核反应堆安全分析3课件

第三章核反应堆瞬态分析基础

反应堆瞬态

点堆动态方程

反应性反馈机理

反应堆动力学模型3.1反应堆瞬态反应堆瞬态是相对于稳态而言的，是指反应堆倍增因子k或反应性变化时，中子通量或功率随时间的变化特性。导致反应性变化的因素：在正常工况时，反应堆的启动、功率提升、停堆、中毒与燃耗等。在事故工况时,控制棒误动作、冷却剂流量丧失等。单位：pcm反应性与有效增殖因子有效倍增因子：表示中子量的增殖比反应性：次临界临界超临界有效增殖因子keff<1=1>1反应性<0=0>0动态方程的一般形式中子密度变化率=中子产生率－中子吸收率－中子泄漏率

：空间某位置与某时刻的中子密度；：裂变中子源项，包括瞬发中子和缓发中子；：外中子源项；：宏观吸收截面；：扩散系数；：中子通量。

单群化处理单能多群瞬发中子和缓发中子中子在裂变过程中的释放功能瞬发中子缓发中子 对控制起关键作用

瞬发临界仅靠瞬发中子可以维持临界并有余由于中子寿命短，功率暴涨中子寿期l

中子产生慢化扩散被吸收的平均时间瞬间释放出的中子，压水堆占99%；中子寿命约为10-14s缓期释放出的中子，压水堆占0.65%；中子寿命约为0.08s缓发中子份额ln点堆动态方程的形式

关于点堆动态方程：

反应堆动态方程中，中子通量和先驱核浓度C

都是时间-空间的函数；

作为近似，假设与C可写成时间和空间变量相分离的两个函数之积。

单一形状因子：瞬态工况发生之前的中子通量空间分布函数。

中子通量与空间位置无关的这种模型称为点堆动态模型，以下方程称为点堆动态方程：点堆动态方程的局限性一系列假设：

单一能量的单群中子扩散；

数学上认为中子通量可按时空变量分离；

物理上取与时间无关的形状因子，等等。都制约了对方程的使用：

单一中子能量模型忽略了缓发中子与瞬发中子之间能量上的明显差别；

单一空间形状因子仅在偏离临界状态不远、渐近周期、瞬态过程变化缓慢等情况下较准确；

点堆动态模型不能给出与空间有关的通量变化，而当堆内出现快速变化的瞬态扰动时，空间效应变得十分强烈；

点堆动态方程在处理功率运行下与时间有关的问题时，必须考虑反应性反馈。9.5%的；t=00.01s内，线性引入。t=0时，阶跃引入时空同时发生变化！点堆动态方程的优点

点堆模型简便，在许多情况下有更广泛应用价值；特别是当局部扰动不大，且在临界附近时，由它所得到的结果还是比较令人满意的，完全能满足一般安全分析要求。

尽管点堆瞬态方程有种种限制，但它可用于分析反应堆的大部分瞬态过程，解释堆内中子通量时间特性的许多内容，研究局部扰动对反应堆堆芯参数的影响；如能结合热工水力模型，还可分析包括一些核热反馈效应在内的瞬态问题，故得到了广泛应用。3.2反应性反馈机理反应性反馈产生于堆内温度、压力或流量的变化。

一般情况下，冷却剂流量比较稳定，可以忽略不计；

压力效应也很小；

只有温度对反应性的影响是一项主要的反馈效应。

温度效应

燃料温度系数

慢化剂温度系数空泡系数3.2.1温度系数

温度效应：温度的变化引起慢化剂密度和核截面的改变，进而又影响反应性的现象。

反应性温度系数：温度变化1K时所引起的反应性变化。从运行安全的角度出发，希望具有负的温度系数-使温度回到原始值反应堆功率+使温度继续升高正反馈效应（应尽量避免发生）：反应堆功率-3.2.2燃料温度系数Tfe定义：燃料温度变化1K时所引起的反应性变化，主要由于多普勒效应引起。燃料温度系数是负反馈效应随着燃料温度的上升，由于铀-238截面的共振吸收峰展宽（多普勒效应），有效共振积分增加，逃脱共振概率减小，反应性降低。3.2.3慢化剂温度系数

定义：堆芯慢化剂平均温度每变化1K所引起的反应性变化。特性：

慢化剂温度升高，使慢化剂密度减小，宏观吸收截面a和宏观散射截面s也都减小了，从而使慢化剂的慢化和吸收特性都发生了变化。这两个特性的相对变化决定了慢化剂温度系数不是正就是负。

慢化剂温度系数的正负，取决于给定含硼水中中子的吸收与慢化的比较。压水堆核电厂运行的技术规范中对慢化剂温度系数的限值有明确的规定。一般情况下，慢化剂温度系数是负的，硼浓度的增加使慢化剂温度系数朝着正的方向变化硼浓度<1300ppm3.2.3反应性空泡系数

空泡效应：由于冷却剂沸腾产生气泡，引起反应性的变化的现象。

空泡系数：反应堆冷却剂空泡份额变化1%所引起的反应性变化。空泡的形成对反应性的影响可以是正的，也可以是负的。空泡越多，水密度下降，堆芯的慢化能力降低

引入负反应性趋势；while:如果慢化剂中含有硼，则硼浓度降低，冷却剂的中子有害吸收减少引入正反应性趋势。3.3反应堆动力学模型3.3.1简化的动力学模型动态方程：用点堆动态方程来描述，得出功率与反应性的关系。反应性变化比较复杂：事故引入反应性（i）；热工水力反馈引入反应性（fb）；

控制系统动作引入反应性（c）；

停堆系统引入反应性（sd）。堆芯热输运：以集总参数模型代替对空间变量描述，即不考虑空间影响。动态方程TH简化起见：事故引入的反应性如：

控制棒失控抽出；

控制棒弹出；

冷却剂硼浓度失控稀释；

失水事故引起冷却剂沸腾，等。从反应堆安全考虑，对动态过程起重要作用的是：反应性引入速率大小。t0为反应性事故引入的终止时刻。反应性反馈取决于燃料温度、冷却剂温度及它们的温度系数。反馈引入的反应性反应性反馈控制系统引入的反应性停堆系统引入的反应性3.3.2堆芯热传输模型燃料元件的总质量燃料元件平均温度燃料元件通过燃料包壳表面传输到冷却剂的功率反应堆功率堆芯热阻冷却剂平均温度燃料元件通过燃料包壳表面传输到冷却剂的功率对流传热导出冷却剂通道的功率堆芯常数比热冷却剂入口平均温度是表征堆内燃料元件向冷却剂传热快慢的一种度量。