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1、反应性系数反应性系数 n n 在反应堆运行时 运行参数 如功率 压力 温度以在反应堆运行时 运行参数 如功率 压力 温度以 及堆芯内空泡等变化时 堆芯的反应性也发生相应的及堆芯内空泡等变化时 堆芯的反应性也发生相应的 变化 变化 n n 必须通过某种补偿手段来维持反应堆在相同功率下运必须通过某种补偿手段来维持反应堆在相同功率下运 行 如调节控制棒和硼浓度等 行 如调节控制棒和硼浓度等 n n 反应性系数反应性系数定义为 反应堆的反应性随某给定参数的定义为 反应堆的反应性随某给定参数的 变化率 变化率 n n 堆内重要的反应性系数有 堆内重要的反应性系数有 燃料温度系数燃料温度系数 慢化剂温慢化
2、剂温 度系数度系数 空泡系数空泡系数以及以及压力系数压力系数等 等 n n 对反应堆安全运行有实际意义的是对反应堆安全运行有实际意义的是反应性功率系数反应性功率系数 温度效应温度效应 n n 堆芯温度及其分布的变化将导致下列参数的变堆芯温度及其分布的变化将导致下列参数的变 化 化 n n 燃料温度变化燃料温度变化 多普勒效应 温度升高使得燃料的共振吸收增加多普勒效应 温度升高使得燃料的共振吸收增加 n n 水密度的变化水密度的变化 堆芯温度变化导致慢化剂密度变化 这将导堆芯温度变化导致慢化剂密度变化 这将导 致水的慢化能力和慢化剂中子吸收发生变化 从致水的慢化能力和慢化剂中子吸收发生变化 从
3、而导致中子能谱发生变化而导致中子能谱发生变化 n n 中子截面变化中子截面变化 反应堆任一组分的中子微观截面都跟能谱有反应堆任一组分的中子微观截面都跟能谱有 关 堆芯温度变化时 堆内所有核素的微观截面关 堆芯温度变化时 堆内所有核素的微观截面 也将改变 也将改变 n n 可溶硼溶解度的变化可溶硼溶解度的变化 n n 上述变化都将影响反应堆内的中子平衡 从上述变化都将影响反应堆内的中子平衡 从 而导致反应堆反应性的变化 这种现象称而导致反应堆反应性的变化 这种现象称 反反 应性温度效应应性温度效应 简称 简称 温度效应温度效应 反应性温度系数反应性温度系数 n n 定义为单位温度变化所引起的反应
4、性变化 定义为单位温度变化所引起的反应性变化 n n PWRPWR工程中以工程中以pcm pcm o o C C 为单位为单位 n n 温度系数可能为正 也可能为负温度系数可能为正 也可能为负 n n 压水堆物理设计的基本准则之一 便是要保证温压水堆物理设计的基本准则之一 便是要保证温 度系数必须为负值度系数必须为负值 n n 压水堆所以安全 从物理上讲 反应堆设计具有负的温度压水堆所以安全 从物理上讲 反应堆设计具有负的温度 系数 所以这类反应堆具有一定的内在的自稳性 系数 所以这类反应堆具有一定的内在的自稳性 n n 温度系数分为温度系数分为燃料温度系数燃料温度系数和和慢化剂温度系数慢化剂
5、温度系数 负温度反馈及其反应堆的自稳特性负温度反馈及其反应堆的自稳特性 温度效应的物理成因温度效应的物理成因 燃料温度系数燃料温度系数 n n 由单位燃料温度变化引起的反应性变化称为由单位燃料温度变化引起的反应性变化称为燃料温燃料温 度系数度系数 n n 燃料温度反馈是燃料温度反馈是瞬发瞬发的 因此对反应堆安全极为重的 因此对反应堆安全极为重 要 要 n n 燃料温度效应主要是由燃料核共振吸收的燃料温度效应主要是由燃料核共振吸收的多普勒效多普勒效 应应引起 引起 n n 由于反应堆内燃料温度及其变化都是不能测量的 由于反应堆内燃料温度及其变化都是不能测量的 因此 实际工程中更多地使用因此 实际
6、工程中更多地使用DopplerDoppler功率系数功率系数来来 表征燃料温度系数的大小 即单位功率变化时由燃表征燃料温度系数的大小 即单位功率变化时由燃 料温度效应所引起的反应性变化量 料温度效应所引起的反应性变化量 n n 低富集铀燃料中 温度升高导致的铀低富集铀燃料中 温度升高导致的铀 238 238吸收共吸收共 振峰的展宽是主要的 铀振峰的展宽是主要的 铀 235 235裂变共振峰展宽的裂变共振峰展宽的 影响相对较小 影响相对较小 n n 温度升高多普勒效应的结果使有效共振吸收增加温度升高多普勒效应的结果使有效共振吸收增加 逃脱共振俘获概率减小 有效增殖系数下降 逃脱共振俘获概率减小
7、有效增殖系数下降 就产生了负温度效应 则燃料温度系数可以表示就产生了负温度效应 则燃料温度系数可以表示 为 为 多普勒效应多普勒效应 自屏效应自屏效应 n n 燃料温度升高时 多普勒效应使得共振峰展宽 吸收概率燃料温度升高时 多普勒效应使得共振峰展宽 吸收概率 发生变化 共振峰展宽说明共振能量的中子被吸收前进一发生变化 共振峰展宽说明共振能量的中子被吸收前进一 步穿入燃料 但是步穿入燃料 但是238 238U U足以吸收所有共振能量的中子 能 足以吸收所有共振能量的中子 能 量在共振峰附近的中子 基本被吸收 因此温度升高时 量在共振峰附近的中子 基本被吸收 因此温度升高时 共振峰左右的中子更多
8、地被吸收 共振峰左右的中子更多地被吸收 n n 而且这些中子的能量在而且这些中子的能量在1 1MeV1 1MeV以下 不能引起以下 不能引起238 238U U裂变 裂变 所以裂变链中中子损失增多 引入负的反应性 所以裂变链中中子损失增多 引入负的反应性 n n 典型的压水堆中 能量为典型的压水堆中 能量为6 7eV6 7eV的中子 燃料的中子 燃料 富集度为富集度为3 0 3 0 情况下 吸收平均自由程为情况下 吸收平均自由程为 0 0063cm0 0063cm 燃料芯块的直径为 燃料芯块的直径为0 82cm0 82cm 中 中 子在子在5 5倍平均自由程倍平均自由程 0 0315cm 0
9、0315cm的时候 中的时候 中 子被吸收的概率为子被吸收的概率为99 3 99 3 n n 即共振峰附近的中子很难到达芯块的中心 即共振峰附近的中子很难到达芯块的中心 燃料温度系数随燃料温度的变化燃料温度系数随燃料温度的变化 多普勒功率系数多普勒功率系数 n n 由于裂变气体的产生引起燃料芯块和包壳之间气 由于裂变气体的产生引起燃料芯块和包壳之间气 隙隙热导率的变化热导率的变化 导热率会随着燃耗的加深而降低 导热率会随着燃耗的加深而降低 使得燃料温度在任一功率水平下变得更高 使得燃料使得燃料温度在任一功率水平下变得更高 使得燃料 温度系数负得越大 温度系数负得越大 n n 钚的产生和积累钚的
10、产生和积累 在以低富集铀为燃料的反应堆 在以低富集铀为燃料的反应堆 中 随着反应堆的运行 钚中 随着反应堆的运行 钚 239 239和钚和钚 240 240不断地积不断地积 累 钚累 钚 240 240对于能量为对于能量为1eV1eV的中子有很大的共振吸收的中子有很大的共振吸收 峰 它的多普勒效应使燃料负温度系数的绝对值增大峰 它的多普勒效应使燃料负温度系数的绝对值增大 n n 燃料 包壳之间 燃料 包壳之间空隙的减小空隙的减小 这是一个非常重要 这是一个非常重要 的因素 由于燃料经中子辐照后 芯块会发生肿胀 的因素 由于燃料经中子辐照后 芯块会发生肿胀 包壳也会发生蠕变 这将使燃料 包壳之间
11、的空隙减包壳也会发生蠕变 这将使燃料 包壳之间的空隙减 小 燃料的导热率增大 该效应使得多普勒温度系数小 燃料的导热率增大 该效应使得多普勒温度系数 随燃耗的加深变得没有以前那么负 随燃耗的加深变得没有以前那么负 在在BOLBOL时 从时 从0 100 0 100 功率 燃料升温为功率 燃料升温为555555 在在EOLEOL时 从时 从0 100 0 100 功率 燃料升温为功率 燃料升温为444 444 慢化剂温度效应慢化剂温度效应 n n 慢化剂温度变化一度所引起的反应性的变化称为慢慢化剂温度变化一度所引起的反应性的变化称为慢 化剂温度系数 化剂温度系数 n n 慢化剂温度效应是一种缓发
12、的效应 慢化剂温度效应是一种缓发的效应 n n 慢化剂中可溶毒物的多少对慢化剂温度系数有重要慢化剂中可溶毒物的多少对慢化剂温度系数有重要 影响 影响 n n 慢化剂密度随慢化剂温度的升高而下降 因此慢化剂密度随慢化剂温度的升高而下降 因此慢化慢化 剂温度的增加会引剂温度的增加会引HH 2 2 O UO U的减小的减小 慢化剂密度变化慢化剂密度变化 n n 对快裂变因子的影响对快裂变因子的影响 n n 慢化剂密度密度减小时 中子慢化受到影响 慢化剂密度密度减小时 中子慢化受到影响 增大 但与逃脱共振俘获概率与热中子利用系数增大 但与逃脱共振俘获概率与热中子利用系数 相比 该影响非常小 可以忽略
13、相比 该影响非常小 可以忽略 n n 对不泄漏概率的影响对不泄漏概率的影响 n n 慢化剂密度减小 慢化效果减弱 则热中子与快慢化剂密度减小 慢化效果减弱 则热中子与快 中子的不泄漏概率随温度增加而减小 是一个负中子的不泄漏概率随温度增加而减小 是一个负 效应效应 n n 对热中子利用系数的影响对热中子利用系数的影响 n n 对逃脱共振俘获概率的影响对逃脱共振俘获概率的影响 n n 慢化剂密度减小 慢化能力减弱 则中子在两次慢化剂密度减小 慢化能力减弱 则中子在两次 碰撞间平均穿过的距离变大 能在超热区穿过更碰撞间平均穿过的距离变大 能在超热区穿过更 多的燃料 被多的燃料 被U 238U 23
14、8或或Pu 240Pu 240吸收的概率增大吸收的概率增大 慢化剂温度增加 慢化剂温度增加 HH 2 2 O UO U减小 减小 f f增大 因此慢化剂温增大 因此慢化剂温 度对于热中子利用系数是度对于热中子利用系数是正效应 正效应 慢化剂温度系数慢化剂温度系数 n n 综上所述 慢化剂温度升高 密度减小时 引起了两综上所述 慢化剂温度升高 密度减小时 引起了两 个相反的效应 慢化剂温度系数的正负主要由这两个个相反的效应 慢化剂温度系数的正负主要由这两个 方面的效应来决定 也即 慢化剂对中子的吸收与慢方面的效应来决定 也即 慢化剂对中子的吸收与慢 化哪个处于主导地位 化哪个处于主导地位 n n
15、 慢化剂温度系数是正还是负 取决于慢化剂对中子的慢化剂温度系数是正还是负 取决于慢化剂对中子的 吸收与慢化 吸收与慢化 k keff eff 与 与HH 2 2 O UO U的关系可以分为两区 过的关系可以分为两区 过 慢化区和欠慢化区 最佳值为分界点 慢化区和欠慢化区 最佳值为分界点 n n 最佳值的右边是最佳值的右边是过慢化区过慢化区 以热吸收为主 在这个区随 以热吸收为主 在这个区随 着温度增加 慢化剂热吸收减小引入的正反应性多于共着温度增加 慢化剂热吸收减小引入的正反应性多于共 振吸收增加引入的负反应性 振吸收增加引入的负反应性 T T 为正为正 n n 左边是左边是欠慢化区欠慢化区
16、随温度增加 逃脱共振俘获的减小大 随温度增加 逃脱共振俘获的减小大 于热吸收中子利用系数的增加 于热吸收中子利用系数的增加 T T 为负为负 硼浓度对硼浓度对 T T 的影响的影响 n n 反应堆运行中 主要是由溶解在冷却剂水中的硼酸反应堆运行中 主要是由溶解在冷却剂水中的硼酸 浓度进行控制 控制棒只是起辅助作用 浓度进行控制 控制棒只是起辅助作用 n n 硼对热中子利用系数影响很大硼对热中子利用系数影响很大 n n 温度升高时 慢化剂密度减小使得一部分水和硼从温度升高时 慢化剂密度减小使得一部分水和硼从 堆芯中排挤出来 由于硼对于堆芯中排挤出来 由于硼对于f f的影响非常大 硼排的影响非常大 硼排 挤得多了 对于挤得多了 对于 T T 负得更少 负得更少 n n 当硼浓度足够高时 当硼浓度足够高时 T T 可能变为正的 可能变为正的 n n 所以硼浓度的增加使慢化剂温度系数朝正的方向变所以硼浓度的增加使慢化剂温度系数朝正的方向变 化 负得更少一些 化 负得更少一些 T T 与硼浓度的关系与硼浓度的关系 慢化剂温度对慢化剂温度对 T T 的影响的影响 n n 慢化剂在低温时 密度变化不
