chapter08反应堆的物理启动.pptx

45.反应堆物理启动试验反应堆物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟0目的目的使反应堆安全的、顺利的首次达到临界状态；在零功率及各功率台阶上，验证堆芯的有关物理参数的测量是否满足堆芯设计、并满足有关的安全准则；对堆内和堆外核仪表系统进行刻度，以便对反应堆运行状态提供正确、有效的监测，并对控制保护系统提供正确的核测信号；监测堆芯硼浓度和功率分布，保证在反应堆功率运行期间堆芯的安全性和验证堆芯核设计计算的准确性；在整个堆芯物理启动试验过程中，有关的系统和仪器仪表将经受考验，有关的运行和试验规程将得到检验。45.反应堆物理启动试验反应堆物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1内容内容反应堆首次临界反应堆首次临界反应堆首次临界试验是在热态额定工况下，进行首次物理启动，达到临界，实现反应堆的自持链式裂变反应。堆芯初始临界；源量程和中间量程通道、中间量程和功率量程通道的线性和重叠性测量；多普勒发热点和零功率物理试验功率水平的确定；反应性仪的校正试验。45.反应堆物理启动试验反应堆物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2低功率物理试验低功率物理试验低功率物理试验主要是在热态，零功率或功率稍高于零功率时进行的反应堆物理试验，所取得的试验数据用来为运行服务和校核理论计算。控制棒价值测量；硼价值测量；慢化剂温度系数测量；最小停堆深度验证；模拟控制棒“弹棒”事故试验；功率分布测量试验。45.反应堆物理启动试验反应堆物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3功率试验功率试验功率试验是通过临界和低功率物理试验，为反应堆的安全运行提供了必要的试验数据。反应堆逐级提升功率，在每一功率水平上严格检查反应堆运行是否正常，进行必要的调整与试验，分析安全可靠性，校核各项指标是否符合设计要求。45.反应堆物理启动试验反应堆物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4其具体内容包括：功率分布测量试验；功率系数测量；堆内外核测仪表互校试验；控制棒组件落棒试验；中毒曲线测量；碘坑测量。46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5外中子源的作用外中子源的作用在大多数的反应堆中，都安置有外中子源。反应堆中采用外中子源的目的：“点火”，提供自持链式裂变反应最初的中子；消除反应堆启动时测量盲区。46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6几种外中子源几种外中子源(,n)中子源中子源利用放射性同位素发射出的粒子，用其轰击9Be和7Li等元素，即可产生不同能量的中子。反应堆启动时常用的一种中子源便是是210Po-9Be源。其反应如下：46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7其中，210Po的半衰期为138.376d。当反应堆运行一段时间后，210Po会较快的衰变完。210Po-9Be源主要用于反应堆的首次启动中，称其为初级中子源。46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟8(,n)中子源中子源.123Sb-9Be源源为了解决反应堆后续运行以及再次启动的问题，需要在反应堆中设置次级中子源。在反应堆中常用的次级中子源一般为(,n)中子源。以秦山一期为例：46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟9次级源在反应堆运行后，经过中子辐照被充分活化，从而可替代初级中子源的作用。其在反应堆运行后，很快便能满足反应堆启动安全监督的要求。这种源在反应堆停堆后也会衰减，但是在反应堆启动后，强度又很快恢复。46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟10.2H源源在压水堆中，含有大量的水。其中含有数目可观的2H。其在光子的辐照下，会发生以下反应：这也是一种(,n)中子源。46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟11自发裂变中子源自发裂变中子源对于重核，其不仅在外部粒子的轰击下可能发生诱发裂变，还有可能在没有任何外界因素的影响下发生自发裂变。作为外中子源，其应当能够向外界提供一定强度的中子束，因此对于适合做自发裂变中子源的重核，其应当具有较大的衰变常量或较小的自发裂变半衰期T1/2。46.反应堆内的外中子源反应堆内的外中子源2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟12对于大多数重核，其自发裂变半衰期都较长，其自发裂变几率都很低，不适宜做自发裂变中子源。目前使用的自发裂变中子源只有252Cf。252Cf的自发裂变的半衰期为85.5a，衰变的半衰期为2.7a，有效半衰期为2.65a。252Cf主要用于反应堆的首次启动，即主要作为初级中子源。47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟13反应堆的动力学方程反应堆的动力学方程有外源时的稳态解有外源时的稳态解当反应堆含有外源时，体系的点堆动力学方程可写为：47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟14或者可写为：【问题】在有外源的情况下，反应堆是否能够达到临界？即：对于上述的方程组，其是否存在定态解？47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟15对于定态解，便意味着n(t)和Ci(t)都是不随时间变化的，因此有：47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟16而可得：从而可得稳态时堆芯的中子数密度和缓发中子先驱核浓度为：47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟17解的分析解的分析.稳态解所对应的状态稳态解所对应的状态从上面的公式可以看出，显然从物理上要求：这意味着此时0。47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟18对于此时的中子数密度n，还可将其改写为其它形式。由于：从而中子数密度n的表达式还可写为：47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟19.稳态解与临界稳态解与临界那么反应堆能否在有外中子源的情况下达到临界呢（即=0后者Keff=1）？根据点堆动力学方程有：47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟20如果反应堆达到临界，即：=0。那么此时有：当反应堆达到临界时，显然还要求：47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟21但是由于q00，因此和必然不能同时为0。由此可见，当堆芯内含有外中子源时，达到临界的反应堆并不稳定。47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟22如果此时裂变中子通量的水平很低，那么可以忽略缓发中子的影响，即认为：从而有：其中n0是t=0时刻的中子数密度。47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟23可见当外源的影响不能忽略（裂变中子的通量水平较低）时，堆芯内的中子数密度是按照时间线性增加的。因此对于含有外中子源的反应堆，其是不可能在临界下达到稳定，实际当中的反应堆都是工作在次临界态下的。47.有外中子源时的启动物理过程有外中子源时的启动物理过程2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟24达到平衡的物理过程达到平衡的物理过程假设反应堆临界前堆芯的有效增殖系数为Keff，显然，KeffCCR计算+1，表明体系的次临界度还较大，还未进入启动区间；如果CCR计算CBCCR计算+1，表明体系已进入启动区间，接近了临界状态。49.田湾核电站首次物理启动试验田湾核电站首次物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟57临界过程临界过程实验开始前堆芯首次临界度约为-20eff，此时硼酸浓度约为16gH3BO3/KgH2O；10号控制棒（调节棒组）提升到约60的堆芯高度，其余控制棒均提升至堆顶；启动时，向堆芯内以恒定的速率注入纯水来添加正反应性（稀释硼浓度）；在还没有进入启动区间时，体系次临界度较大；可启动两台低容量KBA泵，以不大于20m3/h的流量率向反应堆注入清水；在进入启动区间后，体系已接近临界；只启动一台低容量KBA泵，从而保证流量率不大于10m3/h。49.田湾核电站首次物理启动试验田湾核电站首次物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟58在补水过程中，在规定的监测点除连续用硼表监测硼酸浓度外，还要按规定的时间间隔用人工分析的方法监测硼浓度；重复上面的步骤3，直到反应堆的功率水平达到最小可监测功率水平（此时功率水平约为510-2%FP），此时通过插入控制棒，使反应堆处于临界状态。49.田湾核电站首次物理启动试验田湾核电站首次物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟59临界中的要求临界中的要求正反应性的添加速率可为0.510-4210-2eff/min，现在设定为110-2eff/min；超临界的范围为：0+0.2eff；限制通过各个状态的速率；通过-0.3eff+0.2eff需要50分钟；通过+0.2eff需要20分钟。49.田湾核电站首次物理启动试验田湾核电站首次物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟60限制超临界态的反应堆周期：在达到超临界状态后，中子密度变化3个数量级后，硼浓度达到均匀时，反应堆的增长周期约为5060s；在物理启动过程中，必要的控制保护系统都必须处于正常的工作状态，当应急保护信号出现时，控制保护系统能使反应堆进入次临界状态；在控制保护系统故障的情况下，严禁启动反应堆；功率保护设定值为：10-310-4%FP；49.田湾核电站首次物理启动试验田湾核电站首次物理启动试验2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟61反应堆周期保护设定值为：2类预保护设定值：40s，当T40s时，禁止控制棒提升；1类预保护设定值：20s，当T20s时，控制棒按插棒顺序逐组以正常速度下插；事故保护设定值：10s，当T10s时，所有控制棒插入堆芯，反应堆停堆。50.核加热点核加热点2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62试验区功率上、下限值与核加热点试验区功率上、下限值与核加热点.上限上限当反应堆启动达到临界后，必须恰当的选定进行试验的反应堆功率水平范围，以进行物理试验。为了保证中子的测量结果有足够的精度，要求堆芯的中子通量水平必须大于某一个值。即反应堆的功率水平需要大于某个值，这个值即为物理试验区下限。50.核加热点核加热点2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟63.下限下限另一方面，反应堆的功率水平又不能太高，否则此时各种效应（冷却剂、核燃料的温度效应；毒物对反应性的影响等）将会体现出来，并且混杂在一起，从而无法将其区分开。因此物理试验区的功率不能超过一个上限，这个限值便称为核加热点的功率水平。50.核加热点核加热点2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟64核加热点的寻找核加热点的寻找对核加热点的寻找，通常是在试验过程中，同时记录冷却剂的平均温度、中子通量密度和反应性的变化，当它们同时出现拐点时，就认为已经找到了核加热点。50.核加热点核加热点2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6550.核加热点核加热点2024/4/10周三哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟66田湾核电站的试验区上、下限与核加热点功率田湾核电站的试验区上、下限与核加热点功率对于田湾核电站：其最小可监测功率水平为510-2%FP；在最小可监测功率水平下，用常设中子通量监测装置的源量程和中间量程能够高度可信的监测；中子通量监测装置的工作量程为：510-3%FP510-2%FP，此即试验区的上、下限；核加热点所对应的功率水平约为510-1%FP。THE END2024/4/10周三67哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟