核安全填空背书-030104-反应性与反应性的控制.pdf

-38-第四节 反应性与反应性的控制 第四节 反应性与反应性的控制 一、反应性概念 一、反应性概念 反应堆内的核过程是中子（产生）与中子（消失）的过程。这些过程集中反映在（有效增殖系数）K有效这个因子上。K有效1，中子产生占优势，堆内中子数将随时间而（增加），反应堆处于（超临界）状态。K有效1，中子消失占优势，堆内中子数将随时间而（减少），反应堆处于（次临界）状态。K有效=1，堆内中子产生与消失相平衡，堆内中子数将稳定在一定水平上，反应堆处于（临界）状态。总是会由于各种因素而使之偏离 1。即：K过剩=K有效-1 K过剩称之为（过剩增殖）系数，它代表堆内有效增殖系数超过临界的余额，作为反应堆超临界度（或次临界度）的一种量度。但在应用中往往用过剩增殖系数的相对值来表示，简称之为反应性：=K过剩/K有效=（K有效-1）/K有效 反应堆在运行过程中，反应性将不断发生变化。变化的原因主要有以下几种：（1）（燃料）和（重同位素）成分的变化。如可裂变核燃料铀-235 吸收中子而消耗；如铀 238 吸收中子产生钚-239，钚-239 吸收中子产生钚-240 等。（2）裂变产物的（产生）与（积累），造成“（中毒）”和“（结渣）”效应。（3）温度效应：由于堆内温度的变化，影响各种材料的（密度）和（截面），从而使 K有效发生变化。（4）其它效应：如空洞效应、气泡效应等。由于以上原因，要保证堆在额定功率下运行一定工作期，必须储备必要的（后备反应性）以补偿上述各项所引起的反应性变化。为了满足辐照实验的需要以及为了调节功率和保证堆的安全停闭，还需要附加额外的（反应性当量）。二、影响反应性变化的各种因素 二、影响反应性变化的各种因素 1.燃料和重同位素成分的变化 在反应堆运行期间，（铀-235）因燃耗而不断减少，铀-238 也会因吸收中子而生成同位素（钚-239）、（钚-240）等，造成堆内各重同位素成分的变化。（钚-239）是很好的易裂变材料，在堆内也要发生裂变反应，这样就延长了堆的换料时间（或称之为堆的（换料周期）。2、氙毒、碘坑与结渣 伴随着核燃料的裂变，各种裂变产物及次级产物将随之产生并积累起来。这些产物吸收中子，直接影响（K有效）。在几百种裂变产物中，对反应堆链式反应危害最大的是（氙-135）（135Xe）。它的半衰期短，随运行工况的变化而变化较大；氙-135 热中子吸收截面a=（2.7106）靶，吸收中子最多。因此直接影响堆的运行状态。为了与其他裂变产物相区别，称之为“（氙毒）”。反应堆中氙-135 的产生有两种途径：第一是由（铀-235）裂变直接产生，产额 rXe=（0.003），即相当在一千次裂变中产生（3）个氙-135 核。-39-第二是由裂变产物（碲）（135Te）经过（两次衰变）得到。铀-235 吸收热中子裂变直接生成135Te，其产额 rXe=（0.061），其经衰变而很快衰变也（碘-135）（半衰期 30s），碘-135 又经衰变（半衰期 6.7h）而产生135Xe。2351135135135920306.7shUnTeIXe+裂变 由于135Te 的半衰期较短，而碘-135 半衰期较长，可以看成裂变直接生成碘 135。因而碘-135 的产额即等于135Te 的产额（0.061）。比较两种途径，可以看出核裂变直接生成135Xe的裂变产物比较少，而大量的毒物是由（碘-135）经过蜕变而来的，35Xe 的本身产额主要取决于（碘-135）的产额。在反应堆稳定运行情况下，由于裂变不断产生碘-135 和氙-135，随着它们的积累，（吸收中子）及（衰变的损失率）也将逐渐增大.可以想见，考虑到核裂变直接产生135Xe 的因素，135Xe 的增长和消失最终达到一个平衡值，即所谓的（平衡氙毒）。平衡氙毒的浓度与稳定运行的（中子流量率）水平有关。功率高，中子注量率水平也（高），平衡氙毒浓度越（大）。（平衡氙毒）与（碘坑）正是135Xe 处于相对静止与显著变化的两种状态。堆在正常中子注量下运行，135Xe 处于（动平衡），即产生项（由（碘-135）衰变而来和（裂变）直接产生）与消失项（因衰变和吸收中子消失）相等，保持某一平衡数值。忽然停堆或降功率，（中子注量）率急剧下降，135Xe 的裂变直接产生项和吸收中子消失项减少以至不存在了，但是由于停堆前堆中所积累的（碘-135）将继续衰变为135Xe，当然135Xe 也因自身的衰变而减小。如果停堆前稳定运行的中子注量率足够高，使得积累的（碘-135）的核子数目足够多，以致使得碘-135 的衰变率大于135Xe 的衰变率，就会造成（135Xe）的一时积累。这种变化破坏了停堆（或降功率）前的动平衡。135Xe 的积累，使（K有效）大幅度下降，堆处于很深的（次临界）状态。当全部释放后备反应性也不足以抵消135Xe 的氙毒反应性时，堆是开不起来的。经过一段时间，由于碘的衰变产生135Xe 的一项逐渐减少，而135Xe 本身的衰变却相应增加，当后者占优势时，反应性又开始回升，逐渐恢复到正常状态。这种氙毒造成反应性（下降至谷值又回升）的现象，因为是（碘-135）的衰变引起 K有效减少而称之为“碘坑”。由于碘坑中毒，反应堆停堆或降功率后，反应性继续下降，如果反应性Xe 的下降超过堆的（后备反应性），反应堆就起动不起来而必须等待过了“碘坑”以后，待反应性开始回升到高于堆的（后备反应性）时方能启动。但这必须要等待相当长的时间（为（十几）小时甚至（几十）小时）。为了争取延长反应堆有效工作时间，防止掉入“碘坑”，应争取检修工作抢在掉入“碘坑”（为几小时）之前。除了吸收截面较大并半衰期短的（氙-135）（有时将“（149Sm）”也包括在内）外，其他裂变产物的产生均称之为“（结渣）”。有些是中子强吸收产物，有些是中子弱吸收产物。每一个“渣”的核子数目都遵循自身的规律随时间变化着。一方面，它或因裂变而产生，或由先驱核衰变或吸收中子转变而来；另一方面，它本身因吸收中子而消耗，或由衰变转变为其他同位素。所有这些“渣”都有一定的毒性，其变化都会对 K有效产生或强或弱的影响，对反应性的消长有一定的贡献。3、温度效应 当提升或降低反应堆功率的时候要引起（堆内温度）发生变化，即使在正常稳定运行时，也可能由于外界的扰动引起温度的变化。由于燃料的温度升高会使燃料的中子（共振吸收）增加，即存在“（多卜勒效应）”；又由于慢化剂温度上升密度下降，而引起慢化本领的（减弱）致使慢化不充分，同时也减少了堆内慢化剂的吸收而间接增加了燃料的中子（共振 -40-吸收），这些变化都要涉及堆内各成分的核密度、核截面和几何尺寸的变化，从而使反应性发生变化。由温度变化引起反应性变化叫做反应性的（温度效应），引入温度系数T来描述。它的定义是每增加 1（反应性）的变化量。TdadT=温度系数 aT的正负号对于反应堆稳定运行有很大的影响。如果一个堆有正温度系数，即 aT0，当堆受到外界干扰温度上升时，因正温度效应引起 K有效增加，K有效增加又会造成（堆功率）增长，使（堆芯）温度增加。如此循环下去，如果不加以控制，最终会导致反应堆烧毁。反之，如果因堆内温度下降，K有效就会下降，堆内功率也要下降，这样堆内功率会进一步下降，如此循环最终将导致堆（自动关闭）。所以一个反应堆如果是有正温度系数，堆就不能稳定运行。如果堆是有负温度系数，即 aT0，当堆由于某种原因使温度上升时，负温度效应使 K有效下降，K有效的减少又会造成（堆功率）的降低，从而使堆的温度下降，如此循环直至回到原来的数值为止。这样就使堆具有（自稳定性）。仔细分析，温度系数又可以分为（燃料温度）系数 au(T)和（慢化剂）温度系数 aM(T)，堆的总温度效为：=uuMMKaTaTK+有效有效 燃料温度效应是一个（快）效应，而慢化剂温度效应是一个（慢）效应，即前者是一个快速随时间变化的函数，而后者是一个随时间缓慢变化的函数。燃料温度系数 au(T)和慢化剂温度系数 aM(T)都是随（燃耗）而变化的。4、其它效应 除了前述几种影响反应性因素以外，对于不同类型的反应堆，还因堆型不同存在其他一些影响反应性的因素。如沸水堆的（空泡）效应、快中子堆的（棒弯曲）效应、气冷堆的（压力）效应、实验堆的（孔道）效应等，也应有针对性地予以分析。三、反应性的控制 三、反应性的控制 在反应堆运行过程中，由于（核燃料）的不断消耗和（裂变产物）的不断积累，反应堆内的（反应性）就会不断减少；此外，反应堆功率的变化也会引起（反应性）变化。所以，核反应堆的初始燃料装载量必须比维持临界所需的量多得多，使堆芯寿命初期具有足够的（剩余反应性），以便在反应堆运行过程中补偿上述效应所引起的反应性损失。为补偿反应堆的剩余反应性，在堆芯内必须引入适量的可随意调节的（负反应性）。此种受控的反应性既可用于补偿堆芯长期运行所需的（剩余反应性），也可用于调节（反应堆功率）的水平，使反应堆功率与所要求的负荷相适应。另外，它还可作为（停堆）的手段。实际上，凡是能改变反应堆（有效倍增因子）的任一方法均可作为控制反应性的手段。例如，向堆芯插入或抽出（中子吸收体）、改变反应堆的（燃料富集度）、移动（反射层）以及改变中子（泄漏）等。其中，（向堆芯插入或抽出中子吸收体）是最常见的一种方法。通常称中子吸收体为（控制元件）。控制元件总的反应性应当等于（剩余反应性）与（停堆余量）之和。一根控制元件完全插入后在堆芯内引起的反应性变化定义为单根控制元件的（反应性当量）。根据反应堆运 -41-行工况不同可把反应性控制分为三种类型：（1）（紧急停堆）控制。当反应堆出现异常工况时，作为停堆用的控制元件必须具有迅速引入（负反应性）的能力，使反应堆紧急停闭。（2）（功率）控制。要求某些控制元件动作迅速，及时补偿由于负荷变化、温度变化和变更功率水平引起的微小的（反应性瞬态）变化。（3）（补偿）控制。补偿控制元件用于补偿燃耗、裂变产物积累所需的（剩余反应性），也用于改变堆内（功率）分布，以便与获得更好的热工性能和更均匀的燃耗。这种控制元件的反应性当量大，并且它的动作过程是十分（缓慢）的。把吸收体引入堆芯有以下三种方式：（1）（控制棒）：在堆芯内插入可移动的含有中子吸收材料的（控制棒）。按其作用不再可分为（补偿棒、调节棒和安全棒）三种。（补偿）棒用于补偿控制，（调节）棒用于功率控制、（安全）棒用于紧急停堆控制。控制棒是由中子吸收截面较大的材料（如镉、铟、硼和铪等）制成。在中子能谱较硬的热中子堆中，为了提高控制效果，最好采用几种中了吸收截面不同的材料组成的混合物控制棒，以便在各个能区内吸收中子。为此，在近代压水堆中使用的控制棒多数由（银-铟-镉）合金制成。此外，控制棒材料还必须具备（耐辐照）、（抗腐蚀）和（易于机械）加工等方面的良好性能。（2）可燃毒物：堆芯寿期的长短通常取决于反应堆（初始燃料装载量）。当然，装入反应堆的燃料量也部分地取决于反应堆控制元件所实际能补偿的剩余反应性量。为增大堆芯的初始燃料装载量，通常在堆芯内装入中子吸收截面较大的物质，把它作为固定不动的控制棒装入堆芯，用以补偿堆芯寿命初期的（剩余反应性）。这种物质称为（可燃毒物）。可燃毒物的吸收截面应比燃料的吸收截面大。这样，它们就能比核燃料更快地烧完，从而在燃料循环末期，由它们带来的（负反应性）贡献可以忽略。采用这种控制方法有许多优点：如延长堆芯的（寿期）、减少可移动（控制棒）的数目、简化（堆顶）结构，若布置得当，还能改善堆芯的（功率分布）等。可燃毒物材料通常选用（钆）（Cd）或（硼）（B），将其制成（小片）弥散在燃料中，在压水堆中，堆芯初始装载时用（硼硅酸盐玻璃管）作为可燃毒物棒装入堆芯。（3）可溶毒物：可溶毒物是一种吸收中子能力很强的可以溶解在冷却剂中的物质。轻水堆往往以（硼酸）溶解在（冷却剂）内用作补偿控制。其优点是（毒物分布均匀）和（易于调节）。由于这种化学控制方法能补偿很大的（剩余反应性），可以使堆芯内可移动控制棒数目大量减少，从而简化了（堆芯）设计；然而，化学补偿控制也有不足之外，如由于向冷却剂增加或减少毒物量的速率十分（缓慢），所以反应性的引入速率相当小。因此，化学补偿控制只能补偿由于（燃耗）、（中毒）和（慢化剂温度）变化等引起（缓慢）的反应性变化。反应堆的冷却剂含硼浓度由（硼表）进行在线监测，如图 1-27 所示。-42-图 1-27 核反应堆的反应性控制 在事故工况下，任何链式裂变反应的不正常增加，将会被堆外（中子测量系统）探测到，并发出警告信号，必要时产生（自动停堆信号），使控制棒落入堆芯以中止链式裂变反应。在（蒸汽管道破裂）或其他（蒸汽需求不正常增加）情况下，由于一回路过（冷），导致反应性的不可控增加，这里（安全注射系统）将会动作，将含（高浓度硼）的冷却剂注入堆芯以中止链式裂变反应。