动机构，可以简化反应堆的结构，提高反应堆的经济性。化控的缺点：主要缺点是水中硼浓度的大小对慢化剂温度系数有显著的影响，当水中的硼浓度超过某一值时，有可能使侵化剂温度系数出现正值。硼微分价值定义：堆芯冷却剂中单位硼浓度变化所引起的堆芯反应性的变化量。微分价值总是负值，其大小与堆芯硼浓度，冷却剂温度和燃耗深度有关。HBC硼浓度的变化速率正比于冷却剂中硼的浓度。在同样注入速率下，寿期末由于硼浓度比寿期初小的多，其硼浓度变化率就要小得多。加硼和稀释硼时反应性的变化反应堆的增值因数或反应性随硼浓度作线性变化对t微分0HBC()BHHHBdCdwCCdtdtV随着反应堆的运行，堆芯中反应性逐渐地减小，所以必须不断的降低硼浓度，使堆芯保持在临界状态。这时的硼浓度称为临界硼浓度。