核反应堆物理分析_谢仲生主编__第八章_温度效应与反应性控制

第八章温度效应与反应性控制0概述核反应堆在运行过程中，它的一些物理参数以及反应堆都在不断地发生变化。第七章讨论核反应堆在运行期间核燃料的燃耗和裂变产物的积累，以及由它所引起的反应性变化。另一方面，在运行过程中堆芯的温度也在不断变化，例如，压水堆由冷态到热态，堆芯温度要变化200~300开，当反应堆功率改变时，堆芯的温度也要发生变化。堆芯温度的变化将引起一些因素变化：（1）燃料温度变化—燃料核的共振吸收峰展宽，核燃料对中子共振吸收增加。（2）慢化剂密度变化—慢化剂慢化能力和吸收性能改变。（3）中子截面变化。（4）可溶硼溶解度的变化。这些因素的变化将导致堆芯有效增殖因数的变化，从而引起反应性的变化。核反应堆在运行初期必须具有足够的剩余反应性。温度效应2引起温度变化的原因3导致温度效应的原因A堆芯材料密度的变化ΔT材料密度Δρ（燃料、慢化剂、结构材料）宏观截面、堆芯尺寸ΔkeffΔρ由于堆芯温度及其分布的变化，将导致有效增殖系数的变化，从而引起反应性的变化。此物理现象称为反应堆的“温度效应”。1温度效应例：慢化剂温度变化：当P=140atm时，Tav=293k时，ρcool=1001.7kg/m3；Tav=523k时，ρcool=810.1kg/m3。Δρcool↓①热中子扩散面积及年龄增大，则不泄漏几率减小，导致keff减小；②降低慢化效率，增加238U的共振吸收，逃脱共振吸收几率下降，导致keff减小。2221(1)(1)LBBB中子温度变化ΔT中子温度变化宏观截面变化ΔkeffΔρ热中子平均能量变化例：温度升高——热中子能谱变硬——热中子微观吸收截面与裂变截面按1/v规律降低。对低浓铀压水堆而言，燃料的热裂变截面比热吸收截面减小的快，所以，中子产额随温度升高而减少，导致keff降低C铀的共振吸收多普勒展宽，共振俘获增大，导致keff降低4温度效应对反应堆运行、安全的影响A正温度系数（T↑→keff↑）T↑→keff↑→P↑→T↑→keff↑→P↑↑→事故B负温度系数（T↑→keff↓）T↑→keff↓→P↓→T↓→稳定§8.1反应性系数反应堆的反应性相对于反应堆的某一个参数的变化率称为该参数的反应性系数。参数变化→反应性变化→中子通量密度、P等变化→参数变化—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。1反应性温度系数：温度变化一度（开）时所引起的反应性变化。（这里的“温度”可指fuel、moderator等），简称温度系数。§8.1.1反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响TT总的温度系数：等温温度系数（零功率温度系数），假设整个堆温度均匀，等于燃料、慢化剂及其他各项之和。iiTiiTT211effeffeffTeffeffkkkTkTkTTkkeffeffT1不稳定性：P↓↓压水堆物理设计的准则之一，就是要保证温度系数必须为负值。§8.1.2燃料温度系数燃料温度系数：燃料温度变化一度（开）时所引起的反应性变化。特性：在低富集铀燃料中FFFTTppTkk11p为逃脱共振俘获概率Tf为燃料温度]exp[INpsAFsAFTdTdIN§8.1.3慢化剂温度系数1定义：慢化剂温度变化一度（开）所引起的反应性变化称为慢化剂温度系数。2特性：滞后于功率变化，具缓发性。3原因：热量从燃料传到慢化剂。慢化剂温度系数MMTTkk11111()()()()MTMMMMMMMMTTTTfpTfTpTTfp（有效裂变中子数）当温度升高，中子能谱变硬，238U，239Pu共振吸收增加，则同时引起降低,所以为负值。例：某天然铀：数量级很小①若燃料、慢化剂同体，膨胀系数相同，（热中子利用效率）②压水堆：当含有硼时，这个正效应更严重（如低温堆就使用硼溶液控制）。（逃脱共振吸收几率）（不泄漏几率）作用显著。()MT(4)2221(1)(1)LBB()0MT总之，当慢化剂温度增加、密度减少时，引起了两个相反的效应：一是的正效应；二是、和的负效应。慢化剂温度系数的正或负值主要是这两个方面的效应来决定。在轻水堆中，当水中没有（或含有少量的）化学补偿毒物（硼）时，值是负的，在硼浓度较大时，将出现正值。fMTMTpMTMTMTMT①如图仅热堆而言。②负温度系数的利用：压水堆温度系数总是设计成负的。这个内部负反馈作用使反应堆具有自稳自调特性。这个固有稳定性是核电厂固有安全性的基础，也有利于堆外部控制系统的设计。所谓自稳性是指反应堆出现内、外扰动时，反应堆能维持原功率水平的特性。例如，当反应堆引入一个正的反应性扰动ρex时，反应堆中子通量将突然增加Δn，燃料温度增加ΔTf，慢化剂平均温度跟着增加ΔTav，由于温度效应而产生一个负反应性，抵消了正反应性扰动的作用，最后，中子通量基本上能恢复到初始值。所谓自调性是指负荷变化时，反应堆自身能迅速达到热平衡。例如，汽轮机负荷突然增加ΔPH，则汽轮机转速降低Δf，调节器使汽轮机阀门开度增加ΔK，蒸汽流量增加ΔFs，于是蒸汽压力降低ΔPs，蒸汽温度降低ΔTs，使一回路冷却剂平均温度降低ΔTav，由于负温度系数而产生一个正反应性，使中子通量密度上升Δn，燃料温度上升ΔTf，产生一个负反应性，抵消了冷却剂平均温度降低产生的正反应性。最后，反应堆达到新的平衡状态，使反应堆功率与负荷要求一致。§8.1.4其它反应性系数1.空泡系数（voidcoefficientofreactivity）：空泡份额：在冷却剂中所包含的蒸汽泡的体积百分比，以x表示。空泡系数：在反应堆中，冷却剂空泡份额变化1%时所引起的反应性变化。可正（对于快堆）可负（对于热堆）。xMV3)2.功率系数（powercoefficientofreactivity）：单位功率变化所引起的反应性变化称为功率反应性系数，简称为功率系数。PxPTPTPxxPTTdPdMVMMTFFTiiiP)()(为保证反应堆安全、稳定的运行，功率系数在整个寿期内一般应保持为负值。功率亏损dPdPdPPD00如果反应堆从某一功率水平升高到另一功率水平，要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。§8.2反应性控制的任务和方式§8.2.1反应性控制中所用的几个物理量2.控制毒物价值i当某一控制毒物投入堆芯时所引起的反应性变化，称为该控制毒物的反应性（或价值）。当全部控制毒物都投入堆芯时，反应堆所达到的负反应性称为停堆深度。4.总的被控反应性sex§8.2.2反应性控制的任务§8.2.3反应性控制的方式目前反应堆采用的主要反应性控制方式：（1）控制棒控制（2）固体可燃毒物控制—用于补偿部分初始过剩反应性。（3）化学补偿控制—冷却剂中加入可溶性硼酸溶液。控制方式选择与堆型有关：（1）石墨慢化反应堆和重水慢化反应堆—控制棒。（2）轻水反应堆—三种控制方式联合控制。§8.3.控制棒控制§8.3.1控制棒的作用和一般考虑控制棒是强吸收体，它的移动速度快，操作可靠，使用灵活，控制反应性的准确度高。它是各种类型反应堆中紧急控制和功率调节所不可缺少的控制部件。它主要是用来控制反应性的快变化。主要是用控制棒来控制下列因素所引起的反应性变化：（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；MMTTkk1不同类型的反应堆，其控制棒形状与尺寸也不同。在石墨反应堆和重水反应堆中，一般都采用十字形控制棒，目前除了在沸水反应堆仍有采用十字形控制棒的之外，一般都采用束棒式的控制棒。对控制棒材料的要求：（1）具有很大的中子吸收截面。不但要求它具有很大的热中子吸收截面，而且还要具有较大的超热中子吸收截面，特别是对于中子能谱比较硬的反应堆更应如此。（2）控制棒材料有较长的寿命。要求它在单位体积中含吸收体核数要多，而且要求它吸收中子后形成的子核也具有较大的吸收截面，这样，它的吸收中子的能力不会受自身的“燃耗”的影响。（3）要求控制棒材料具有抗辐射，抗腐蚀和良好的机械性能，同时价格要便宜等。控制棒按照控制作用的分类：1.调节棒用来调节反应性的微小变化。可调节反应堆的功率，在反应堆稳态运行时用它来跟踪各种意外的反应堆扰动。2.补偿棒用于补偿随时间变化比较慢，但数值比较大的反应性。例如补偿温度、中毒、燃耗效应引起的反应性损失。3.安全棒用于在紧急情况下停闭反应堆，平时抽出堆芯。§8.3.2控制棒价值的计算分别计算有控制棒存在时和没有控制棒存在时的反应性，两种情况下的反应性之差就是控制棒的反应性价值，简称控制棒价值。控制棒价值计算较复杂：（1）由于控制棒是强吸收体，因而扩散理论不适用而必须应用更为严格的中子输运理论方法计算；（2）通常很难用解析法计算，解析法一般只能计算在简单几何配置下的控制棒价值。目前大部分都用计算机进行数值计算。数值计算思路：（1）对控制棒区进行均匀化，求出其所在栅元的均匀化有效吸收截面，然后输入少群扩散计算程序进行临界计算。（2）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keff，确定控制棒的价值。§8.3.2控制棒插入深度对控制棒价值的影响azrRH插入控制棒前，堆芯的单群方程为10(1)afDk控制棒插入芯部，其效应可看作是芯部发生了微扰。在插入帮的局部体积VP内，宏观吸收截面由变成了。a'aaa其它区域,00,0,,arZzpaa受扰动后，反应堆的有效增殖因数k相应的由k变为,因而将棒插入后芯部中子通量密度的单群方程为：kk'''1()02aafDkk（）(1)(2)VV''''1()()0PafVVVDDdVdVdVk)1(1)1(1)/1(11kkkkkkkkkk''''()()0VSDDdVDDndS'2'2PPaaVVffVVdVdVdVdV((1)/)1/kkk2,0022(,)()(,)aZapfVrrzdrdzZrzdV插入深度为Z时的控制棒价值：02.405(,)()sin()rzrzAJRH]2sin21[)(sin/)(sin)()(0202HZHZdzHzdzHzHZHZ2,0022(,)()(,)aHapfVrrzdrdzHrzdV全插入时控制棒的价值：插入堆芯不同深度的控制棒的价值通常用控制棒的积分价值和微分价值来表示：1.控制棒的积分价值当控制棒从一初始参考位置插入到某一高度时，所引入的反应性称为这个高度上的控制棒积分价值。参考位置选择堆芯顶部，则插棒向堆芯引入负反应性。积分价值在棒处于顶部时等于零。随着棒不断深入，所引入的负反应性也越大。2.控制棒的微分价值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。典型的控制棒微分价值曲线Hdzdc当控制棒位置靠近堆芯顶部和底部时，控制棒的微分价值很小。当控制棒插入到中间一段区间时，控制棒的微分价值较大。反应堆中调节棒的调节带一般都选择在堆芯的轴向中间区段。§8.3.2控制棒间的干涉效应一、控制棒间的干涉效应定义控制棒同时插入堆芯时，总的价值并不等于各根控制棒单独插入堆芯时的价值总和。控制棒价值与其所处点的中子通量密度的平方成正比二、从图像讨论考虑到控制棒的相互干涉效应，通常在设计堆芯时，应使控制棒的间距大于热中子扩散长度。§8.3.5控制棒插入不同深