chapter09反应性的控制方式

反应性的控制方式本科教学（48学时）2023/2/30哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟56.反应性控制的任务及实现方法⑴反应性控制的必要性在反应堆从启动到最后反应堆换料期间，反应堆的反应性是不断变化的：反应堆启动后，从冷态过渡到热态，然后再提升至满功率运行，由于温度效应会向堆芯引入负的反应性；反应堆运行期间，裂变毒物的产生和积累，向堆芯不断地引入负反应性；反应堆运行过程中，反应堆的反应性不断减小；反应堆的工况发生变化时，将会向堆芯内引入正的或负的反应性。在意外情况下，需要紧急停堆。2023/2/31哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟56.反应性控制的任务及实现方法2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2⑵反应性控制的任务根据反应堆运行过程中堆芯反应性的变化，反应堆控制的任务是：补偿控制：控制反应堆的剩余反应性的释放，以满足反应堆长期运行的要求；功率调节：满足二回路负荷变化的要求；紧急控制：出现事故时能够迅速停闭反应堆。56.反应性控制的任务及实现方法2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3对于不同的任务，其对反应性调节的要求也不同。比如：对于剩余反应性的控制，要求反应性改变缓慢、持续时间长；对于事故时的紧急停堆，要求引入的负反应性足够大，速度足够快，并且要可靠；在一般调节功率时，希望造成的反应堆功率分布的畸变比较小。56.反应性控制的任务及实现方法2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4⑶反应性控制的基本原理与主要方式①反应性控制的基本原理对于热中子反应堆，其有效增殖系数为：Keff＝εηfp·PL通过改变上式中的因子可以改变堆芯的反应性。实际当中，主要是通过改变热中子利用系数f和中子不泄漏几率PL来实现对反应性的控制。56.反应性控制的任务及实现方法2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5②反应性控制的几种方式实际中，常用的控制方式有以下三种：控制棒控制可燃毒物控制化学补偿控制以上三种控制方式中，控制棒控制几乎是所有的反应堆都必采用的方式之一。56.反应性控制的任务及实现方法2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6⑷反应性控制中的几个概念【定义】控制毒物反应性

某一种控制毒物投入堆芯所引起的反应性变化，称为该控制毒物的反应性，用符号Δρi表示。【定义】停堆深度

当全部控制毒物都投入堆芯时，反应堆所达到的负反应性称为反应堆的停堆深度，用ρs表示。其表达式为：56.反应性控制的任务及实现方法2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7在设计反应堆时，堆芯应当具有足够的停堆深度。【定义】总的被控反应性

总的被控反应性等于剩余反应性和停堆深度的绝对值之和，即：Δρ＝ρex＋|ρs|显然，总的被控反应性即是控制毒物所应具有的毒性的大小。57.控制棒控制⑴控制棒控制的特点及应用①控制棒控制的优、缺点控制棒控制方式具有以下优点：控制速度快；可靠性高；控制方式灵活。其具有相应的缺点：对堆芯功率分布和中子通量分布扰动大；需要额外的控制驱动机构。2023/2/38哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟9②控制任务基于控制棒的特点，其主要用于以下任务：补偿功率变化过程中的Doppler效应；补偿慢化剂温度效应和空泡效应；功率变化时的瞬态135Xe效应（135Xe振荡）；硼稀释效应；当反应堆出现紧急情况时能够迅速、安全停堆。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟10⑵控制棒的结构①控制棒组合传动在典型（常见大型）的压水堆中一般采用控制棒组合传动的方式。②十字形控制棒组件在一些小型（体积比较紧凑）的反应堆中，采用十字形控制棒组件：控制棒排列成一个十字形，装在鞘内，布置在四个方形燃料组件中间。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1157.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1257.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟13⑶控制棒材料的选取①材料选取的基本准则Ⅰ.材料选取准则对于控制棒材料的选择，显然应当选取吸收截面较大的材料。对于吸收截面较大的材料，其有以下问题：消耗很快，随着时间的增加，控制棒材料将会很快的消耗；控制棒在反应堆内的插入长度是变化的，这将导致控制棒下端的材料比上部的材料燃耗大。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟14用作控制棒的材料，其应当满足以下条件：对较宽能量范围的中子有较强的吸收能力；不易消耗，这就要求其吸收中子后的几代产物都应具有较高的中子吸收截面；与堆芯材料相容性好；抗腐蚀、抗辐照性能好；具有一定的机械强度，并且易加工。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟15Ⅱ.黑棒与灰棒根据控制棒材料对中子吸收的特性，控制棒可分为黑棒和灰棒：黑棒：基本能够吸收所有的入射中子；黑棒中子吸收能力很强，其会对功率分布和通量分布造成较大的扰动，使得功率分布较为畸形。灰棒：只能吸收部分入射中子。对于相同的反应性，需要的灰棒数量比黑棒要多，但其对周围的功率分布和通量分布造成的扰动较小，使得功率分布较为平坦。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟16②几种常用的控制棒材料Ⅰ.Hf的特点Hf具有如下特点：对热中子吸收截面较弱（113b），但对超热区的中子具有较强烈的共振吸收，即在较宽的能量范围内的吸收截面都较大；Hf吸收中子后连续产生的几代子核都具有较高的中子吸收截面；57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1757.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1857.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟19具有较好的机械性能较好；抗辐照性能和抗腐蚀性能好，不需要包壳；分离获取比较困难（成本较高）。Hf是制造控制棒的理想材料，但由于其获取困难，成本高。因此，其较多使用在舰船动力堆中。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟20Ⅱ.Ag-In-Cd的特点Ag、In和Cd具有如下特点：Ag对5～6eV附近的中子具有一个较高的吸收峰；Cd对热中子的吸收截面较高（2450b），但是对超热中子吸收能力较低；In对2eV以下的中子的吸收能力很强。实际当中，采用质量分数为80(Ag)-15(In)-5(Cd)的合金，能够在较宽的能量范围内取得较好的吸收效果。

57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2157.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2257.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟23对于Ag-In-Cd合金：在10eV以下的能区具有较大的中子吸收截面；In和Ag都具有较大的吸收截面，并且其燃耗对控制棒价值影响不大；具有较好的机械性；具有较好的抗辐照性能；需要不锈钢包壳，以免与水发生反应。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟24⑷控制棒的价值

①中子价值一个中子处于堆芯不同的区域时，其对堆芯中子增殖的贡献是不同的。也就是说，处于堆芯不同区域的中子具有不同的价值。【定义】中子价值

通常用表示中子的价值，其正比于在点每消失（或产生）一个中子引起的堆芯反应性的减少（或增加）。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟25②控制棒价值Ⅰ.控制棒价值的影响因素控制棒的价值的影响因素有：中子的价值；空间不同处的中子对堆芯反应性的贡献是不同的，因此控制棒插入堆芯不同位置，其所带来（控制）的反应性变化也不同。中子通量密度。控制棒的价值还与中子通量密度Φ有关，因为Φ越大，ΣaΦ也越大，从而对反应性造成的影响也越大。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟26对于单群理论，可以证明中子价值和中子通量密度分布是相同的，即：所以控制棒的价值与插入点的中子通量密度的平方成正比。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟27Ⅱ.控制棒的微分价值与积分价值【定义】控制棒的微分价值

控制棒移动一步或单位距离的所引起的反应性的变化称为控制棒的微分价值，用符号dρw/dz来表示。在反应堆中：在反应堆中心处，中子通量密度大，中子价值也大，因此控制棒的微分价值较大；在反应堆边缘处，中子通量密度小，中子价值也小，因此控制棒的微分价值较小。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2857.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟29【定义】控制棒的积分价值

当控制棒从一参考位置移动到某一高度时，所引入的反应性称为控制棒的积分价值。参考位置可任意选择，一般可选为堆芯活性区的顶端或底端，即控制棒全部提出或插入时的状态。积分价值曲线的斜率便是该点处控制棒的微分价值，从而积分价值曲线：在中间部位近似为直线，曲线的斜率较大，此时控制棒的微分价值近似为常数，且其值较大；在两端变化较缓和，此时控制棒的微分价值较小。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3057.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟31⑸控制棒对功率分布的影响①对功率峰值的影响控制棒插入堆芯时，会使堆芯的中子通量分布和功率分布产生畸变：功率峰下移；功率峰值增大。因而在设计时应当认真考虑控制棒插入对功率峰值的影响，使得功率峰因子不超过规定的限制。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3257.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟33②对燃料燃耗的影响在反应堆运行初期，堆芯剩余反应性较大，因而控制棒插入较深。此时功率峰位于堆芯的下部。因此堆芯下部的核燃料消耗较快。从而在寿期末（EOL），堆芯下部燃料的燃耗深度较大。这将使得功率（通量分布）峰向堆芯上半部移动。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟34⑹控制棒间的干涉效应在反应堆中一般有多根控制棒。当这些控制棒同时插入堆芯时，各自会对彼此的反应性价值造成影响。当控制棒Ⅰ插入堆芯时，会使得堆芯的中子通量分布产生畸变，使得一部分堆芯的通量分布在有的区域变小（区域A），有的区域变大（区域B）。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟35ABB57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟36此时将控制棒Ⅱ插入堆芯：如果控制棒Ⅱ位于区域A中，那么根据控制棒的价值与Φ成正比可知，此时控制棒Ⅱ的价值小于控制棒Ⅱ单独插入时的价值。如果控制棒Ⅱ的位于区域B中，那么此时控制棒Ⅱ的价值大于控制棒Ⅱ单独插入时的价值。上面这种现象称为控制棒之间的干涉效应。考虑到控制棒的干涉效应，通常在设计反应堆时，应使控制棒的间距大于热中子的扩散长度。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟37⑺控制棒的提升顺序当控制棒插入堆芯时，其两端的微分价值最小，而中间部位的价值基本上是线性关系。为了避免反应性引入速率的差异，在控制棒提升过程中，要求相邻控制棒组件的提升有一定的重叠。采用重叠的控制棒提升方式可以得到比较均匀的控制棒微分价值，使得控制棒移动时，堆芯轴向的中子通量密度分布更均匀些。57.控制棒控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3858.化学补偿控制⑴化学补偿控制的特点所谓化学补偿控制是在反应堆的冷却剂中加入化学毒物以控制反应性。通过调节慢化剂（冷却剂）中的化学毒物的浓度来改变堆芯中子的吸收情况，从而实现对部分反应性的控制。

2023/2/339哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟40①化学补偿控制的优、缺点化学补偿控制的优点有：变化均匀，对堆芯中子通量分布的扰动小；不占用堆芯的栅格，节省了堆芯内的空间。化学补偿控制的缺点包括：控制速度慢；需要额外的化学补偿系统；浓度有上限值。58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟41②化学补偿控制的任务根据化学补偿控制的特点，其主要用于补偿时间过程较慢的那些反应性变化：补偿从冷态到热态零功率过渡过程中的慢化剂温度效应；功率变化引起的135Xe和149Sm中毒效应的变化；燃耗、裂变产物引起的反应性效应；可燃毒物的燃耗效应。58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟42③化学毒物的材料选择对于化学毒物，其应当满足以下要求：在冷却剂中，化学和物理性质稳定；具有较大的吸收截面；与堆芯材料相容性较好。目前在反应堆中，通常采用硼酸作为化学毒物。58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟43⑵硼浓度与临界硼浓度【定义】硼浓度

硼的浓度采用以下定义式：即硼浓度等于单位体积内硼和水的质量比。58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟44其单位为：μg/g、mg/Kg。其表示1Kg溶液中含有1mg硼，习惯上常用1ppm来表示，即1Kg水中含有1mg硼时的浓度记为1ppm。当慢化剂的温度增加时，硼浓度变化引入的反应性为正值。因此当慢化剂中的硼浓度过高时，有可能使慢化剂的温度系数变为正值。58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4558.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟46从上图中可以看出：在慢化剂的温度较低时，当硼浓度超过500ppm时，慢化剂的温度系数就变为正值；当反应堆的工作温度（553～573K）下，当硼的浓度超过1300ppm时，慢化剂的温度系数才变为正值。因此，在目前的压水堆设计中，一般把硼浓度限制在1400ppm以下。58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟47【定义】临界硼浓度

反应堆处于状态时，堆芯的硼浓度称为临界硼浓度。随着反应堆的运行，燃耗深度不断增加，堆芯的剩余反应性逐渐减小，因此临界硼浓度也随之减小。58.化学补偿控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4859.可燃毒物控制⑴可燃毒物控制的需求与原理对于大型的动力堆：反应堆首循环，堆芯燃料全部为新燃料，剩余反应性很大；后续循环堆芯的剩余反应性相对首循环较小，不需要那么多的控制毒物；增加控制棒的同时也需要增加压力容器上的开孔数，影响到压力容器的强度；硼浓度有上限限制，不能无限提高。2023/2/349哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟50因此在堆芯内添加一定数目的可燃毒物是最经济、安全的选择。可燃毒物具有较大的中子吸收截面，初期其对中子具有较强的吸收。随着燃耗深度的增加，可燃毒物会逐渐消耗掉，从而反应堆的剩余反应性会缓慢的释放出来。59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟51⑵可燃毒物材料的选择①可燃毒物的选择原则根据可燃毒物控制的原理，对于可燃毒物的选择应当遵循以下原则：对中子具有较大的吸收截面；其反应产物对中子吸收较弱；具有较好的机械性能;理想的可燃毒物，其燃耗所释放出来的反应性与燃料的燃耗所减少的剩余反应性应当基本匹配。59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟52②常用的可燃毒物Ⅰ.10B在压水堆中，一般将硼做成硼玻璃可燃毒物棒，布置在堆芯栅格中。到寿期末，硼基本上耗尽，同时其产物对中子的吸收截面很小，对堆芯寿期影响不大。在早期采用的硼不锈钢，其在硼耗尽后，留下的不锈钢具有较大的中子吸收截面，会对反应堆的寿期造成一定的影响。59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5359.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟54Ⅱ.Gd在压水堆中经常用作可燃毒物的元素还有Gd。Ⅲ.可燃毒物在堆芯内的形式在压水堆中，一般将可燃毒物制作成棒状或管状，然后在外面加上不锈钢包壳，两端用端塞密封。59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5559.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟56⑶可燃毒物对Keff的影响①均匀布置在寿期初，可燃毒物的吸收截面大于核燃料的，其消耗比核燃料的消耗快，从而可燃毒物消耗引入的正反应性大于核燃料消耗所引入的负反应性。因此在寿期初，Keff将迅速增加。随着可燃毒物的消耗，堆芯内可燃毒物的核子数密度降低。59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟57此时可燃毒物消耗所引入的正反应性不足以抵消核燃料消耗所引入的负反应性，Keff曲线开始降低。在整个寿期中，Keff曲线是先增加到一个最大值，然后再逐渐降低。这个最大值与可燃毒物σa的相关：σa越大，Keff对初始值的偏离越大。59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5859.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟59减小σa，可以使得Keff偏离初始值的问题得到改善。但是如果σa过小，可燃毒物的消耗速度也将减慢，使得在反应堆寿期末，堆芯内还剩下没有消耗完的可燃毒物。这可能使得反应堆在其剩余反应性为0之前便停止运行。这种现象称之为寿期亏损。59.可燃毒物控制2023/2/3哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟60如果要求可燃毒物的消耗和堆芯剩余反应性的减小相互匹配，就要求σa应当满足以下特点：在寿期初，σa应当比较小，从而减小Keff偏离初始