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文档简介
《反应堆原理》
第八章温度效应与反应堆控制反应堆启动运行后:①核燃料的燃耗和裂变产物的积累会引起反应性的变化②堆内温度随时间变化时,也会引起反应性的变化反应堆中各种材料的温度发生变化时,所引起的反应堆反应性的改变,称为反应堆的温度效应。反应堆稳定运行或启动、停闭及改变功率时,都必须采用外部控制的方法来控制反应性。压水堆常用的三种控制方式:控制棒控制、可燃毒物控制、化学补偿控制第八章温度效应与反应堆控制反应性系数反应性控制的任务和方式控制棒控制可燃毒物控制化学补偿控制12345目录一.反应性系数1.反应性温度系数及其对反应堆稳定性的影响与反应性有关的许多参数都是温度的函数单位温度变化所引起的反应性变化称为反应性的温度系数反应性温度系数(αT)总的温度系数等于各成分的温度系数的总和:根据反应性的定义:一.反应性系数不同温度系数下,引入一个阶跃正反应性之后,反应堆功率随时间的变化压水堆物理设计的基本准则之一,便是要保证温度系数必须为负值。一.反应性系数2.燃料温度系数由单位燃料温度变化引起的反应性变化称为燃料温度系数。σa(E)E238U的共振吸收燃料的温度系数主要是由核燃料共振吸收的多普勒效应引起的一.反应性系数燃料温度系数属于瞬发温度系数。E0Φ(E)1/E无共振峰有共振峰能量自屏效应空间自屏效应燃料慢化剂燃料温度升高使核燃料有效共振吸收增加,逃脱共振俘获概率减小,有效增殖因数下降,因此产生负温度效应一.反应性系数一.反应性系数3.慢化剂温度系数由单位慢化剂温度变化引起的反应性变化称为慢化剂温度系数,慢化剂温度系数属于缓发温度系数。一.反应性系数①由纯易裂变核组成的核燃料对于235U和239Pu,η随温度升高而减小,对于233U,η随温度升高而增大,由天然铀组成的核燃料温度一直升至575K,η基本为常数,温度高于575K,η随温度升高而减小,一.反应性系数②当慢化剂温度增加时,慢化剂密度减小,慢化剂相对于燃料的吸收也减小,这使得热中子利用系数增加③当慢化剂温度升高时,慢化能力减小,逃脱共振几率减小慢化剂中还有硼酸时,温度升高导致溶解度的减小,正效应尤其明显一.反应性系数④按双群理论,热中子裸堆不泄露几率可表示为:温度升高时,ρM
减小,Λ减小,所以总之温度升高,慢化剂密度较小时,引起两个相反的效应正效应:负效应:一.反应性系数C1,C2为常数慢化剂温度系数与单位体积内慢化剂与燃料的核密度比值有关k∞VH2O/VU2O293K573K欠慢化区过慢化区一.反应性系数VH2O/VUO2k∞不含可溶硼含可溶硼不同硼浓度时铀水栅格的k∞与VH2O/VUO2的关系欠慢化过分慢化对于给定结构的堆芯,通常设定一个最大允许硼浓度的限制,要求在最大的可溶硼浓度下,反应堆仍保持为欠慢化栅格。一.反应性系数1.控制棒提起,核裂变发,一回路冷却剂被加热2.主泵带动冷却剂通过蒸汽发生器3.二回路水被一回路加热产生蒸汽4.蒸汽推动汽轮机发电5.蒸汽进入冷凝器被冷凝成水一.反应性系数外界负荷减小汽轮机的控制阀自动关小堆芯水温度升高反应性减小功率减小较低功率下达到平衡一.反应性系数也叫铀氢锆反应堆,是一种以氢化锆与浓缩铀均匀混合物为燃料的固有安全性很高的研究堆。TRIGA型反应堆引入一个大的正反应性之后,TRIGA型反应堆功率随时间的变化瞬发负温度系数铀氢锆反应堆的应用:①中、短寿命放射性同位素的生产;②中子活化分析;③中子照像;④核物理、中子物理及固体物理等基础研究工作;⑤辐照试验;⑥教学和人员培训;⑦动力堆的安全和动态学研究。铀氢锆反应堆的脉冲运行是依靠堆芯内的脉冲棒来实现的。一般可在几十毫秒内将棒抽出堆芯,从而使功率迅速上升。4.其它反应性系数空泡份额(x):冷却剂中所含的蒸汽泡的体积百分数空泡系数:冷却剂的空泡份额变化百分之一所引起的反应性变化当出现空泡或空泡份额增大时,Ⅰ冷却剂的有害中子吸收减少Ⅱ中子泄露增加Ⅲ慢化能力变小,能谱变硬①空泡系数正效应负效应正效应或负效应一.反应性系数反应性系数沸水堆压水堆重水堆高温气冷堆钠冷快堆燃料温度系数10-5/K-4~-1-4~-1-2~-1-7-0.1~0.25慢化剂温度系数10-5/K-50~-8-50~-8-7~-31.0空泡系数10-5/K-200~100000-12~20几种堆型的反应性系数一.反应性系数一.反应性系数思考:为什么沸水堆的控制棒一般从堆底部向上插入堆芯???在沸水堆中,堆芯上部的含气量大于堆芯下部,所以堆芯下部的中子通量密度较高。因此,沸水堆的控制棒从堆底部向上插入堆芯,以利于通量的展平和提高控制棒的效率。沸水堆核电站示意图涡轮②功率系数功率系数:单位功率变化所引起的反应性变化功率亏损:反应堆零功率变化到满功率时反应性的变化一.反应性系数压水堆功率系数与相对功率关系一.反应性系数1.反应性控制中所用的几个物理量①剩余反应性剩余反应性ρex
:堆芯中没有任何控制毒物时的反应性控制毒物包括控制棒、可燃毒物和化学补偿毒物等剩余反应性的大小与反应堆的运行时间和状态有关②控制毒物价值控制毒物价值Δρi
:某一控制毒物投入堆芯所引起的反应性变化量二.反应性控制的任务和方式③停堆深度停堆深度ρs
:当全部控制毒物都投入堆芯时,反应堆所达到的负反应性停堆深度也与反应堆运行时间和状态有关,反应堆在热态和平衡氙中毒时应有足够大的停堆深度卡棒准则:即使一根反应性最大的控制棒被卡在完全抽出的位置时,堆芯有效增殖因数仍低于临界值(k=0.99)④总被控反应性总被控反应性Δρ
:剩余反应性与停堆深度之和二.反应性控制的任务和方式2.反应性控制的任务反应堆控制设计的主要任务:①控制反应堆的剩余反应性,满足反应堆长期运行的需要;②通过控制毒物适当的空间分布和最佳的提棒程序,使反应堆在整个堆芯寿期内保持较平坦的功率分布;③外界负荷变化时,能调节反应堆功率;④反应堆出现事故时,能迅速安全地停堆。二.反应性控制的任务和方式按控制毒物在调解过程中的作用和要求,反应堆控制可分为:①紧急控制当反应堆需要紧急停堆时,要求反应堆的控制系统能迅速地引入一个大的负反应性,快速停堆,并达到一定停堆深度②功率调节当外界负荷或堆芯温度发生变化时,反应堆的控制系统必须引入一个适当的反应性,以满足反应堆功率调节的需要③补偿控制剩余反应性随时间变化时,为保持反应堆临界,必须逐渐从堆芯中移出控制毒物二.反应性控制的任务和方式3.反应性控制的方式单能中子扩散方程①改变堆内中子吸收在堆芯中加入或提出控制毒物以改变堆内中子的吸收控制毒物包括:控制棒、可燃毒物和可溶性毒物②改变中子慢化性能在谱移反应堆中(重水-轻水混合慢化反应堆),通过改变重水和轻水的比例,以改变中子能谱,从而改变反应性二.反应性控制的任务和方式③改变燃料的含量在用燃料来做控制棒或作控制棒的跟随体的情况下,当控制棒移动时,除了改变堆内中子吸收之外,还改变堆内燃料含量,从而改变反应性④改变中子泄漏小型快中子反应堆中,可以通过移动反射层的方法,改变中子的泄漏,从而改变反应性目前反应堆采用的三种主要控制方式:控制棒控制、可燃毒物控制、化学补偿控制二.反应性控制的任务和方式1.控制棒的作用和一般考虑控制棒的特点:移动速度快,定位精度高控制棒主要用于控制反应性的快变化:①调节由于温度、硼浓度、空泡份额等扰动引起的反应性小变化;②补偿功率变化氙浓度变化引起的功率分布畸变;③提供足够的停堆深度三.控制棒控制控制棒按作用分为补偿棒、调节棒和安全棒。控制棒形式:控制棒组件燃料棒吸收棒导管底部管嘴把手中子吸收棒片套筒式控制棒组件十字形控制棒组件三.控制棒控制三.控制棒控制控制棒驱动机构是反应堆的重要动作部件,通过它的动作带动控制棒组件在堆芯内上下抽插,以实现反应堆启动、停堆、调节功率或事故反插。控制棒驱动机构的功能可靠与否,直接影响反应堆的安全性。控制棒材料的特性:一般要求控制棒材料具有很大的中子吸收截面,使用寿命长,能抗辐照和抗腐蚀,并且机械性能良好,同时价格便宜①铪(Hf)Hf在相当宽的中子能量范围内,吸收能力都很强Hf能够持续吸收中子,经久耐用Hf的机械性能好,易于加工;在高温水中有良好的抗腐蚀性能,可以不要包壳;抗辐照能力也好,能在高通量辐照下长期使用三.控制棒控制②Ag-In-Cd合金三.控制棒控制③硼(B)10B热中子吸收截面高达3470b使用高10B含量的浓缩B材料作控制棒吸收体,要用不锈钢、钛等作包壳,或者制成硼不锈钢或硼钛等合金,以满足机械、抗腐蚀等的要求10B(n,α)7Li:晶格损伤、肿胀和内应力三.控制棒控制①控制棒的积分价值②控制棒的微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。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。2.控制棒的价值控制棒的价值:某控制棒插入(拔出)堆芯时,使得堆芯的反应性的减少量(增加量)①控制棒的积分价值②控制棒的微分价值控制棒组高度/cm控制棒组高度/cm控制棒积分价值/PCM控制棒微分价值/PCM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,此时调节棒移动时所引起的价值与它插入深度呈线性关系。三.控制棒控制注:PCM为习惯上采用的反应性单位,1PCM=10-5控制棒价值的影响因素:慢化剂温度温度升高,密度降低,中子更容易穿过慢化剂,达到控制棒,控制棒价值升高。慢化剂中的硼浓度燃耗浓度升高,能谱硬化,超热中子增多,Ag-In-Cd控制棒对超热中子有很大吸收截面,控制棒价值变化。燃耗增加,裂变产物不断积累,吸收热中子也导致能谱变硬,控制棒价值变化。三.控制棒控制3.控制棒间的干涉效应控制棒1控制棒2控制棒插入堆芯后对径向中子通量密度分布的影响三.控制棒控制控制棒离开堆中心轴的距离/m控制棒的价值两根对称偏心控制棒的干涉效应两根偏心控制棒同时插入时的价值单根偏心控制棒插入时价值的两倍三.控制棒控制4.控制棒插入不同深度对堆芯功率分布的影响堆芯寿期初(BOL)堆芯寿期末(EOL)zzϕϕ控制棒的插入深度对轴向中子通量密度分布的影响三.控制棒控制慢化剂温度/K慢化剂温度系数/(10-5/K)273373473573-60-20020-40123451.可燃毒物的作用在压水反应堆(PWR)中,控制棒加硼酸水的方法还满足不了对反应性的控制四.可燃毒物控制1—0μg/g2—500μg/g3—1000μg/g4—1500μg/g5—2000μg/g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来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小;在堆芯寿期末,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。可燃毒物材料的要求:可燃毒物通过自身“燃烧”的方式改变对反应性的控制四.可燃毒物控制目前作为可燃毒物使用的主要元素有硼和钆例如:10B热中子吸收截面很大,吸收中子后变为11B11B吸收截面很小,相当于10B被烧掉了四.可燃毒物控制2.可燃毒物的布置及其对反应性的影响①均匀布置情况四.可燃毒物控制四.可燃毒物控制可燃毒物↓——反应性↑
燃料消耗↑——反应性↓由于堆芯寿期末有可燃毒物的残留,它们对中子的有害吸收将使堆芯寿期缩短。寿期亏损:②可燃毒物的非均匀布置均匀布置非均匀布置定义可燃毒物的有效吸收截面可燃毒物燃耗方程:rϕ可燃毒物自屏因子:四.可燃毒物控制反应堆运行时间tϕt=0t1>0t2>t1t—∞NpΣ四.可燃毒物控制可燃毒物对有效增殖因数的影响1—可燃毒物非均匀分布2—可燃毒物均匀分布3—无可燃毒物四.可燃毒物控制可燃毒物的合理配置:理想状态:可燃毒物消耗释放的正反应性正好等于燃料燃耗引起的反应性损失,有效增殖因数不变要求:①既要有足够的补偿能力,又不要过补偿,堆芯寿期末不要残留②能展平堆芯中子通量密度分布可燃毒物的合理配置是堆芯燃料管理的一大任务,也是当前研究热点四.可燃毒物控制可燃控制棒的形式硼玻璃可燃毒物棒(PYREX)空气不锈钢硼玻璃锆合金水秦山一期使用硼玻璃取代硼不锈钢可燃毒物,首装堆芯的运行寿期延长了24个满功率天,相当于多发电1亿零80千瓦时四.可燃毒物控制湿式状可燃毒物棒(WABA)氦气Al2O3-B4C锆合金水与硼玻璃可燃毒物棒相比,湿式状可燃毒物棒使燃料循环成本降低1~2%四.可燃毒物控制涂硼燃料元件(IFBA)氦气ZrB2锆合金UO2目前在压水堆中还采用在UO2中掺加Gd2O3(含量可达10%)作为可燃毒物,例如清华5MW低温供热堆四.可燃毒物控制在反应堆一回路冷却剂中加入可溶性化学毒物(如硼酸),以代替控制棒的作用,称为化学补偿控制浓硼酸水的注入一回路冷却水泵反应堆热交换器五.化学补偿控制化学补偿控制的优点:①化学补偿毒物在堆芯中分布比较均匀,不会造成中子通量分布畸变,而且与燃料分区配合,能有效展平功率,提高平均功率密度;②与控制棒相比,它价格便宜,与可燃毒物相比,它对反应性的控制可以调节;③化控不占栅格位置,不需要驱动机构等,从而可以简化反应堆的结构,提高反应堆的经济性等五.化学补偿控制化学补偿控制的缺点:①水中硼浓度的大小对慢化剂温度系数有显著的影响慢化剂温度/K慢化剂温度系数/(10-5/K)273373473573-60-20020-401—0μg/g2—500μg/g3—1000μg/g4—1500μg/g5—2000μg/g12345五.化学补偿控制在压水堆设计中,一般把硼浓度取在1300~1400µg/g以下②硼的加浓或稀释需要一定时间,因此化控反应性的速率慢五.化学补偿控制化控主要是用来补偿一些慢变化的反应性:Ⅰ反应堆从冷态到热态时,慢化剂温度效应所引起的反应性的变化;Ⅱ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;Ⅲ平衡氙和平衡钐所引起的反应性变化五.化学补偿控制硼微分价值硼浓度对堆芯反应性的补偿效率的度量用硼微分价值来表示,它等于堆芯冷却剂中单位硼浓度变化所引起的堆芯反应性变化量,可表示为::为堆芯反应性变化:为堆芯硼浓度变化硼微分价值总是负值,其大小(绝对值)与堆芯硼浓度、冷却剂温度(密度)和燃耗深度有关,一般随硼浓度的增加、冷却剂温度的升高和燃耗的增加而减小。硼浓度加浓或稀释所引起的反应性变化:例如:假设运行中负荷以1%/min速率下降,反应性功率系数近似为15×10-5/%功率,则所需补偿反应性速率大约为:一般硼的注入速率。设堆芯寿期末硼浓度CB=300ppm,硼的微分价值为12×10-5
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