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1、反应堆的物理启动,操作员岗前培训（70学时）,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,0,45.反应堆物理启动试验,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,1,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
2、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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,2,内容 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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,4,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
3、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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,5,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,6,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,20
4、20/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,7,几种外中子源 (,n)中子源 利用放射性同位素发射出的粒子，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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,8,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,9, (,n)中子
5、源 . 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(,n)中子源。以秦山一期为例：,46.反应堆内的外中子源,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,10,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,11,. 2H源 在压水堆中，含有大量的水。其中含有数
6、目可观的2H 。其在光子的辐照下，会发生以下反应： 这也是一种(, n)中子源。,46.反应堆内的外中子源,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,12,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或较小的自发裂变半衰期T1/2。,46.反应堆内的外中子源,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,13,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
7、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，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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,14,反应堆的动力学方程 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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,15,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？,4
8、7.有外中子源时的启动物理过程,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,16,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,17,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,18,解的分析 .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0。,47.有外中子源时的启动物理过程,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技
9、术学院 李伟,19,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,20,.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=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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,21,如果反应堆达到临界，即：=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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,22,
10、但是由于q00，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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,23,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,24,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
11、次临界态下的。,47.有外中子源时的启动物理过程,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,25,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，Keff1。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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,26,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术
12、学院 李伟,27,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,28,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,29,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,
13、30,外推法 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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,31,47.有外中子源时的启动物理过程,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,32,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,33,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
14、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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,34,外推法的实际应用 某些物理量与反应堆的反应性-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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,35,47.有外中子源时的启动物理过程,2020
15、/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,36,47.有外中子源时的启动物理过程,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,37,47.有外中子源时的启动物理过程,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,38,外推法在实际应用中的问题 .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-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-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,2020
16、/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,39,.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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,40,47.有外中子源时的启动物理过程,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,41,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,2020/8/8,哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟,42,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,2020/8
