成都理工核反应堆物理分析7反应性随时间.pptx

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几个基本概念：
• 裂变碎片(Fission fragments): 裂变产生 的具有一定动能的多种原子核。
• 裂变产物 (Fission products): 核裂变生 成的裂变碎片及其衰变产物。
• 对于LWR，包括300多种放射性及稳定的同 位素。
• 裂变产额(Fission yield): 裂变中产生某
Xe-135,Sm-149 • 吸收截面和裂变产额大，对反应性影响明
显： 长期：反应堆启动后很快可趋于饱和，
影响稳态反应性。
短期：变工况时浓度变化迅速、幅度较 大，对反应性影响突出。
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2.1 氙-135中毒(Xe-135 poisoning)
• 热区平均吸 收截面 3x106b，
• 总体产额6%
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2 裂变产物中毒
• 裂变产物中毒(poisoning)：由于裂变产物 存在，其吸收中子而引起的反应性变化。
• 单群近似下： F——燃料 M——慢化剂 P——裂变产物
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• 上式仅为单群近似下的结果，在实际工程 中，采用数值方法直接计算中毒。
影响热堆中毒的重要同位素：
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• 乏燃料中有利用价值的核素相当多！
堆芯寿期(core lifetime):一个新装料 堆芯从开始运行到有效增殖因数降到1时， 反应堆堆满功率运行的时间。
• 堆芯寿期的主要限制：随中子通量密度的增 加或燃耗加深，裂变产物不断积累，因而使 反应堆的剩余反应性逐渐下降。
• 剩余反应性: 反应堆在无控制毒物情况下超 临界的反应性。
• 实际热堆稳态中子通量密度为10-14cm-2s-1数 量级。在此水平下，Xe主要因吸收中子而消 失。
• 对于启动和停堆工况，我们近似认为其中子 通量密度是在“瞬间”达到稳态值或0的。
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• 在高热中子通量密度下运行的反应堆可近似 认为平衡氙中毒与热中子通量密度值无关。
核反应堆物理分析
反应性随时间的变化
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1 核燃料重同位素随时间的变化
1.1重同位素燃耗链及裂变产物链;1.2重同 位素燃耗方程;
2 裂变产物中毒
2.1氙-135中毒(启动;停堆;功率过渡;氙振 荡);2.2钐-140中毒;
3 反应性与燃耗计算
4 核燃料转换与增殖
(转换比)
2
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引 子——反应性随时间变化
• 前几讲均以稳态模型为研究对象。但实际 中，由于易裂变核素的裂变和新的易裂变 核素的产生、裂变产物的积累、冷却剂温 度的变化和控制棒的移动等原因；
• 反应堆的许多物理量：反应性、燃料同位 素成份、中子通量密度都是时间的变量， 称为反应堆动态学。
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• 研究核燃料同位素和裂变产物同位素成分 随时间的变化以及他们对反应性和中子通 量密度分布的影响等；变化速率缓慢（以 小时或日为单位来度量）；
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-
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• 其中，将短半衰期的Sb-135和Te-135的产额与I-135 的直接产额之和作为I-135的裂变产额。
• I-135热中子吸收截面8b，半衰期6.7h，故可忽略其
辐射俘获，认为其全部转化为Xe-135。
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裂变 产 物 U-233
I-135 4.884 Xe-135 1.363 Pm-149 0.66
裂变产额 /%
U-235 Pu-239
6.386 6.100 0.228 1.087 1.13 1.19
Pu-241 7.694 0.255
衰变常数
/10 5s -1
2.87 2.09 0.358
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• 以上给出了碘-135和氙-135的单群燃耗方 程，可以对热堆中毒进行粗略分析。
燃料链与所采用的燃料循环类型有关。 本节将集中以热堆铀-钚循环为例分析。
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1.1 重同位素燃耗链及裂变产物链
• 略去半衰期较短及吸收截面(宏观)较小的产 物，只保留工程计算中有重要意义的核素：
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• “重”同位素：U、Np、Pu、Am、Cm……但
在动力堆计算中，质量数大于242的一般不予 考虑。在生产堆中除外。e.g.超Pu元素。
一给定种类裂变产物的份额。
本节中以 表示。
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工程计算，按吸收截面及裂变产额分类：
• 单独计算：Xe-135、Sm-149、Rh-103、Eu-
155……(σa>104b)
• 集总计算：两组：
慢饱和裂变产物(slow-saturated fission product ,SSFP):吸收截面较大，浓度随运行 时间缓慢趋于饱和。
• 研究在反应堆启动、停堆和功率调解过程 中，中子通量密度和功率随时间的变化， 变化迅速（以秒为单位来度量）；
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Biblioteka Baidu
1 核燃料重同位素随时间的变化
以一个电功率1000MW核电厂为例，一 天消耗约3kgU-235，期间不断有易裂变同 位素生成和裂变产物的积累(300余种)。
三类过程：裂变(诱发)、辐射俘获、衰 变。
非饱和裂变产物(non-saturated fission product ,NSFP):吸收截面较小，不饱和。
e.g.
SSFP
a
i i ai
=
i
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i
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WIMS和CASMO-3热堆计算中考虑的裂变产 物：22+2种，14条裂变产物链。
S
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1.2 重同位素燃耗方程
• 包括燃耗链和裂变产物链。 • 对于分支链线性化处理，按独立链计算，
同种核素计算结果相加。 • 编号处理：(P168)
12345678… U- U- Np- Pu- U- Np- Pu- Pu- … 235 236 237 238 238 238 239 240
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燃耗方程(depletion equation)： • 核密度变化率=产生率-消失率
=辐射俘获反应率(产生-消失) +衰变反应率(产生-消失) -裂变反应率
核子数密度变化率=
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近似方法： • 空间离散：燃耗区
令每个燃耗区内中子通量密度、核密度为 常数。
• 时间离散：燃耗步长 令每个燃耗步长内中子通量密度为常数。
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燃耗方程的求解