核反应堆物理课程报告

核反应堆物理课程报告
罗晓
2014151214
有关反应堆反应性的研究报告
作者：罗晓
摘要：本学期我们进行了《反应堆物理》课程的学习，在学习之尾，为了检验学习成果，特在此做有关反应堆反应性的研究报告。

在反应堆研究的各个方面，反应性的研究不可忽视，在反应堆运行期间,为了能在给定的功率条件下稳定地运行,且能满足紧急停堆、功率调节、补偿控制等要求,必须引入各种形式的反应性。

而确定需要引入反应性的数量和采用何种方式进行高效与安全的控制,以及各种控制类型之间反应性的分配,是核反应堆堆芯设计的一个十分重要的方面。

为了对立面的有关机理进行更加详细的了解,下面对各种反应性进行了综合分析,且对其稳定性进行了分析,得出了全面的控制机制和详细的动态特性。

这对反应堆的堆芯设计、有效控制和安全运行具有重要的参考意义。

关键词：反应堆、反应性、控制
首先，我们在此解释反应性的概念。

宏观上来说，反应性即为反映核反应堆状态的一种物理量。

数学定义如下：
其中：k 为反应堆的有效增值系数
从上式来看，反应性表征了反应堆偏离临界状态的程度。

在反应堆内引入反应性有很多种办法，而经常用到的有如下几种:(1)向堆内插入可移动的且具有较强中子吸收能力的控制棒，常采用由银 － 铟 － 镉合金组成的控制棒组件，他们通过控制棒驱动机构有效控制，我们将这部分反应性记为1ρ ;(2)向堆芯内装入对中子吸收截面较大的固体物质———可燃毒物，在堆芯运行期间，随着核燃料一起逐渐被消耗掉，我们将其记为2ρ ;(3)在轻水堆中，将对中子吸收截面较大的物质溶解在冷却剂中，将其称为可溶毒物，用 3ρ 表示。

以上引入的这些反应性，无论是因操作需要而人为引入的，还是由于意外事故的发生而造成的(如控制棒被抛出或冷却剂泵损坏)，他们都是通过改变外加中子吸收物质来实现的。

同时，反应堆内反应性的变化应该考虑一下三种情况：
（1）温度效应
因反应堆温度效应变化而引起的ρ发生变化的效应，称为反应性的温度效应。

温度效应可以用反应性温度系数来衡量。

负的温度系数对于反应堆安全运行有重要意义。

1=K K ρ-
()0T u
P t dt BU W =⎰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200~300K 。

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：
A 、燃料温度变化。

由于多普勒效应，共振吸收增加。

B 、慢化剂密度变化。

慢化能力及慢化性能改变。

C 、中子截面的变化。

中子截面是温度的函数。

D 、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”。

燃料核截面在中能区段存在很多的强共振峰。

燃料温度对反应性的影响主要是因为共振吸收的变化。

温度升高时共振峰值降低，但微观截面曲线下覆盖的面积保持不变，即所谓的共振峰展宽。

最常见的反应堆中装有大量的238U ，它有强烈的共振俘获吸收。

温度升高时，共振峰展宽，落入共振峰内的中子增加，俘获吸收中子增加，降低了中子利用率。

造成反应性下降。

这一效应称为多普勒(Doppler)效应。

238U 的多普勒反应性温度系数为负值。

这对反应堆安全是非常重要的。

（2）中毒效应
热中子反应堆运行后堆内参数的某些裂变产物，其中子吸收截面较大，故对ρ有明显影响，这种效应称为裂变产物中毒。

其中氙（135Xe ）和钐（149Sm ）是裂变产物中影响最大的两种同位素。

随着反应堆的运行，反应堆中的裂变产物也随之积累。

在这些裂变产物中，有些产物对中子的吸收截面较大，并且其份额也较大。

这些裂变产物对中子的吸收会导致中子的有效利用系数降低，从而对反应堆反应性造成影响。

（3）燃耗
定义：燃耗深度
对燃料贫化程度的一种度量。

通常将其定义为单位质量燃料所发出的能量，即：
其常用单位为：MW ·d/t 。

一般在工程运用中，还可以采用“有效满功率小时(EFPH)”或“有效满功率天(EFPD)”来作为单位，其含义如下：
EFPH ：1个EFPH 表示反应堆在100%功率下运行1个小时；
EFPD ：1个EFPD 表示反应堆在100%功率下运行1天。

堆内燃料管理：为使堆内燃耗深度尽可能均匀而采取一些技术措施，如分区装料、用硼酸或可燃毒物代替控制棒、优化的控制棒运行程序、优化的换料方案等等。

进行优化的堆内燃料管理可以增加反应堆换料周期、提高燃耗深度，从而明显提高电站的经济效益
燃耗将引起剩余反应性的下降，这种效应成为反应性燃耗效应。

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1--压水堆的反应性控制要求
反应性效应数值/%要求变化率
温度亏损2~50.5/h
功率亏损1~20.05/min
氙和钐中毒5~250.004/min
燃耗5~80.017/d
功率调节0.1~0.20.1/min
紧急停堆2~4<1.5~2s
由此我们可以看出反应性控制的必要性。

*在反应堆从启动到最后反应堆换料期间，反应堆的反应性是不断变化的：反应堆启动后，从冷态过渡到热态，然后再提升至满功率运行，由于温度效应会向堆芯引入负的反应性；
反应堆运行期间，裂变毒物的产生和积累，向堆芯不断地引入负反应性；
反应堆运行过程中，反应堆的反应性不断减小；
反应堆的工况发生变化时，将会向堆芯内引入正的或负的反应性。

在意外情况下，需要紧急停堆。

*根据反应堆运行过程中堆芯反应性的变化，反应堆控制的任务是：
补偿控制：控制反应堆的剩余反应性的释放，以满足反应堆长期运行的要求；
功率调节：满足二回路负荷变化的要求；
紧急控制：出现事故时能够迅速停闭反应堆。

对于不同的任务，其对反应性调节的要求也不同。

比如：对于剩余反应性的控制，要求反应性改变缓慢、持续时间长；对于事故时的紧急停堆，要求引入的负反应性足够大，速度足够快，并且要可靠；在一般调节功率时，希望造成的反应堆功率分布的畸变比较小。

谈及反应性控制的基本原理，对于热中子反应堆，其有效增殖系数为：
Keff＝εηfp·PL
通过改变上式中的因子可以改变堆芯的反应性。

实际当中，主要是通过改变热中子利用系数f和中子不泄漏几率PL来实现对反应性的控制。

然而在实际应用中，常用的控制方式有以下三种：
①控制棒控制
②可燃毒物控制
③化学补偿控制
以上三种控制方式中，控制棒控制几乎是所有的反应堆都必采用的方式之一。

控制棒控制的优、缺点
*（1）控制棒控制方式的优缺点：
控制棒控制方式具有以下优点：
控制速度快；
可靠性高；
控制方式灵活。

其具有相应的缺点：
对堆芯功率分布和中子通量分布扰动大；
需要额外的控制驱动机构。

*（2）化学补偿控制的优、缺点
化学补偿控制的优点有：
变化均匀，对堆芯中子通量分布的扰动小；
不占用堆芯的栅格，节省了堆芯内的空间。

化学补偿控制的缺点包括：
控制速度慢；
需要额外的化学补偿系统；
浓度有上限值。

*（3）可燃毒物控制的需求与原理
对于大型的动力堆：
反应堆首循环，堆芯燃料全部为新燃料，剩余反应性很大；
后续循环堆芯的剩余反应性相对首循环较小，不需要那么多的控制毒物；
增加控制棒的同时也需要增加压力容器上的开孔数，影响到压力容器的强度；
硼浓度有上限限制，不能无限提高。

影响反应性的因素是很多的，最重要的是堆内材料成份的改变及材料温度的改变。

反应堆运行时要对这些因素对反应性的影响进行有效的控制，使得反应堆保持受控运行状态。

实际上，反应堆总要设计成Keff>1，反应堆运行时调节Keff使其为1，停堆时调节Keff使其小于1。

反应堆冷态停堆情况下(假使全部停堆系统全部移出堆芯)反应性大于0的部分称作剩余反应性。

反应堆运行以后温度升高、产生毒物、燃料消耗等等因素都使得反应性下降，因此反应堆一定要设计相应的后备反应性。

反应堆控制手段要能够控制这些后备反应性，使得反应堆运行时反应性为零，同时还要有调节功率和把反应堆带到一定次临界深度的能力。