chapter08反应堆的物理启动

45.反应堆物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟0⑴目的使反应堆安全的、顺利的首次达到临界状态；在零功率及各功率台阶上，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；对堆内和堆外核仪表系统进行刻度，以便对反应堆运行状态提供正确、有效的监测，并对控制保护系统提供正确的核测信号；监测堆芯硼浓度和功率分布，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。45.反应堆物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1⑵内容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。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

；多普勒发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。45.反应堆物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2②低功率物理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。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。45.反应堆物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3③功率试验功率试验是通过临界和低功率物理试验，为反应堆的安全运行提供了必要的试验数据。反应堆逐级提升功率，在每一功率水平上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。45.反应堆物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4其具体内容包括：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。46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5⑴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：“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。46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6⑵几种外中子源①(α,n)中子源利用放射性同位素发射出的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：46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7其中，210Po的半衰期为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。46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟8②(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。以秦山一期为例：46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟9次级源在反应堆运行后，经过中子辐照被充分活化，从而可替代初级中子源的作用。其在反应堆运行后，很快便能满足反应堆启动安全监督的要求。这种源在反应堆停堆后也会衰减，但是在反应堆启动后，强度又很快恢复。46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟10Ⅱ.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(γ,n)中子源。46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟11③自发裂变中子源对于重核，其不仅在外部粒子的轰击下可能发生诱发裂变，还有可能在没有任何外界因素的影响下发生自发裂变。作为外中子源，其应当能够向外界提供一定强度的中子束，因此对于适合做自发裂变中子源的重核，其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。46.反应堆内的外中子源2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟12对于大多数重核，其自发裂变半衰期都较长，其自发裂变几率都很低，不适宜做自发裂变中子源。目前使用的自发裂变中子源只有252Cf。252Cf的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。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟13⑴反应堆的动力学方程①有外源时的稳态解当反应堆含有外源时，体系的点堆动力学方程可写为：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟14或者可写为：【问题】

在有外源的情况下，反应堆是否能够达到临界？即：对于上述的方程组，其是否存在定态解？47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟15对于定态解，便意味着n(t)和Ci(t)都是不随时间变化的，因此有：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟16而可得：从而可得稳态时堆芯的中子数密度和缓发中子先驱核浓度为：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟17②解的分析Ⅰ.稳态解所对应的状态从上面的公式可以看出，显然从物理上要求：这意味着此时ρ<0。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟18对于此时的中子数密度n，还可将其改写为其它形式。由于：从而中子数密度n的表达式还可写为：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟19Ⅱ.稳态解与临界那么反应堆能否在有外中子源的情况下达到临界呢（即ρ=0后者Keff=1）？根据点堆动力学方程有：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟20如果反应堆达到临界，即：ρ=0。那么此时有：当反应堆达到临界时，显然还要求：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟21但是由于q0≠0，因此

和

必然不能同时为0。由此可见，当堆芯内含有外中子源时，达到临界的反应堆并不稳定。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟22如果此时裂变中子通量的水平很低，那么可以忽略缓发中子的影响，即认为：从而有：其中n0是t=0时刻的中子数密度。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟23可见当外源的影响不能忽略（裂变中子的通量水平较低）时，堆芯内的中子数密度是按照时间线性增加的。因此对于含有外中子源的反应堆，其是不可能在临界下达到稳定，实际当中的反应堆都是工作在次临界态下的。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟24⑵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Keff，显然，Keff<1。假设有一个中子源，其在每代过程中都能放出S0个中子，那么有：第0代末时的中子数N0：

第1代末时的中子数N1：

；第2代末时的中子数N2：

；第3代末时的中子数N3：

；……47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟25从而到第m代末时的中子数Nm为：从而有：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟26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（无限多）代的增殖.从而此时的中子数N为：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟27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，二者在形式上是一致的：47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟28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。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟29⑶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。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3047.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟31根据外推公式的性质，只要我们随意的给出两点的坐标，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。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟32这个性质在反应堆的启动当中有这重要的作用，可利用其来预测堆芯的临界点的物理量取值。在反应堆的启动中，所测量的并不是堆芯中子的计数率，而是堆芯泄漏到堆外的一部分中子对堆外核仪表所贡献的计数率。可以认为其与堆芯的中子数密度是成正比的。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟33②外推法的实际应用某些物理量与反应堆的反应性-ρ或(1-Keff)是成线性关系的，比如控制棒的位置、硼浓度、堆芯注入水的体积等。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。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3447.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3547.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3647.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟37③外推法在实际应用中的问题Ⅰ.近似直线在前面的讨论中，假设了用于外推的物理量与反应堆的反应性-ρ或(1-Keff)是成线性关系的。实际中无论是控制棒的位置、还是硼浓度、注入水体积，其与-ρ或(1-Keff)都只在一定范围内成线性比例。因此在实际应用中，需要对其进行修正（例如通过实验测量来确定具体曲线）。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟38Ⅱ.保守性原则实际当中，可能有多个探测仪器，其结果可能并不一致。【问题】

在这些测量曲线中，究竟选择那条曲线呢？47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟39ABCⅠⅡ47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟40显然，此时对于同一个Keff,0值，三个探测器共有三个计数值：NA、NB和NC：即对于同一个有效增殖系数：探测器A的中子计数最小；探测器B的计数值次之；探测器C的计数最大。47.有外中子源时的启动物理过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟41也就是说，对于相同的状态：探测器A认为此时堆芯内的中子通量水平较低；探测器C则认为此时堆芯内的中子通量水平已经很高了；探测器B处于二者之间。根据保守的原则，通常采用探测器C的读数。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟42⑴反应堆启动原理①过渡状态反应堆由次临界向临界过渡，都是在热态下（堆芯温度为280℃），通过逐步减少堆内的控制毒物，向堆内引入正反应性来实现的。【问题】

为什么选择在热态下启动反应堆？48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟43②具体措施反应堆启动时，往堆芯引入正反应性的具体的措施包括两方面：按最佳提棒程序，依次提升停堆棒组、调节棒组；堆芯注水，降低硼浓度。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟44③外推临界法在临界过程中，一般规定反应性添加量为当时最大添加量的1/3～1/2；某一时刻的最大添加量为该时刻的反应性与临界反应性的差值；落实到具体措施上，便要求控制棒提升速度和堆芯注水速率不得大于各自限值；重复往反应堆内引入正的反应性，可使反应堆逐步的趋近临界状态。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟45④临界基本过程不断引入小的正反应性，使反应堆趋于临界；当反应堆很接近临界时（此时要求keff的值比较大），可一次性引入较大正反应性，使得反应堆达到超临界，使中子计数上升；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。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟46⑵有外源时启动的特点对于不同的反应性ρ，就有一个相应的稳定状态

；逐步引入正反应性，使得反应堆逐步逼近临界；当反应堆达到临界时，如果堆芯此时裂变中子的水平较低，外中子源的强度不能忽略不计的时候，中子水平将线性上涨；如果临界时堆芯的裂变中子水平较高，堆芯内的中子数将保持在恒定的水平上。

48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4748.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟48并且我们还可以看到：反应堆即可在较低的中子水平下临界，也可在较高的中子水平下临界；堆芯的功率水平则是和中子水平直接相关的；这和我们前面计算反应堆临界问题时得到的结论——“反应堆可以在任何功率水平下达到临界”——是相符合的。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟49⑶无外源时启动的特点逐步引入小的正反应性，使得反应堆逐步逼近临界；当反应堆接近临界时，不再寻找临界点，而是越过临界点，达到超临界；在超临界下，使堆芯功率水平增长；直至功率水平增长至可监测最低功率水平时，向堆芯内引入负反应性，是反应堆达到临界状态；由于此时没有外中子源，每步引入的正反应性更小。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5048.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟51⑷有外源和无外源的区别①临界点的寻找；当堆芯有外中子源时，需要寻找确切的初始临界点；而在无外中子源时，则是通过连续的引入小的正反应性，使反应堆越过初始临界点（此时不再寻找初始临界点）。通过反应性仪和反应堆周期测量仪表来判断反应堆是否已经越过的临界点；当反应堆越过初始临界点后，观察堆芯功率的增长过程，直到功率增长至最低可监测功率水平后，通过引入负反应性（如插入控制棒）使得反应堆达到稳定状态。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟52②监测手段；当有外中子源时，临界过程中主要的监测手段是外推计数法；对于没有外中子源的情况，当反应堆由次临界向超临界过渡时，反应性仪和反应堆周期测量仪表是主要的监测手段，外推计数法只是一种辅助监测手段。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟53③探测盲区；在有外中子源的情况下，堆芯的中子水平可以较早的进入堆外探测器的中子探测区域，中子探测器的盲区较小；对于没有外中子源的情况，此时堆芯自发裂变源的强度很小，能够泄漏到堆外的中子数也很少，此时中子探测器的盲区较大。需要采用灵敏度更高的仪表系统；可考虑高泄漏装料方案。48.反应堆物理启动的过程2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5449.田湾核电站首次物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟55⑴临界准备堆芯燃料组件采用高泄漏的布置方式；为了在临界过程中使核测仪表有尽量高的计数率；将富集度高的燃料组件布置在堆芯外围，使得中子的泄漏率增加。采用了更为灵敏的堆外核测仪表；49.田湾核电站首次物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟56设置启动区间。如果理论计算得到的临界硼浓度为CCR计算：启动区间的硼浓度的变化范围为[CCR计算+1,CCR计算]；如果CB>CCR计算+1，表明体系的次临界度还较大，还未进入启动区间；如果CCR计算<CB<CCR计算+1，表明体系已进入启动区间，接近了临界状态。49.田湾核电站首次物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟57⑵临界过程实验开始前堆芯首次临界度约为-20βeff，此时硼酸浓度约为16gH3BO3/KgH2O；10号控制棒（调节棒组）提升到约60％的堆芯高度，其余控制棒均提升至堆顶；启动时，向堆芯内以恒定的速率注入纯水来添加正反应性（稀释硼浓度）；在还没有进入启动区间时，体系次临界度较大；可启动两台低容量KBA泵，以不大于20m3/h的流量率向反应堆注入清水；在进入启动区间后，体系已接近临界；只启动一台低容量KBA泵，从而保证流量率不大于10m3/h。49.田湾核电站首次物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟58在补水过程中，在规定的监测点除连续用硼表监测硼酸浓度外，还要按规定的时间间隔用人工分析的方法监测硼浓度；重复上面的步骤3，直到反应堆的功率水平达到最小可监测功率水平（此时功率水平约为5×10-2%FP），此时通过插入控制棒，使反应堆处于临界状态。49.田湾核电站首次物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟59⑶临界中的要求正反应性的添加速率可为0.5×10-4~2×10-2βeff/min，现在设定为1×10-2βeff/min；超临界的范围为：0~+0.2βeff；限制通过各个状态的速率；通过-0.3βeff~+0.2βeff需要50分钟；通过+0.2βeff需要20分钟。49.田湾核电站首次物理启动试验2023/9/2哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟60限制超临界态的反应堆周期：在达到超临界状态后，中子密度变化3个数量级后，硼浓度达到均匀时，反应堆的增长周期约为50～60s；在物理启动过程中，必要的控制保护系统都必须处于正常的工作状态，当应急保护信号出现时，控制保护系统能使反应堆进入次临界状态；在控制保护系统故障的情况下，严禁启动反应堆；功率保护设定值为：10-3~10-4