堆物理第五章

堆物理第五章第1页，共36页，2023年，2月20日，星期一第五章燃耗及中毒有关物理量不随时间变化的分析为稳态分析。有关物理量随时间而变化的分析为动态分析。动态分析问题第一类：研究核燃料同位素和裂变产物同位素成分随时间的变化以及它们堆反应性和中子通量密度分布的影响。第二类：研究在反应堆的启动、停堆和功率调节过程中，中子通量和功率随时间的变化，这种变化是很迅速的。第2页，共36页，2023年，2月20日，星期一第五章燃耗及中毒5.1核燃料中重同位素成分随时间的变化5.2裂变产物的中毒5.3核反应堆堆芯寿期与燃耗深度第3页，共36页，2023年，2月20日，星期一5.1核燃料中重同位素成分随时间的变化裂变产物：我们把由裂变反应直接产生的裂变碎片以及随后这些碎片经过放射性衰变形成的各种同位素统称为裂变产物。1核燃料重同位素的燃耗方程2燃耗方程的求解

第4页，共36页，2023年，2月20日，星期一第5页，共36页，2023年，2月20日，星期一第6页，共36页，2023年，2月20日，星期一1核燃料重同位素的燃耗方程

ABC第7页，共36页，2023年，2月20日，星期一燃耗方程的建立：同位素A的核密度随时间变化式中：为C吸收中子变成A为B衰变成A为A吸收中子消失为A衰变消失对重同位素链的每一个同位素写出方程，得到方程组，称为核燃料中重同位素的燃耗方程。第8页，共36页，2023年，2月20日，星期一2燃耗方程的求解1.解析方法2.数值方法

第9页，共36页，2023年，2月20日，星期一第10页，共36页，2023年，2月20日，星期一分析：⑴235U核密度随燃耗不断地减少。⑵239Pu具有很大的热中子吸收截面，因而其核密度很快便达到饱和而趋近于一个常数。⑶钚的其它同位素是由239Pu逐级俘获中子而形成，所以它们的产生率要慢的多。⑷乏燃料中存在235U和239Pu，回收利用。⑸随燃耗的增加，裂变产物不断积累，因而使反应堆的过剩反应性逐渐下降，这就是堆芯寿期的主要限制。第11页，共36页，2023年，2月20日，星期一5.2裂变产物的中毒裂变产物中毒：由于裂变产物吸收中子所引起的反应性变化称为裂变产物中毒。某些同位素具有很大的热中子吸收截面，并且它们的先驱核有较大的裂变产额，如135Xe，149Sm1135Xe中毒2149Sm中毒

第12页，共36页，2023年，2月20日，星期一反应性反应性：反应性变化：上式中F，M分别表示燃料和慢化剂。

为裂变产物的热中子宏观吸收截面。第13页，共36页，2023年，2月20日，星期一1135Xe中毒

第14页，共36页，2023年，2月20日，星期一吸收截面⑴在中子能量为0.025ev时，135Xe的微观吸收截面为2.7×106靶左右，而且在中子能量为0.08ev处有一个大的共振峰。⑵在热能范围内它的平均吸收截面大约为3×106靶。⑶在高能区，135Xe的吸收截面随中子能量的增加而显著地下降，因而在快中子反应堆中，氙中毒的影响是比较小的。第15页，共36页，2023年，2月20日，星期一产额

质量数为135的裂变产物的衰变链

裂变第16页，共36页，2023年，2月20日，星期一产额在铀-235核裂变时，氙-135的直接产额仅为0.00228，但是它的先驱核的直接裂变产额却很高，它们进过衰变后就形成了氙-135。由上图可知：⑴锑-135和碲-135的半衰期都非常短，因此可以把锑-135和碲-135的裂变产物与碘-135的直接裂变产额之和作为碘-135的裂变产额，即⑵忽略短寿命的氙-135的同质异能素（135mXe）的存在。⑶由于碘-135的热中子吸收截面仅为8靶，因此可以忽略碘-135堆热中子的吸收，认为碘-135全部都衰变成氙-135。第17页，共36页，2023年，2月20日，星期一可得简化图：

裂变第18页，共36页，2023年，2月20日，星期一浓度变化方程以单群为例，写出碘-135和氙-135的浓度随时间变化的方程。讨论：反应堆在启动、停堆以及功率变化时的氙中毒第19页，共36页，2023年，2月20日，星期一第20页，共36页，2023年，2月20日，星期一A反应堆启动时反应堆启动时，氙-135中毒平衡氙中毒：反应堆在稳定功率状态下，运行很短时间（约40h）之后，碘-135和氙-135的浓度已很接近它们的平衡浓度，由平衡氙浓度所引起的反应性变化值，称为平衡氙中毒。由前方程可得：第21页，共36页，2023年，2月20日，星期一注意：⑴与有关，即与运行的功率大小相关。⑵很小时，.此时也很小，可忽略。例：数量级时，数量级.

第22页，共36页，2023年，2月20日，星期一⑶很大（满功率）时，与无关。

此时氙中毒为可观值，不可忽略。⑷低于额定功率下运行，氙中毒与P大小有关。第23页，共36页，2023年，2月20日，星期一B.

停堆后在反应堆运行时，氙-135的产生有两条途径，即由燃料核裂变直接产生氙-135和碘-135的衰变而生成氙-135。⑴由于氙-135的裂变产额比较小，停堆2天以后，碘-135已饱和，此时氙-135主要由碘-135的衰变产生。⑵氙-135的消失也有两条途径，即由于氙-135吸收中子和氙-135的衰变而消失。第24页，共36页，2023年，2月20日，星期一前者与反应堆的中子通量密度有关，当时，两种消失率相等。在动力热中子反应堆中，平均热中子通量密度一般都大于这个值，因此在正常功率运行时，氙-135的消失主要是靠吸收中子而消失。剩余反应性：反应堆在无控制毒物的情况下超临界的反应性。第25页，共36页，2023年，2月20日，星期一第26页，共36页，2023年，2月20日，星期一碘坑：停堆后氙-135的浓度先是增加到最大值，然后逐渐地减小；过剩反应性随时间变化则与氙-135浓度的变化刚好相反，先是减小到最小值，然后又逐渐地增大，通常把这一现象称为“碘坑”。t1

为碘坑时间：从停堆开始直到剩余反应性又回升到停堆时刻的值时所经历的时间称为碘坑时间。

为允许停堆时间：在碘坑时间内，剩余反应性大于零的这段时间称为允许停堆时间。为强迫停堆时间：剩余反应性小于或等于零，则堆无法启动，这段时间称为强迫停堆时间。碘坑深度：停堆后反应堆剩余反应性下降到最小值的程度称为碘坑深度。第27页，共36页，2023年，2月20日，星期一停堆后，氙-135中毒变化与停堆方式的关系⑴逐渐降功率的方式会使停堆后的碘坑深度要比突然停堆方式所引起的碘坑深度浅得多。这时因为有一部分氙-135和碘-135在停堆过程中吸收中子和衰变而消耗掉了。⑵停堆后不久，存在大量氙-135的情况下重新启动反应堆，那么，由于中子通量密度突然增加，氙-135将大量地消耗，它的浓度很快地下降，因而氙中毒迅速地减小，这时堆内的过剩反应性很快地增加，原来作为启动用而提起的控制棒又要插到足够的深度，以补偿由于氙-135浓度减小而引起的反应性增加。第28页，共36页，2023年，2月20日，星期一C功率过渡时的氙-135中毒第29页，共36页，2023年，2月20日，星期一①当功率突然降低时，氙-135浓度和过剩反应性随时间变化的曲线形状与突然停堆的情况很相似，只是在变化程度上有差别。②功率突然升高时，碘-135浓度、氙-135浓度和过剩反应性随时间变化与功率突然下降的情况刚好相反。第30页，共36页，2023年，2月20日，星期一2Sm-149中毒

钐-149裂变产物链第31页，共36页，2023年，2月20日，星期一A反应堆启动时钐-149的中毒反应堆启动后，钐-149平衡浓度与热中子通量密度无关（即与功率无关）。在约400小时后，钐-149达到了平衡毒性。平衡钐中毒：第32页，共36页，2023年，2月20日，星期一B反应堆停堆后钐-149浓度随时间变化t=0时突然停堆，达到平衡第33页，共36页，2023年，2月20日，星期一5.3核反应堆堆芯寿期与燃耗深度核反应堆堆芯寿期燃耗深度第34页，共36页，2023年，2月20日，星期一1核反应堆堆芯寿期堆芯寿期：一个新装料堆芯从开始运行到有效增殖因数降到1时，反应堆满功率运行的时间。PWR中，通常分为：寿期初（BOL）、寿期中（MOL）和寿期末（EOL）三个阶段。第35页，共36页，2023年，2月20日，星期一2燃耗深度燃耗深度装入堆芯的单位质量核燃料所产生的总能量的一种度量，也是燃料贫化程度的一种度量。几种表示方法：