第8章温度效应与反应性控制（ppt50）课件

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1、第 8 章 温度效应与反应性控制,反应堆运行期间,核燃料燃耗、核裂变产物的积累都会引 起反应性变化。另一方面，运行期间堆芯温度也不断变化， 如从冷态至热态温度变化为200300K。功率改变时堆芯温 度也发生变化。堆芯温度及分布发生变化将引起以下变化：燃料温度变化。由于多普勒效应，共振吸收增加。慢化剂密度变化。慢化能力及慢化性能改变。中子截面的变化。中子截面是温度的函数。可溶硼溶解度的变化。温度变化引起冷却剂中硼溶解度发生变化。以上变化将导致堆芯有效增殖因子的变化，从而引起 反应性的变化，这种物理现象称为反应堆的“温度效应”。,反应堆在运行期间要有足够的剩余反应性，以克服上述 反应性变化并对反应

2、堆进行控制。影响反应堆反应性变化的 主要因素有：温度效应、燃耗、中毒、功率调节、反应堆启 动、停堆等因素。下表列出了压水堆几个主要过程引起的反 应性变化和所要求的反应性控制变化率。,表 8-1 压水堆的反应性控制要求,8.1 反应性系数,反应性系数定义: 反应堆的反应性相对于反应堆的某一个参 数的变化率称为该参数的反应性系数。如：反应性温度系 数、功率系数。参数变化引起的反应性变化将造成反应堆中子密度或功 率变化，该变化又会引起参数的进一步变化，这就造成了一 种反馈效应。反应系数的大小决定了反馈的强弱。为保证反应堆安全运行，要求反应性系数为负值，以 便形成负反馈。,8.1.1 反应性温度系数及

3、其对核反应堆稳定性的影响,单位温度变化所引起的反应性变化称为反应性温度系数。根据反应性定义，可得：这里，假定温度与反应堆内得位置无关，即温度变化时，整 个系统温度均匀变化。这种情况称为等温温度系数。实际上堆芯内的温度是随空间变化的。反应堆总的温度 系数等于各成分温度系数的总和，即其中起主要作用的是燃料温度系数和慢化剂温度系数。,反应堆温度效应的正反馈将使反应堆具有内在的不稳定性。 反应堆温度效应的负反馈将使反应堆具有内在的稳定性。当反应堆引入一个跃级 正的反应性后，如： T0，不稳定。 T0，|T|很小，导热很快，处于稳定，功率升高。 T0，|T|很大，导热不快，处于稳定，功率下降。 负温度系

4、数对反应堆的调节和安全有非常重要意义。 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。,在不同温度系数情况下， 反应堆功率随时间的变化,8.1.2 燃料温度系数,单位燃料温度变化所引起的反应性变化称为燃料温度系数 。 反应堆的热量主要在燃料中产生。功率升高时，燃料温度立 即升高，燃料的温度效应立即表现出来。所以燃料温度系数 属于瞬发系数。对功率变化响应快，对抑制功率增长和安全 运行非常重要！燃料温度系数主要是由燃料核共振吸收多普勒效应引起。对于非均匀堆，逃脱共振俘获概率近似为：,当燃料温度增加时，有效共振 积分增加，即 。所以 在以低富集度为燃料的反应堆 中，燃料温度系数总是负

5、的。此外，燃料温度系数与燃料燃 耗有关，随着反应堆的运行239Pu 240Pu增加，多普勒效应使燃料 负温度系数的绝对值增大。所以 在堆芯设计中必须计算堆芯运行 初期和末期的燃料温度系数。,燃料温度系数与燃料温度的关系,8.1.3 慢化剂温度系数,单位慢化剂温度变化所引起的反应性变化称为慢化剂温度系 数，慢化剂温度系数为缓发温度系数。对于固体慢化剂，膨胀系数小，近似认为密度不随温度 变化，仅引起中子能谱的变化，所以温度系数很小。下面只 讨论液体慢化剂温度系数。 慢化剂温度系数可以表示为：慢化剂温度增加，将引起两个相反的效应。即对慢化剂温度 系数贡献是正的效应；对慢化剂温度系数贡献是负的效应。,

6、对慢化剂温度系数贡献是正的效应温度升高，密度减小，慢化剂相对于燃料有害吸收将减小，keff增加。如慢化剂含有化学补偿毒物(如硼酸)，温度升高导致溶解度减小，这种正效应更为显著。寿期初可能出现正的温度系数。 对慢化剂温度系数贡献是负的效应温度升高，慢化剂密度减小，慢化能力减弱，共振吸收增加。温度增加，使中子能谱硬化，238U、240Pu低能部分共振吸收增加，同时也使235U、239Pu温度系数下降。温度升高时慢化剂温度系数的正负主要由这两方面效应的 总和结果来决定，轻水堆中它与栅格VH2o/VUo2比值密切相关。,慢化剂温度系数在轻水堆 中它与栅格VH2o/VUo2的比 值密切相关。在设计要求选

7、取：VH2o/VUo2 (VH2o/VUo2 )kmax 以保证慢化剂温度系数为 负值。慢化剂负温度系数有利于反应堆功率的自动调节。外界负荷减少，汽轮机的控制阀自动关小，进入堆芯水温升高，反应性降低，功率降低。 外界负荷增加，汽轮机的控制阀自动开大，进入堆芯水温降低，反应性增大，功率升高。,铀水栅格增殖因数 与 (NH/NU)的关系 （a）p，f与 的关系；（b） 与 的关系,8.1.4 其它反应性系数,空泡系数在冷却剂中所包含的蒸汽泡的体积百分数称为 空泡份额 (x),冷却剂的空泡份额变化百分之一所引起的反应性变化，为空泡系数空泡份额增大时，有如下三种效应： 冷却剂有害中子吸收减小,正效应

8、中子泄漏增加,负效应 慢化能力变小，能谱变硬,可以正也可以是负效应总的净效应是上述效应的叠加,热堆（轻水堆）一般为负，快堆可能为正。,表8-2 几种堆型的反应性系数,功率系数堆芯内部燃料温度及其变化等是不能直接测量的，实际 运行中通常以功率作为观测量。因此定义单位功率变化所 引起的反应性变化称为功率反应性系数。功率发生变化时，堆内燃料温度、 慢化剂温度和空泡份额都将发生 变化，所以用功率系数来表示反 应性系数更为直接。功率系数不仅与反应堆核特 性相关，与热工水力特性也有关。 是所有反应性系数变化的综合。寿期末的功率系数比寿期初的 小很多，寿期末硼浓度比寿期初 硼浓度低，和寿期末堆芯重同位 素（

9、中子吸收体）的积累所致。,为保证反应堆安全、稳定地运行，功率系数在整个寿期内 一般应为负值。 从核电厂运行角度看，更有意义的是功率系数的积分效应， 即功率亏损。“亏损”非指功率的亏损，指当反应堆功率提升 时，向堆芯引入的负的反应性效应。是反应性亏损，而非功 率的亏损。功率亏损 指从零功率变化到满功率时的反应 性的变化，当反应堆功率提升时，需向堆芯引入一定量正反应性，补偿 功率亏损引入的负反应性，才能维持堆在新功率水平下稳定 功率运行。,8.1.5 温度系数的计算,温度系数实际上需要进行不同燃料或慢化剂温度下的临界计 算，求出相应的keff，从而得出keff与T的比值，即温度系 数。计算精度与所

10、取得温差大小有关，计算时所取的温差越 小所得温度系数越高。但温差很小时，有可能使在这一温差 下计算的keff与keff本身的误差相当，反而影响计算的准确 度。微扰理论求解温度系数可以得到比较可靠的结果。,8.2 反应性控制的任务和方式,8.2 .1 反应性控制中所用的几个物理量 剩余反应性：堆芯中没有任何控制毒物时的反应性，用ex表示。控制毒物是指反应堆中用于反应性控制的各种中子吸收体，如控制棒、可燃毒物和化学补偿毒物等。反应堆剩余反应性的大小与反应堆运行时间和状态有关。新堆芯在冷态无中毒情况下，它的剩余反应性最大。 控制毒物价值：某一控制毒物投入堆芯所引起的反应性变化量， 以i表示。停堆深度

11、：当全部控制毒物都投入到堆芯时，反应堆所达到的负反应性，以s表示。,为保证反应堆安全，要求在热态、平衡氙中毒工况下，应 有足够大的停堆深度。否则当堆芯逐渐冷却和135Xe逐渐衰变 后反应性逐渐增加，停堆深度逐渐减少，堆芯由可能由重新 恢复到临界或超临界状态。压水堆要求，一束具有最大反应性的控制棒被卡在堆外 的情况下，冷态无中毒时的停堆深度必须大于2 至 3 $。 总的被控反应性：总的被控反应性等于剩余反应性与停堆深度。表 8-3 列举了几种主要堆型的各种反应性。热中子反应堆的剩余反应性和总的被控反应性都远大于 快中子反应堆的反应性。,表 8-3 几种主要堆型的各种反应性,8.2.2 反应性控制

12、的任务,反应性控制的主要任务：确保安全前提下控制剩余反应性，满足长期运行的需要。 通过控制毒物适当的空间布置和最佳的提棒程序，使反应堆在整个寿期内保持较平坦的功率分布，尽量降低功率峰因子。 在外界负荷变化时，能调节反应堆功率，使它能适用外界负荷变化。 反应堆事故时，能迅速安全停堆，并保持适当的停堆深度。,反应堆控制的分类：紧急控制反应堆需要紧急停堆时，能够迅速引入大的负反应性，并快速停堆，并达到一定的深度。要有停堆系统由极高的可靠性。功率调节外界负荷或堆芯温度变化时，反应堆的控制系统必须引入一个适当的反应性，以满足功率调节的需要，要求操作简单又灵活。 补偿控制反应堆初期剩余反应性比较大，因而堆

13、芯中必须引入较多的控制毒物，控制毒物变化应该很缓慢。,8.2.3 反应性控制的方式,主要控制方法有： 改变堆内中子吸收 改变中子慢化性能 改变燃料的含量 改变中子泄漏 主要控制方式有： 控制棒控制 固体可燃毒物控制 化学补偿控制,8.3 控制棒控制,8.3.1 控制棒的作用和一般考虑控制棒是中子强吸收体,移动速度快、操作可靠、使用灵活、控制反应性准确度高。控制棒是堆芯紧急控制和功率调节所不可缺少的部件。主要控制反应性快速变化。 主要控制下面的反应性变化： 燃料的多普勒效应；慢化剂的温度效应和空泡效应；变工况时瞬态氙效应；硼冲稀效应；热态停堆深度。,不同的反应堆，其控制棒形状与尺寸也不同： 石墨

14、和重水反应堆，采用粗棒或套管形式的控制棒。 沸水反应堆，采用十字形控制棒。 压水堆，束棒式控制棒，2024根很细的控制棒。对控制棒材料的要求： 大的中子吸收截面，包括热中子及超热中子吸收截面。压水堆采用 Ag（80%）- In（15%）- Cd （5%）。 较长的寿命，单位体积吸收体原子核密度大、吸收中子后形成的子核吸收截面也大。 抗辐照、抗腐蚀和良好的机械性能，同时价格便宜等。,表8-4 控制棒用材料核特性,8.3.2 控制棒价值的计算,控制棒价值的计算比较复杂,需要进行反应堆的临界计算, 分别计算有控制棒存在和没有控制棒存在时反应堆的反应 性，两种情况之差即所求的控制棒的反应性价值。图8-

15、4 压水堆控制棒束和控制棒超栅元,压水堆的控制棒一般做成细棒束形式布置在燃料组件里。 每个燃料组件有2024根控制棒。控制棒与周围水组成“控制 棒栅元”，与周围8个燃料栅元均匀混合构成的附加层，形成 所谓“超栅元”。利用第六章的积分输运理论方法求解中子通 量密度、均匀化截面、控制棒价值等。8.3.3 控制棒插入深度对控制棒价值的影响反应堆设计和运行中要知道控制棒插入堆芯不同深度时 控制棒的价值。这可以分别计算有控制棒存在和没有控制棒 存在时反应堆的反应性，两者之差即为不同深度时控制棒的 价值。但下面用微扰理论来对这个问题进行计算，对于强吸 收棒，微扰理论不适用，仅能对其相对价值进行估计。,在裸

16、圆柱形反应堆中心轴处插入控制棒。 控制棒插入前，堆芯扩散方程为：控制棒插入堆芯时，其效应可看作是芯 部产生了微扰。在插入棒的局部体积VP 内，宏观截面由a 变为 a= a +a受扰动后堆芯k变为k+k，而中子通量密度也发生微小变化，扩散方程变为,在反应堆中心处， 部分插入的控制棒,用和 分别乘（8-14）和（8-16）式，并对堆芯积分， 并利用把积分后的结果相减便可得到根据高斯定理，和反应堆外表面中子通量密度等于零，可得：利用 可得：,作为一级近似，可以认为近似等于。这样控制棒插入深度 Z时的控制棒价值为：对于裸圆柱体反应堆内的中子通量密度分布：带入（8-20）式给出：（H）为控制棒全插时的控制棒价值，可求解临界方程或 实验确定。上式时相对价值，所以对强吸收剂的控制棒也适 用。,插入堆芯不同深度的控制棒价值常用控制棒的积分价值和 微分价值来表示： 控制棒的积分价值当控制棒从一初始参考位置插入到 某一高度时，所引入的反应性称为 这个高度上的控制棒积分价值。参考 位置选择堆芯顶部，则插棒向堆芯 引入负反应性。随着棒不断插入，所 引入的负反应性也越大。积分价值在 棒位处于顶部时等于零。控制棒的微分价值反应堆运行时，我们不仅需要知道插入到不同深度时的 价值，而且还需要知道控制棒在堆芯不同高度处移动单位 距离所引起的反应性变化，即控制棒的微分价值。,