核反应堆动力特性及稳定性1

第四代核反应堆动力特性及稳定性分析

摘要

引言

动态特性和稳定性是工程装备的主要技术性能，他们反映了经济性、安全性和可操作性。许多系统的具有动态的表现。虽然有一些系统在操作在静态模式下，但它们在某一瞬态时刻具有动态的行为。如核反应堆，在整个寿命期内，它是工作在稳态条件下。但是当受到一些扰动时，反应堆就会出现一些瞬态的行为。为此，研究和理解它的一些动力学行为对安全分析和运行是非常有必要的。

稳定性是工程系统的另一个重要特性。顾名思义，它表征了系统的稳定度。如果一个系统受到外部扰动，系统应该返回到初始的稳定状态，也可以说是抗干扰性。相反地，不稳定的系统会产生一个偏离初始的状态。在一个既定的需求条件下进行优化设计的系统，系统稳定性要高。特别是在核反应堆中，如果不稳定性不能被控制和降低，最终会导致反应堆的失败。

因此分析和模拟反应堆的瞬态行为尤为重要。瞬态的行为通过时间尺度上的一些测量量来表征，通常是一个时间周期内一些瞬态参数的或参数发生一个重复振荡。该时间周期（时间尺度）远小于反应堆燃料循环时间，而远大于反应堆噪声变化的时间尺度。

反应堆瞬态行为研究主要是分析在外部扰动下，反应堆状态的瞬时变化，反应堆功率随冷却温度、注入堆芯的流量、控制棒移动造成反应性改变等的变化情况。

针对更洁净能源、核废料处理等提出的第四代核反应技术，虽然概念设计有多种，但其动态特性分析鲜有，本文在调研的基础上总结了能源的需求背景，第

四代核反应堆的设计背景以及一些对其特性进行分析和模拟的成果。

1、第四代核反应堆需求背景与发展

1.1 核电需求背景

随着人口的增长，能源需求也在不断增长。美国能源部统计能耗的增长率由20%（2010年）达到30%（2015年），电力储备能力、持续增长的能源危机是迫切需解决的问题。在美国，51%的电力靠煤炭资源，20%来自核动力，9%来自于水动力，2%来自于石油，15%源于天然气，3%来自于风能和太阳能。每种发电方式都有各自的优点和不足：煤炭发电成本较低，但是会对大气环境产生污染；天然气成本也较低，但供应波动较大。同时，燃烧气体也会产生污染；水动力不会有污染，但就地开发利用也会破坏生态环境；石油发电也易产生污染并依赖于国外供给；风能与太阳能无污染，能源无穷无尽，但是能量收集和储备“袖珍”，目前的技术不能解决所有的问题；核能不会污染，从经济上讲，在世界中核材料比较丰富，不需要国外供给，唯一的不足高含量的核废料需要仔细处理。总而言之，易处理、可持续、成本低、安全性好并能满足未来能源需求一种能源技术是世界科学所面临的一个课题，先进的核技术是目前有望实现这个目标的一个最好途径。

衡量一个国家发展的标准之一就是有没有干净、可持续能源供给于不断增长的人口，在过去的几年，裂变燃料主要的能源，占据总能耗的86%（2006年的统计）。据国际能源局预估，在今后的20多年内，裂变燃料能仍占据重要位置。对于大规模发电，环境的友好性、高能效、低成本以及可再生性是对能源技术发展的突出要求。基于此，核电仍发挥不可替代的作用。图1是不同国家核电的比率。

图1 不同国家核电所占的比重

核能被作为一种电力资源，同时也为可持续能源发展提供了一种途径。随着对核废物管理上逐步重视和发展，如果采取更先进的技术，来自核反应过程的废物产量将更少。目前，核反应堆的建设扩张主要集中在亚洲，共有30个反应堆在建或已运行，其中在建的16座在发展中国家。中国有4座而且计划在今后的十年中将建成20多座。印度在建的有7座，计划在2020年增长7倍的数量。日本、巴基斯坦和朝鲜计划持续扩展核动力。在亚太平洋区，越南计划在2015年开建第一座核反应堆，印度尼西亚计划在爪哇岛上建造2座1000兆瓦的反应堆，泰国和马来西亚也准备规划建设。综合考虑能源成本、发电、能量可靠性、环境污染以及更安全、先进核反应堆技术的发展，核动力仍是未来能源储备的最好选择。

1.2 先进核电技术的前景

成本是衡量一个系统运行最重要的指标之一。尽管核电站建造成本很高，但是换算到单位电力功率的成本远低于其他的方式。更重要的原因是核电成本稳定，而石油和天然气发电的成本逐年上升。

（a）不同技术成本随年代变化曲线（美国）（b）不同发电技术的成本

图1 不同发电技术的成本

从对环境的影响来说，燃烧化石燃料发电产生严重的污染，排放在空气中的灰烬、重材料的尘粒、二氧化碳、二氧化硫、氮的氧化物、甲烷等使得周围环境吸纳更多的热量，从而导致温室效应。在美国，每年有24000人死于石化燃料的污染。据估计一个1000 兆瓦媒电站放出的放射性物质是同等功率反应堆放出的100倍。环境保护协会人员调查发现，在生活在煤电站80公里人们每年累积0.03毫雷姆的辐射剂量，而在核反应堆周围仅有0.009毫雷姆。同烧煤发电和烧油发电不一样，核电站不会直接产生硫化物、氧化物和汞等致人伤命的物质。如果全世界16%的核电改成煤炭发电，每年释放1600百万吨二氧化碳和高于5百万吨的二氧化硫。尽管，由核电过程产生的放射性废物对生命是致命地而且危害周期很长，但通过合理的处理和隔绝是可以避免的。因此，发展更先进的核技术，研究高效的，对环境友好的核反应堆尤为重要。如目前研究的液态金属盐冷却反应堆，使用NaF-BeF2作为初始冷却剂，U-Zr-H为燃料。（1000 MW liquid salt cooled reactor was designed that is fullyenvironmental friendly and for that purpose,the reactor uses the binary salt NaF-BeF2 as the primary coolant and it uses U-Zr-H as fuel which are fully clean）。

2 第四代反应堆技术

2.1 反应堆动力学基本

通过改变核反应堆中子的变化来控制反应性和安全是核反应堆控制的基本机制。对于第四代核反应堆也不例外，其反应性的控制更稳定。在不同类型反应堆中，控制堆芯的方法有所不同。在第四代反应堆中，重粒子散射可以平稳反应堆反应过程。通过与电子散射作用，重粒子的速度和反应性得到控制。

在热中子反应堆设计中，共振吸收概率是一个重要因素，大部分中子经减速形成热能的过程中被束缚。在第四代核反应堆设计中，由诸多的方法调节堆芯反应过程，通过控制循环流速调节短期反应性，通过循环水流改变，反应性改变； 通过混合GdO2和UO2，通过控制燃料燃烧实现长期反应性调制。另一种方式通过重粒子与电子散射来调节。定义重粒子X 和电子y ，自由电子静止，假定反应过程的静止质量守恒， Q=0。

反冲电子从重粒子获得最大的能量为：

max M M ()4/e e E m E =

该能量足以是电子从原子中释放处理，并产生离子-电子对。如果重粒子为α，经碰撞从α粒子获得的能量很小。

计算机辅助测试PARR-1核反应堆，给出了反应随静态反应堆正周期关系以及到时方程：

611/i i T l t βρλ=++∑

式中，ρ为反应性，T 为反应堆周期，i β、i λ是第i 组缓发中子的比重和衰减常数。

图 PARR-1核反应堆反应性测试

在反应堆中，大部分中子被吸收慢化为热中子，一部分中子在被靶核的减速过程中在热中子区发生共振吸收。如果一个裂变中子没有被共振吸收的概率为P ，则

/M aM F F M V N V I P e ξ-∑=

中子的寿命周期为秒时间尺度，在一个时间周期内热中子的变化为()eff k n t （-1）， ()n t 为t 时刻的中子密度，则

'

d ()()d eff k n t n t t l （-1）= （1） 上述一阶差分方程得到：

'

()(0)exp[]eff k n t n t l =（-1） （2） (0)n 是t =0时刻的中子密度。eff k ≠1时，中子数密度随时间成指数变化。在一个均匀的热反应堆中，热通量不随位置改变，时域上热中子扩散方程为：

d d t a T n s t φ-=∑ （3）

t s 转化为热中子的份额，n 为热中子的密度。考虑多组缓发中子，更完整的中

子数密度的变化率公式为：

61

d (1)d i i a T i n k C t εβλΦ==-+∑∑ （4） 解为：0p t l n n

e e ρβλρβρβββρβρ--=---，/(1)p T l k α=-