第十章裂变产物和毒物

一、裂变产物毒物的裂变中物叫。135Xe、149Sm是两种最重要的裂变毒物二、 同位素的产生与消核反应堆电厂运行过程中，核中的易裂变同位素235U，不断地燃耗掉，可转换同位素238U核俘获中子后，又可转换成易裂核中各种重同位素的核密度，将随反应堆运行

图铀－ 循环中的重同位素易裂变同位素235U成分不断减少,易裂变同位素239Pu成分却在增加。随着堆芯燃耗的不断加深，239Pu的裂变可产生更大的功，从而降低了235U的燃耗速率在燃耗较深的情况，对能量输出有贡献的易裂变同位素主要包括235U、239Pu和241Pu

中主要同位核密度随时间的变当燃耗低于20000MWd/tU时，对输出能量主要是235U核裂变的贡献；而燃耗高于30000MWd/tU时，输出的能量239Pu核裂变释放的能毒性的定义:被毒物吸收的热中子数与 吸收的热子数的比PUP Ua ：毒物的热群宏观吸收截面a 的热群宏观吸收截aU Ua三、氙135Xe是所有裂变产物中最重要的一种毒物，在中子能量0.025eV时微观吸收截面为2.7×106质量数为135的裂变产物的衰变三、氙三、氙

氙产生直接从裂变中产产物碘的衰135Te 19.2

I6.7小

135辐射俘获衰变成135Xe

135Cs9.2小 2.3106

135Ba（稳定135I和135Xe的产生率 135Xe浓度的时间变化率方程

)

a, （一）堆启动时对于新的堆芯，15和5的初始浓度为零。若反应堆在似地认为=0时刻，中子通量密度瞬时达到额定值，并保持不变。和N(t)If[1exp( I (t)(IXe)f1 )tXea,Xe Ifa,XeXe

a,exp[(Xea,Xe)t]和N(饱和）If I （IXe)fXe饱和）＝

Xea,Xe（一）堆启动时热中子通量密度为1014中子/cm2·s，反应堆在稳定功率运行工50h，135I和135Xe的浓度堆启动后的135I和135Xe的浓度随时间的变135Xe平衡浓度所引起的负反应性就称为“平衡Xe毒”（一）堆启动时从零功率开始阶跃变化后的氙反应性随时间的变（一）堆启动时热中子反应堆中，毒物的反应性当量可表示

NXea,P UP a135Xe的反应性效应正比于其浓

Ua （IXe)fXe饱和）＝

Xea,Xe（一）堆启动时反应堆在不同功率水平下运行较长时间后所引入的平与不同功率水平相对应的平衡氙毒反应（二）停堆后（二）停堆后

Xe

I

)

NXe零。此时堆内存在的135I继续衰变成135Xe，但135Xe不能由于吸收中子而减少衰变来减少。 （二）停堆后停堆后，135I继续衰变生成135Xe135Xe不再因吸收中子而减少，且135I衰变成135Xe的速度要比135Xe衰变成135Cs以后，由于135I浓度逐渐减少，135Xe不断衰变，Xe浓度（三）碘反应堆在某率下运行较长时间后降功率或停堆，此时135Xe的生成量大于消耗量，由此引起135Xe的浓度逐步增大，达到最大值后又逐步衰减，直至浓度降到零。ex随时间变化刚刚与135Xe的相反。由于135Xe主要来源于裂变产物碘的缘故135Xe浓度达到最大值时所对应的负反应性，就被称之为“碘坑”。降功率运行时同样会出现“碘坑”（三））碘坑括为。1中子通量密度的下降（ ），使135Xe靠俘获中子的几率降低（ ）2135I衰变成135Xe的半衰期比135Xe因衰变 的半衰期要，因而造成135Xe以上两个原因使135Xe的浓度增3由于135I浓度逐渐减少，135Xe的衰变超过135Xe135Xe不再生成而只有衰变（停堆时），135Xe的浓度（在长时间停堆后135Xe逐 ）t1——碘坑tp——允许停堆时tf——强迫停堆碘坑深度：停堆后反应性ex下降到最小（四）反应堆功率变化引起135Xe变假如反应堆在某（135Xe、135I已达到平衡浓度），现在，在t=0时，功率阶12。堆芯内135Xe与135I的浓度也相应的变化，且与堆功率变化前后图给出了堆功率变化前后，135I、135Xe和剩余反应性随时间的变化。当o功率阶（五）在大型热中子反应堆中，在堆芯某一区域中由于某种。氙振荡是反应堆内氙的空间分布随时间作周期（四）产生135Xe振荡现象是有条件高热中子通量密度，一般要大于1013中子/cm2s反应堆尺寸很大，一般要求堆芯尺寸大于30135Xe振荡示意

视，其可能会导致堆芯核元件局氙振荡 氙振荡的控由于氙例如采用部分长度控制棒可以抑制压水堆中轴向的氙振荡。如果反应堆具有较大的负慢化剂温度系数，则也可以克服氙的不稳定性，因为局部的温度变化会抵消由氙引起的中子通量密度变化。四、钐149Sm在中子能量为0.025eV时微观吸收截面为4.08×104靶产生：149Pm裂变149Nd(钕 149Sm与135Xe不同，是稳定的同位素（其半衰期：149Sm唯一的损失途径是0149Sm1n150Sm0149Sm及149Pm浓度随时间的变当时间足够长时，可得149Pm、149Sm的平衡（饱和）求得由149Sm平衡浓度引起的（一）启动时堆的反应堆启动后的149Sm毒性随时间的变（一）启动时堆的反应堆在启动时，NPm（0）=NSm（0）=0。当时间（t

）时，可得149Pm、149Sm的平衡（饱和）浓度。核的产生率等于 率时的钐浓度称为平衡钐浓度 ()Pm

a149Sm的平衡浓度与热中子通量密度平衡钐浓度所引起的反应性变化值，即为平衡 NSm()

Pm （一）启动时堆的在约400h后，149Sm达到了平衡毒性。135Xe与149Sm相比，由于135Xe的热中子吸收截面远远大于149Sm的热中子，而且1（二）停堆后的假设停堆前已经运行了相当长时间，堆内149Pm、149Sm都已平衡浓度。当在t=0时突然停堆，此时149Sm随时间的 (t)PmfPmf[1ePmt (t)PmfPmf 为停堆前稳定功率时的热中子通量

在不同功率下长期稳定运行停堆钐毒反应性变化S由S不发S149Sm浓度将会逐渐趋于某个与停堆前中子通量密度的浓度值小掌握毒掌握两种最重要的裂变毒物：135Xe、149Sm氙产生 途掌握碘坑强迫停堆掌握氙掌握钐产生 的途原因五、堆芯寿期、燃耗、 转换与换降到（。）行时间的增长，keff逐渐减（一）将控制棒全部提出和硼浓度降到最低，keff随燃耗keff随燃耗对压水堆核电厂运行，通常将堆芯寿期分成寿期初（。寿期中（MOL）及寿期末（EOL）3渡及（二）燃 燃耗 贫化的一种度量，随着燃耗的增加， 经释放的能量增加，还可以释放的能量将减少燃耗表0。（二）燃从堆芯卸出后不再重新放入堆芯使用 组件（ ）所具有的燃耗深度称为卸料燃耗深度它受两方组件的抗辐照性能。只有高性能 组件才承受高的。高温堆补偿燃耗的反应性是靠随时卸出燃烧过 球再加入新 球和已经燃烧过但还没有达 球。芯，次料模每个 在个期个球，加入 个新 球和 个燃烧过的没有达到燃耗 转核质量丰度同位素质半衰现在，对压水堆电厂和高温气冷堆， 主要是经过－钚循环，其核反应238U(n、)239U 将可用以生产易裂变同位素的核素238U称为可转换同位素而通过可转换同位素产生易裂变同位素的过程，称作转换压水堆电厂中 的富集度约2％～3％，经过一段时间的运行，卸下中含有一定量的239Pu。如果将所产生的239Pu从卸下 中提取出，加工成 再装入堆内或在堆中加以利用，这样的过程就称之为铀钚循环 利用效率可以表示为其中生成的易裂变核素（各种核）与所消耗易裂变 比产生的易裂变核 消耗的易裂变核 增殖堆压水堆内，可转换材料238U转换生成易裂变的239Pu，239Pu的一部分在运行期间参与核裂变反应。然而，所产生的239Pu核总数小于所消耗的易裂变核素235U核为了充分利用天然铀的可用能量必须进行增殖，此时产生的易裂变材所消耗的数量压水反应堆的转换比（CR）大约等于在快中子堆内，采用钠冷却剂，二氧化钚－239（易裂变材料）及二氧－238（可转换材料）。可望获得（四）换 装载方式以及选择较佳的料周期、换料方案等，以 循环成本达到最小换料周两次换料之间的时间间隔，称之为换料周期现在世界上的压水堆电厂，一般换料周期为一年左右，每次只更换1/3的堆 装载量大亚湾的换料周期是18个AP1000的换料周期设计为18—24球床式高温气冷堆采用的是换料压水堆电厂的堆芯都采用分区在这种堆芯装料方式中，共分3区，最外一区是富集度较高（约3%）的 中心区则采用不同富集度（一种约2%，一种约2.5%）的 交替排列着。在换料时，新的 组件（约3%富集度）装在最外区，而原来在外区已照过的组件分散交替地装在中心区 组在卸出堆芯前一般要烧3个循环高温气冷堆换料球床式高温气冷堆可以实现不停堆连续装卸料球床式高温气冷 管理方式可以选择“一次通过”或“次通过为轴向通量分布，使全堆芯，HTR-PM采用“多次通过”的管理方式。球通过堆芯的次数取决于对轴向通量的要求、堆内温度分布、装卸系统的运行能力、失压事故后最高温度、以及反射层石墨的辐照等诸多因素。经过优化选择，HTR-PM选择球15次通过堆芯的管理球床式高温气冷堆换料方案分为两个初装堆芯，是 球和石墨球按一定比例装入堆芯 入新 球、燃耗过的 球和部分石墨球，逐渐将堆芯内的2）平衡堆芯，采用15次通过换料的模式，即每 球 采用15次通过的换料周期的目的是保证单球最大功率比较小，堆内功率分布比较平坦，提高堆芯的功率对比

初装大

过渡逐步

平衡全部 加深至燃耗限燃耗

对比装料/卸循环速

1:1混合料/石

过渡堆元件/石墨球（满功率3个月）高富集度元件/低富集度元件（满功率3个年

集 元/石墨球内添加适量的可燃毒物。初装堆的元件燃耗，在与