核反应堆工程15.pptx

核能开发与应用核能开发与应用深圳大学核技术研究所深圳大学核技术研究所赵海歌赵海歌2010-2011学年第二学期学年第二学期反应性变化反应堆正常运行第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制提升功率，慢化剂及燃料的温度升高。当温度系数T为负值时，要变小。平衡氙毒的建立以及钐毒的逐渐累积，变小。燃料不断消耗，使变小。反应堆工况变化时，值也要变化1.适当的初始后备反应性2.调整后备反应性的手段反应性控制中的物理量1、剩余反应性：在任何时刻，通过对控制元件和其他在任何时刻，通过对控制元件和其他用于控制反应性的毒物的调节，所能获得的最大反应用于控制反应性的毒物的调节，所能获得的最大反应性。性。记为ex。剩余反应性的大小与反应堆的运行时间及运行工况有关。一个新堆的剩余反应性称为“初始剩余反应性”。一般说来一个新的堆芯，在冷态无中毒情况下，它的初始剩余反应性为最大。2、停堆深度：当全部控制毒物都投入堆芯时，核反应当全部控制毒物都投入堆芯时，核反应堆所达到的负反应性。堆所达到的负反应性。用s来表示。停堆深度与核反应堆运行时间和运行工况有关。为确保核反应堆的安全，要求在热态、平衡氙中毒的工况下，必须具有足够大的停堆深度。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制 否则，当堆芯逐渐冷却和氙-135逐渐地衰变后，核反应堆的反应性就逐渐增加，停堆深度就逐渐地减小，这样堆芯有可能又重新恢复到临界或超临界的危险状态。一般压水堆，规定冷态无中毒时的停堆深度为3一5，在核反应堆物理设计时，还保证任一组控制棒被卡在堆芯外的情况下，冷态和无中毒时的停堆深度必须大于2-3$。3总的被控制当量 总的被控当量等于初始剩余反应性与停堆深度之和，用表示。即 ex+s 一组控制棒组件完全插入后在堆芯内引起的反应性变化，定义为该组控制棒组件反应性当量控制棒组件反应性当量。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制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，控制核反应堆剩余反应性，以满足核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方式，使反应堆在整个堆芯寿期内保持较平坦的功率分布，使功率峰因子尽可能地小；在外界负荷变化时，能调节核反应堆功率使它能适应外负荷变化；在核反应堆出现事故时，能迅速安全地停堆，并保持适当的停堆深度。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制反应性的控制分成三类反应性的控制分成三类：1紧急控制：紧急控制：当核反应堆需要紧急停培时，核反应堆的控制系统能迅速引入一大负反应性，以快速停堆，并达到一定的停堆深度，要求紧急停堆系统有极高的可靠性，以确保核反应堆安全。2功率调节功率调节：当外界负荷或堆芯温度发生变化时核反应堆控制系统必须引入适当的反应性，以满足核反应堆功率调节的需要。3补偿控制补偿控制：由于动力堆的初始剩余反应性比较大在堆芯寿期初期，在堆芯中必须引入较多的控制毒物。随着反应堆的运行，剩余反应性不断地减小，为了保持核反应堆稳定运行，必须逐渐从堆芯移出相应的控制毒物。由于这些反应性的变化是很缓慢的，所以相应控制毒物的移动也是很缓慢的。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制从表51中可知，热中子反应堆的剩余反应性和总的被控制反应性，要比快中子反应堆大得多。这是因为快中子堆中燃料的增殖补偿了燃耗；同时温度效应中毒效应对快中子堆的影响比它们对热中子的影响小。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制反应性控制的基本原理考察有效增值因数：、基本不变。当热中子反应堆的燃料浓缩度以及燃料与慢化剂的性质、成分确定后。控制无效焦点集中在 与控制原理：主要通过控制热中子利用系数 和不泄露几率 来实现。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制控制方法：毒物控制法控制棒法：用吸收截面很高的材料制成控制捧，并插入堆芯或反射层内，移动控制棒即可达到控制目的可以通过控制堆芯附加吸收物质来控制f，当堆芯控制材料增加(如向堆芯插入控制棒)时，非裂变材料吸收的份额增加，易裂变物质吸收中子的份额相对减小，使得f值变小，反之亦然。改变f值得大小达到改变反应性的目的。通常，动力堆都采用控制棒来控制快变化的反应性。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制控制棒的优点：控制的速度快、灵活机动且可靠有效。缺点是：因为它能强烈吸收中子，故移动控制棒对堆内通量分布的扰动较大，导致中子通量分布不均匀性增大发生某种形式的畸变。从而增加了堆芯的中子泄漏，减小中子不泄漏几率。大型反应堆的后备反应性控制量较大，控制棒数量较多，这个缺点就更为突出。弥补方法：在采用控制棒的同时，还采用了化学控制剂如硼(10B)的“载硼运行”方案，即在水中加硼酸通过对10B浓度的控制，实现部分反应性的控制。由于硼在慢化剂中分布均匀，因而浓度改变时堆内中子通量变化也比较均匀。这种办法可弥补控制棒的不足，而且也比较经济便宜。慢化剂中含硼量太高，就会使慢化剂的温度系数变正。这是不利于安全运行的。可燃毒物管，亦即在堆芯内以一定分布放置硼钢管等强中子吸收剂。随着反应堆运行中燃耗的加深，10B原子核数目逐渐减少，这就相当于有反应性逐渐“放出”从而起到了控制反应性的作用。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制压水堆的控制方法初始剩余反应性很大，总的被控当量很大。轻水堆的栅格较稠密，控制棒的效率比较低，如果全部采用控制棒来控制，则需要很多控制体。压水堆堆芯体积较小，要安排众多的控制棒是很困难的：压力容器项盖开孔增加，使压力容器顶盖的强度大大下降，增加设计制造的难度。联合控制：联合控制：目前大型压水推部采用控制棒，固体可燃毒物和冷却剂中加硼酸溶液二种控制方式联合使用；小型压水推可采用控制棒和固体可燃毒物并用的方式来控制。三种基本本控制方法的特点。1、控制棒法利用驱动机构升降，改变中子的非裂变吸收和泄漏量控制反应性。特点：移动速度快，操作可靠灵活，控制反应性准确度高，主要用来控制反应性的快速变化。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制根据用途不同，控制棒般可分为三类：(1)调节俸调节反应性微小变化，用来调节堆功率的，反应堆稳定运行时用它来跟踪各种意外的反应堆扰动(这类反应性扰动的特点是快，但数值不大)，一组调节棒的反应性不能超过1元，这样即使操纵入员误操作，一组调节棒全抽出，也不会使反应堆达到瞬发临界状态。(2)补偿棒补偿棒用来补偿随时间变化比较慢，但数值比较大的反应性如补偿温度、中毒、燃耗效应引起的反应性损失：在核反应堆运行初期，补偿棒几乎全部插入唯芯，以抵消核反应推的后备反应性。到核反应堆运行末期时，补偿棒全部由堆芯抽出。由于补偿棒数量较多，动作较慢，一般采用手动操作。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制(3)安全棒安全棒是用来在紧急情况下关闭反应堆的，平时抽出推心，如出现某种事故需要马上停堆。就将安全棒迅速插入堆芯，使堆处于次临界状态。安全棒的反应性当量大，动作快，通常采用掉棒方式，并使它处于控制效率较高的位置上，一且有事故信号或停堆命令便立即掉棒。附加安全设施：硼球、硼酸（紧急停堆）控制棒优点：快速、灵活、可靠有效不利点：物理上：造成中子通量密度畸变。工程上：机构复杂，设计加工带来困难。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制、固体可燃毒物法在反应堆中插入硼钢管等，补偿燃耗。10B的热中子吸收截面高达34710-24cm2（347），反应堆用碳化硼中10B丰度应大于19%。10B俘获中子的主反应为：10B+n7Li+4He具有高中子吸收能力，中子俘获截面高，吸收能谱宽，没有二次辐射污染；价格低廉，原料来源广泛。注意：只能补偿缓慢变化的反应性，跟随不注意：只能补偿缓慢变化的反应性，跟随不 了反应性的突然变化。了反应性的突然变化。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制3、液体毒物控制法如硼酸等与冷却剂均匀混合，用调节硼的浓度来控制反应性。（棒控与化控相结合）优点：易操作、分布均匀不会引起功率畸变，浓度可调。不占位置，不需驱动机构。经济性好。缺点：浓度对温度系数有显著的影响T上升水的密度下降硼核减少反应性增加到一定程度会使慢化剂温度系数出现正值第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制控制棒的作用控制棒是强吸收体，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。主要是用它来控制下列一些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。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制控制棒材质：第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制1、具有很大的中子吸收截面(热中子、超热中子）。一般采用银铟镉合金作为控制捧材料。这是因为镉的热中子吸收截面很大，银和铟对于能量在超热能区的中子又具有较大的共振吸收峰。2、有较长的寿命，这就要求它在单位体积中含吸收体的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。3、具有抗辐照、抗腐蚀性能和良好的机械性能。船用反应堆采用铪做控制棒材料。控制材料铪-177，它俘获中子后形成铪-178，后者形成铅-179等等，它们都具有很大的共振截面。因而作为中子吸收剂具有很长的使用寿命。几个概念1、控制棒价值（效率）：一根控制棒完全插入临界的反应堆中所引起的反应性变化。即在堆芯内有控制棒存在时和没控制棒存在时的反应性之差。2、黑体：控制棒能吸收轰击棒上的全部热中子。3、灰体：只吸收部分热中子。显然：黑体对热中子通量密度扰动较大，灰体较小。第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制第四讲：核反应堆物理第四讲：核反应堆物理反应性的变化反应性的变化_反应性控制反应性控制单棒的全价值k0为插入前反应堆的有效增值因数，k为插入后反应堆的有效增殖因数。如果插棒前反应堆处于临界状态，则k0 1，k1。中心单棒：根据假定，控制棒的插入不改变反应堆芯部材料的物理性质，只改变反应堆芯部的几何边界条件。式中：R：外推半径，H：外推高度，a：控制棒半径控制棒价值与控制棒价值与M2、与控制棒半径、外推距离、与控制棒半径、外推距离d、和反应堆半径、和反应堆半径R有关有关.M为徙动长度。为徙动长度。控制棒积分价值如果控制棒部分地插入堆芯中心某一深度z处，它所抵消的反应性，称为控制棒在深度z处的积分价值，用z表示。微分价值控制棒在堆内沿着插入方向移动单位距离所引起的反应性变化，称为控制棒的微分价值(也称微分反应性)，用z来表示。控制棒干涉效应：所有控制棒全部插入堆底时，它们所抵消的反应性，称为控制棒的总价值。干涉效应：所有控制棒同时插入堆芯时，它们的总价值并不等于每根控制棒单独插入堆芯时的价值的总和。这是因为一根控制棒插入堆芯后将引起堆芯中中子通量密度的畸变，势必影响到其他棒的价值。这种现象称为控制棒间的干涉效应。控制棒对堆芯功率分布的影响由于控制棒是强吸收体，它使中子通量密区分布产生畸变。当控制棒插入或抽出堆芯时将使整个堆芯的中子通量密度分布和功率分布都产生畸变 在反应堆设计中，要求功率峰因子不超过设汁准则所规定的数值，必须计算移动控制棒对功率分布的影响，确定最佳提棒方式，使它能符合设计准则的要求。对于核反应堆运行人员学握控制棒对功率分布的影响，自觉地使用最佳提棒方式，确保核反应堆安全运行十分必要的。反应性控制可燃毒物控制一、可燃毒物均匀布置这说明可燃毒物的消耗与堆芯中剩余反应性的减小不匹配。我们希望随着可燃毒物的消耗，在整个堆芯寿期内，有效增殖因数的变化尽可能地小，这样对反应堆的控制有利。希望采用吸收截面比较小的可燃毒物。但是a，p 值小，可燃毒物消耗慢，则在堆芯寿期末期将仍有较多的毒物残留在堆内，它们对中子的有害吸收将使堆芯寿期缩短。最理想的情况是：在堆芯寿期初，可燃毒物的吸收截面不要太大，以减少有效增殖因数偏离初始值的程度，但随着可燃毒物的消耗，要求它的吸收截面逐渐增大，以减小在堆芯寿期末期堆内可燃毒物的残留量。采用可燃毒物的非均匀布置可以基本上符合这种采用可燃毒物的非均匀布置可以基本上符合这种要求。要求。在堆芯寿期初，可燃毒物中的中子通量密度大大低于慢化剂燃料中的中子通量密度，这时可燃毒物的自屏效应很强，fs 值很小，可燃毒物的有效微观吸收截面也很小，因此有效增殖因数偏离初始值的程度也较小。但是随着反应堆的运行时间的增长，可燃毒物不断地燃耗，自屏效应逐渐地减弱，fs值逐渐地增大，可燃毒物的有效微观吸收截面也逐渐地增大,可燃毒物的燃耗也更快。在堆芯寿期未时，堆芯内可燃毒物核的残留量很小，因而对堆芯寿期并没有显著的影响。