chapter11反应堆的物理启动

反应堆的物理启动本科教学（48学时）2023/2/10哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟ABCⅠⅡ60.反应堆物理启动试验⑴目的物理启动是指反应堆的首炉装载或更换燃料组件后反应堆的首次启动。其主要目的是充分了解反应堆的物理性能，指导反应堆的安全运行。具体包括：使反应堆安全的、顺利的首次达到临界状态；在零功率状态、以及在逐步提升功率至额定功率状态下稳定运行过程中的各功率台阶上，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；2023/2/11哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟60.反应堆物理启动试验2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2对堆内和堆外的核仪表系统的性能进行测量和检验，对堆外核仪表系统进行刻度，以便对反应堆的运行状态提供正确、有效的监测，并对控制保护系统提供正确的核测信号；通过对堆芯硼浓度和功率分布的监测，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；证明安全分析中的一些假设条件是正确的。60.反应堆物理启动试验2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3⑵内容反应堆物理启动试验一般分为：反应堆首次临界、低功率试验和提升功率试验三大部分。①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。60.反应堆物理启动试验2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4主要试验内容包括：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；Doppler发热点（核加热点）和零功率物理试验功率水平的确定；反应性仪的校正试验。60.反应堆物理启动试验2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5②低功率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。主要试验内容包括：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（P<2％FP）。60.反应堆物理启动试验2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6③提升功率试验通过临界和低功率试验，为反应堆的安全运行提供了必要的试验数据，反应堆可以逐级提升功率，一般分为15％、25％、50％、75％和100％等几个功率水平。在每一级功率水平上都要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。60.反应堆物理启动试验2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7主要试验内容包括：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。61.反应堆内的外中子源⑴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主要是：“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。2023/2/18哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟61.反应堆内的外中子源2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟9提升61.反应堆内的外中子源⑵几种外中子源①(α,n)中子源利用放射性同位素226Ra、210Po、239Pu或241Am发射出的α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：2023/2/110哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟61.反应堆内的外中子源210Po的半衰期较短，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。2023/2/111哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟61.反应堆内的外中子源②自发裂变中子源对于重核，其不仅可发生诱发裂变，还能够发生自发裂变。比如：235U和238U。对于适合做自发裂变中子源的重核，应当具有较大的衰变常量λ或较小的自发裂变半衰期T1/2。目前使用的自发裂变中子源为252Cf，其自发裂变的半衰期为85.5a，α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。2023/2/112哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟61.反应堆内的外中子源③(γ,n)中子源Ⅰ.123Sb-9Be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(γ,n)中子源。例如：123Sb-9Be源，其反应式为：2023/2/113哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟61.反应堆内的外中子源次级源在反应堆运行后，经过中子辐照被充分活化，很快便能满足反应堆启动安全监督的要求，从而替代初级中子源的作用。这种源在反应堆停堆后会发生衰减，但在反应堆启动后，强度又很快恢复。2023/2/114哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟61.反应堆内的外中子源Ⅱ.2H源在压水堆中，含有大量的水，其中含有数目可观的2H。其在γ光子的辐照下，会发生以下反应：这也是一种中子源。2023/2/115哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程⑴有外源时的稳定状态①有外源时的临界解当反应堆含有外源时，体系的点堆动力学方程可写为：2023/2/116哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程或者可写为：【问题】在有外源的情况下，反应堆能否达到临界？这个问题转化成数学描述为：在临界（ρ＝0）的情况下，点堆动力学方程组是否存在稳态解？2023/2/117哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟18根据点堆动力学方程有：当反应堆达到临界时，有：ρ＝0或Keff＝1从而可得：62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟19如果在临界时稳定，显然还要求：由于q0≠0，和必然不能同时为0。因此当堆芯内含有外中子源时，达到临界的反应堆并不稳定。62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟20②有外源时的稳态解【问题】有外中子源的反应堆，是否无论在任何情况下都无法达到稳定？对于稳态解，便意味着n(t)和Ci(t)都不随时间变化，此时有：62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟21上式整理可得：稳态时堆芯的中子数密度和缓发中子先驱核浓度为：62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟22③稳态解的分析对于n和Ci的表达式，从物理上显然要求：n>0另一方面有：从而可得：ρ<062.有外中子源时的启动物理过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟23这意味着此时反应堆处于次临界的状态。根据ρ和Λ的表达式：可将中子数密度n的表达式写为：62.有外中子源时的启动物理过程⑵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K，此时有一个中子源，其在每代过程中都能放出S0个中子：第0代末时的中子数N0：S0；第1代末时的中子数N1：S0·(1＋K)；第2代末时的中子数N2：S0·(1＋K＋K2)；第3代末时的中子数N3：S0·(1＋K＋K2＋K3)；……第m代末时的中子数Nm：S0·(1＋K＋K2＋……＋Km)。2023/2/124哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程从而有：由于每一代的时间间隔很短，从而在宏观上较短的时间内，可以认为反应堆内的中子已经经过了足够多代的增殖，从而有：2023/2/125哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程如果定义次临界系数M为：那么上式可改写为：上式也称为次临界公式。2023/2/126哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程将次临界公式和前面通过点堆动力学方程得到的结果进行比较，可以发现二者形式是一致的：2023/2/127哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程⑶外推法①外推公式将次临界公式改写为以下形式：上式也称为外推公式。可见，1/N与堆芯的有效增殖系数Keff成线性关系。2023/2/128哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/129哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程根据外推公式的性质，只要给出任意两点的坐标，那么马上便可确定整条直线。将这条直线延长，使其和横轴相交，此时有：即交点即为临界点。因此可利用其来预测堆芯的临界点的物理量取值。2023/2/130哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程②外推法的实际应用如果认为某些物理量与反应堆的反应性成线性关系，便可以这些物理量作为横坐标。此时曲线与横坐标轴的交点便为堆芯临界时所对应的该物理量的值。2023/2/131哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/132哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/133哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟62.有外中子源时的启动物理过程2023/2/134哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟63.反应堆的首次临界过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟35⑴基本过程反应堆由次临界向临界过渡，都是通过减少堆内的控制毒物，向堆内引入正反应性来实现的。为了使反应堆安达到次临界，在物理试验过程中通常采用外推临界法：向堆芯引入正反应性，此时应当遵循法则，即：反应性添加量为当时最大添加量的；不断重复上述过程，反应堆即可趋近临界状态；63.反应堆的首次临界过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟36当反应堆很接近临界时（此时要求Keff的值比较大，Keff>0.996），一次性引入较大的正反应性，使得反应堆达到超临界，中子计数上升；当中子计数达到试验规定要求时，再向堆芯内引入负反应性，使反应堆达到临界，从而完成反应堆的首次临界。63.反应堆的首次临界过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟37⑵具体例子下面以电站用压水堆为例进行说明。①提升控制棒组件此过程内容包括：初始工况下，控制棒组件全部插入堆芯内；开始提棒时，按照最佳提棒程序依次提升控制棒；将主调节棒提升至相当于积分价值为100pcm的插入位置处；在提棒过程中，应当密切观察核测量系统源量程测量通道内的中子计数；根据中子计数的变化情况，随时调整控制棒组件的提升速度；每提升若干步，应当根据该阶段的测量结果修正外推临界值。63.反应堆的首次临界过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟38②减硼向临界接近此过程内容包括：通过化学和容积控制系统的上充泵将补给水以规定的流量注入堆芯，同时将相同数量的冷却剂排向硼回收系统；投入稳压器的全部电加热器，并打开喷雾器，使两者之间的硼浓度差值小于20pcm；按物理设计要求，因硼稀释引起的反应性增加速率不得超过1000pcm/h；减硼过程中，每隔一刻钟停止稀释，对一回路系统和稳压器做取样分析，并测量中子计数率；根据测量结果修正外推临界值；重复上述过程直到反应堆的次临界度约为-50pcm为止。63.反应堆的首次临界过程2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟39③提棒向超临界过渡当反应堆的次临界度约为-50pcm时，提升主调节棒组，向超临界过渡。若经过最后一次减硼操作，经充分混合后，系统已经达到临界。此时可通过微调主调节棒组，以中子计数每分钟增加10倍的速率，提升堆芯功率到零功率规定水平；然后插入主调节棒组，使反应堆重返临界。在减硼稀释后，如果按规定速率提升主调节棒组达到抽出极限，反应堆仍未达到临界，则必须重新插入主调节棒组，再以300pcm/h的速率继续减硼，重复上述操作步骤，直到出现正周期为止；然后，提升功率到规定水平。64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟40⑴测量方法①周期法在前面，曾经得到倒时方程：通过该方程，便可求出反应堆周期与反应性之间的关系。64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟41对于压水堆而言，中子的寿命一般都小于10-4s，上式右边第一项可以近似忽略。方程简化为：在根据反应堆周期仪表测出反应堆的稳定周期T0后，通过上式求出反应性ρ。实际中为了方便，可将反应性与T0制成表格，试验测量出T0后直接通过查表便可求得相应的反应性。64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟42周期法的优点是：设备简单，准确可靠，不受中子探测器位置的影响，测量精度可达2％～3％。主要用于刻度棒的微分价值。周期法的缺点是：测量时间长，只适用于在零功率工况下测量小的正反应性，不适于控制棒的积分价值刻度。64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟43②逆动态法对于点堆动力学方程，有：通过上式可以求得：64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟44若初始条件为反应堆运行在稳态，可得：任意时刻的反应性便可由动态方程逆向求解得到：64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟45将前面的结果代入可得：只要测得堆芯内中子数密度n(t)，便可求得反应性ρ。这种方法称为逆动态法。对于逆动态法：可以对控制棒进行刻度，测量阶跃反应性；也可用于测量某些参数变化时带来的反应性变化；逆动态法的实际应用范围并不仅限于反应性测量。64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟46⑵反应性测量试验举例①控制棒价值和硼价值确定考虑到反应堆的温度效应，在核电厂正式投入运行之前，需要分别测定：在热态零功率和其后的各个不同功率水平，控制棒组件价值和硼价值；调节棒组件在不同位置的微分价值、调节棒组和停堆帮组的积分价值；不同浓度的硼水所能补偿反应性的能力。64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟47目前大型压水堆上普遍采用的方法，是通过调节硼浓度，利用反应性仪测定控制棒组件的微分和积分价值，以及整个控制棒组件行程范围内的硼微分价值。试验原理如下：采用充排水方式，由上充泵向一回路系统注入除盐水（或浓硼酸），对冷却剂硼浓度进行稀释（或加硼）；冷却剂硼浓度改变所引起的堆内反应性变化（增加或减少）速率，应当控制在不大于50pcm/h；64.反应性的测量方法2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟48同时周期性插入（或提升）控制棒组件作及时补偿，使反应堆始终维持在临界点附近；通过反应性仪和堆外核测量系统监测反应性和中子通量的响应；根据测量结果，可以绘制Δρ/Δh－h