反应堆物理-第九章性系数

一、 七、功率系数与功一、反应（一）反应性是表征链式核反应系统偏离临界程度的一个参 1 当反应堆处在临界状态时，keff=1，反应性ρ等于当反应堆超临界时，keff>1，反应性ρ大于零，为正值当反应堆次临界时，keff<1，反应性ρ小于零，为负值（二）单例：反应堆的有效增殖系数keff=0.90，反应堆的解1

111.1%k/

例如，ρ=-11.1%∆k/k=-11100PCM元反应性也常用“元”为单位，1元反应性为1βeff，βeff效缓发中子份额，也记作1$。假如堆的βeff＝0.007∆k/k，即＝700PCM缓发中子份额β定义为：裂变过程中所产生的缓发中子裂变中子裂变产生的总中考虑六组缓发中子，则缓发中子份额66其中，βi为第i组缓发中子的份将反应堆动力学方程中的参数βi修正为6 i6iβeff通常称为有效缓发中子份βefβ与βeff之间βeff=β× ——缓发中子价值因子，通常取： 反应性

1)/

是应用在keff接近于1（临界比较小）的情况；但对于假设有几个βf或kf偏离1较大lnkeff,2keff结果很接近。尽管对两种方法中任何一种所得的结果都是认可的，但当keff偏离1

ln(keff,2/keff,1

所得结过剩反应过剩反应性kex定义

kexkeff对一座典型压水型反应堆，其第1循环的keff=1.26，因此，过剩反 ln1.260.2311k/k23110 在这个循环寿期末，keff减少到约1.05，即kex=0.05或5％∆k剩余反应性ρ’exln1.050.04879k/k4879 二、反应性系数当核电厂处在正常运行工况下，由于某种原因核电厂的运行参数，如功率、压力、温度及堆芯内空泡等发生变化时，堆芯的反应性也发生相应的变化。如果堆芯产生了变化，为了维持反应堆在相同的功率下稳定运行，必须进行某种补偿。这种补偿，通常可以通过控制棒的动作来实现，也可以通过改变堆芯内硼的浓度来实现（压水堆）反应性系该参数的。

空泡系

温度系控制棒的温度堆芯温度启动过程中，堆芯温度从冷态温度向热态温度运行工况改变时，堆芯温度相应发生堆芯内温度变化时，中子能谱、微观截面等都将相应地发生变化。因为，与反应性有关的许多参数，如热中子利用系数、逃脱俘获概率等都是温度的函数。所以，当反应反应性温度系数及其对核反应堆稳定温度系数：单位温度变化所引起的反应性的变 表T1keffkeffk k1

。若温度系若温度堆芯温度升高→反应性增加→反应堆功率升高→堆芯烧堆芯温度下降→反应性减小→反应堆功率下降→三 温度系数(多普勒温度系数 反应堆的热量主要是在中产生。当功率升高时，温度立即升高，的温度效应就立即表现出来所以瞬发温度系数对功率的变化响应很快，它对抑制功率增和反应堆的安全运行起着十分重要的有效整个反应堆堆芯和。有些问题要通过温度来求Dp的吸收，为此定义过两种有效逃脱温度，用于计算温度（Dopplr）。局部径向温度分布：芯部中心温度； 棒表面温TM：慢化剂温度第一种是单棒有效温度 所以有效温度低 棒的平均温度第二种是堆 有效温度 温整堆因子量对脱 率较响这堆的有效温度比堆芯 平均温度高 温度系数是负的

效应（多谱勒展宽

逃 俘

反应堆功率下

HTR-PM平衡堆芯额定工况 温度系数-4.36e-为什 温度Tf越高逃 吸收几率p越小 吸收几率p是快中子慢化成热中子过程中逃脱 吸收峰的几多谱勒 温度低的时候 峰又高又窄， 温度升高后，238U的σa峰高度下降了，然而却变宽了 峰的降低意味 能量的中子被吸的几率减少，中子 中穿行距离增加，238U增加了更宽能量范围的中子，即振能量稍高和稍低的中子现在有较大吸收。因此温度较高时 的中子被 Doppler效Doppler效应本是声学物理中的一个规律——由辐射源相对于观察的运动，而引起观察到辐射波长的改反应堆物理中，即为238U原子热运动产生的截 峰的展宽现象最低能量的238U

随 温度的升高 峰的变低和展宽，这种效应称之为Doppler展宽Doppler展Doppler实上核是的缚在个晶里原子振动，这动表示靶核有一定的速度，在是振动核来测子的对动。先考虑U最低的 峰（相对能量67e处），若靶核不振动，则具有6.7eV动能中子以大的率吸。随着温度的升高，238U原子振动加剧，具有6.7eV动能进入中的中子靶核238U核的可能性减少了；但是，6.7eV左右的中子与靶核进行反应的可能性增加了，亦即，6.7eV处的峰下降了，偏离峰（附近）能量的中子吸收芯块到达芯块内层的中子必定先经过芯块的外层，能量相当于峰区能量的中子进入芯块时有很大的概率在芯块的表面就被吸收，而不会达到芯块的内层；若中子不具有峰区的能量，它的截面就低，就有可能不发生核反应而穿过芯块。因为这种效应 芯块本身对某种能量中子产生 作用，所以称自屏效 温度增加时，Doppler效应引 峰展宽，吸收几率发生变化 能量的中子在被吸收之前进一步穿 。虽然中子进一步穿芯块，但238U足以吸收所 能量的中子能量 峰左右的中子，现在有较大的可能 吸收因此温度较高时，所有 中子几乎都会被吸收 峰左右 中子会被吸收 图2（展宽之后定性地解 芯块的自屏效 P（a）＝1－e-其中λ为x为中子穿一般认为x＝5λ时，中子几乎都被吸收了[P（a）→1] 芯块中心，这就是自屏影 温度系数的主要因238U和240Pu有效燃耗的影Doppler系数 有效温图给出了温度系数与平衡堆芯平均温度的函数关系，当平均温度升高时，温度系数的绝对值变小，温温度系数与平衡堆芯平均温度的函数关Doppler系数 有效温温度在温度高时寿期末要比寿初负得少一些随着温度的降低到一定温度后，寿期末的温度系数要比寿期初的变得更负Doppler系数 有效温 堆芯随着运行寿期，238U的快裂变和238U转换成239Pu使得238U有所消耗、积累了一定数量的240Pu在寿期末，温度低240Pu在中子能量为1eV附近有一个很强的吸收峰。由于240Pu的积累使得Doppler系数在较低温度时变在温度高时寿期末要比寿期初负得少这是因为240Pu中子吸收截面在高温时大为减少，240Pu的自屏效应不明显了。Doppler展宽，不引起吸 此时，238U的消耗比240Pu积累更重要四、慢化剂温度慢化剂的温度每变化一度所引起的反慢化剂温度系数属于缓发温化要比所以，慢化剂温度效应滞后于功率的变化，故慢化剂温系数属于缓发温度系压水堆，一般用水作慢化剂温度系数的正或负，取决于中子的吸收与慢化一般要求整个运行期间慢化剂温度系数为负慢化剂温度增加时，慢化剂密度减小，慢化剂相对著。高温气冷对于采用石墨慢化的高温气冷堆，石墨密度随温度的变化可。核密度及核截面的变化引起的。随着堆芯慢化剂石墨的温度增高，堆芯的泄漏加大，并且25的裂变减少。这些变化均使得堆HTR-PM平衡堆-0.941e-5Δk/k/影响慢化剂温度慢化剂温控制棒的堆芯的燃裂变产物的积慢化剂温由于随温度增高慢化剂的慢化能力变化的相对值变小的控制棒的当堆内有棒插入时，慢化剂温度系数更负堆芯的在堆芯寿期内，燃耗和裂变产物毒物（主要是氙和钐）积累，使得反应堆具有负的慢化剂温中子谱：反应堆内无毒物时，中子随能量的分布，即中子xWl堆内中子硬化的中堆内裂变产物随燃耗的加深不断积累，其中许多裂变产物是1/v，使堆内中子谱硬化当堆芯中增加了收截面随中子能量（速度收体吸收得，结果出现了热中子分布峰向能量较高的超热区偏移。堆芯的燃燃耗和裂变产物毒物的积累，使堆内毒物吸收增加，使芯能谱变硬，238U和240Pu低 吸收增加，同时也235U和239Pu的α（裂变与吸收比）比值下降，对反应性起负的效低，使堆芯中子τ和扩散长度L增大，即中子泄漏增加，这些都使堆的有效增值因子减小，因而具有负的慢化球床高化剂温度系数的大小135Xe的影响在同一135Xe浓度下，随着温，由于135Xe的吸收剧 降，是化剂温度系数绝对 慢化剂温度系数随平均温的变五、反射层温度反射层温度系数是反射层温度增加1反射层的反射层的温度要低于堆芯的温度，其温度的变化也滞后于堆芯功率的化反射层的温度系数为正温度系 HTR反射层分为侧反射层、顶反射层和底反射层，均为石墨以10MW球床式高温气于石墨的快中子慢化长度（τ=352cm2）及热中子扩散长度（L=59cm）较大，因而堆芯中有相当一部分中 漏出堆芯，逸出石墨反射。在平衡态下，堆芯泄漏出来的中子份额 率的29.7%当反射层温度升高时，反射层中的中子能谱硬化，这墨对中子的吸收截面降低，而反射入堆芯的中子份，中子泄漏减小，因而keff增加因此，反10MW球床式高温气冷堆,平衡态下反射层的温度系数为3.82e-5Δk/k/℃，冷态下的反射层温度系数为6.96e- ，平衡态额定工况下，反射层总的温度系数为六、进水反M高温气冷堆一回路采用氦气作为冷却剂，蒸汽发生器二次侧是水和水蒸汽，其压力高于一次侧氦气的压力。如果蒸汽发生器的裂，水蒸汽会进入反应堆堆芯元件间的空隙部分。。高温气冷堆内裂变中子在堆芯内慢化是不充分的 元件中所含的重金属量。HTR-PM的每 元件中重 裂变中子在元件随机装料的情况下，堆芯元件的填充率为0.61，堆芯中有约39％的空间为氦气所填充。当反应堆堆芯事故进水时，这些空隙将为含水蒸气的氦气芯有效增值因子ke发生变化。这种变化主要由三个因素所造成的：水的慢化能力比石墨强（约为石墨的25倍）对于慢化不充分的堆芯，当水进入堆芯后，由于其慢力的增强，堆芯的keff值将会加大水对热中子的吸收比石墨强（水的热中子的吸收截面约为倍）当水进入堆芯时，由于吸收的增加会使堆芯keff值减小中子在水中的慢化长度和扩散长度比石墨小当水进入堆芯后，由于中子的慢化长度和扩散长度的减，而使堆芯中子的泄漏减少。这个因素会造成堆芯keff增加堆芯进水所引起中子慢化能力的增强与水对热中子吸收变化所引起的当进水量较小水对中子慢化能力增强与对热中子吸收增加相比，慢化能力增强起主要作用，因此反应堆的kef值变大，反。随着堆中子的慢化由不充分变为充分，如果进水量继续增加，中子吸收增加将起主要作用，此时反应堆的k值将变小，。HTR-PM堆芯进水量与反应在空隙中水蒸汽分压约为180bar时，反应性达到最大值七、功率系数与功功率系数综合 温度（多普勒）系数、慢化剂温度数和反射层温度系功率系数表示为功率每变化百分之一时反应性即

功率。它在整个堆芯寿期内总是负功率亏从核电厂运行的角度上，更有意义的是功率系数的积分值，即功率亏损。是指当反应堆功率升高时，向堆芯引入功率亏当反应堆从某率水平升高至另率水平时，必须向。相反，当反应堆在高功率运行后降功率运行时，就会向反所以，反应堆从某率水平升高到另率水平，一定正的反应性（。引入正反应性的方法，可以提升控制棒，增加 球也可以Doppler功率亏功率系数（Do