核反应堆物理分析第八章

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上面定性地分析了影响反应堆温度系数的各种因素,但 温度系数的具体计算是比较复杂的。实际上需要对反应 堆作不同温度T下的临界计算。计算时,首先计算在不同 的燃料或慢化剂温度条件下堆芯的群常数,然后利用堆 芯扩散计算程序,对反应推进行临界计算,直接计算出 在不同的燃料或慢化剂温度下的有效增殖系数keff(T),求 出Δk和ΔT的比值,从而求得温度系数。
dNF t
dt
a,F
t
N
F
t
dNP t
dt
a,P
t
N
P
t
dNFP dt
FP f t a,FP tNF t
NF,NP和NFP分别为燃料、可燃毒物和裂变产物的核密度。
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可燃毒物的布置及其对反应性的影响
对上述各式对t积分,可得
N F t N F 0exp a,F F t N P t N P 0exp a,P F t
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可燃毒物控制
------可燃毒物的作用
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可燃毒物控制
------可燃毒物的作用
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可燃毒物的布置及其对反应性的影响
1.均匀布置情况
可燃毒物在堆芯中可以采用均匀和非均匀的布置。为了了解可燃毒 物在维芯中的分布对反应性的影响,首先分析可燃毒物与慢化剂-燃 料均匀混合的情况。为了简化起见,假设堆芯中没有中子泄漏,这 时燃料和可燃毒物的核密度随时间变化的方程分别为:
渐地升高,反应堆的反应性逐渐地减小。当反应堆的功率上升到某一水平, 温度效应所引起的负反应性刚好等于引入的正反应性时,反应堆就在这一 功率水平下稳定运行。
➢在温度系数小于零且它的绝对值又很大,同时热量的导出不够快的情况 下,反应堆的功率开始时也较快地上升。由于导热不快,所以反应推的温 度增加很快,反应推的正反应性很快地就下降到零以下。这时,反应堆就 处于次临界状态,反应堆的功率开始下降,温度也随之下降。温度下降所 引起的正反应性使反应堆的反应性开始上升。当功率下降到某一值时,反 应堆的反应性刚好为零,这时,反应推就在这一功率下稳定地运行。
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燃料温度系数
此外,燃料温度系数与燃料燃耗也有关系。在低富集铀 为燃料的反应堆中,随着反应堆的运行,239Pu和240Pu不 断地积累。240Pu对于能量靠近热能的中子有很强的共振 吸收峰,它的多普勒效应使燃料负温度系数的绝对值增 大。在核反应堆物理设计时,通常必须计算堆芯运行初 期和运行末期在不同功率负荷情况下的燃料温度系数。
2020/4/5
控制棒间的干涉效应
2020/4/5
控制棒间的干涉效应
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控制棒Biblioteka Baidu的干涉效应
为了定性地说明相互干涉效应,我们考虑堆芯中只有两根控制棒的 情况。见图8-8所示。堆芯中没有控制棒插入时,径向中子通量密 度分布如图8-8中虚线所示。当第一根控制棒完全插入堆芯时,径 向中子通量密度分布如图中实线所示。控制棒的价值是与其所在处 中子通量密度平方成正比。假如把第二根控制棒插在第一根控制棒 附近的d1处,由于该处的中子通量密度比原来无控制棒时的中子通 量密度下降了,因此第二根控制棒的价值比它单独插入堆芯时的价 值低。如果把第二根控制棒插在离第一根控制棒较远的d2处,这时 该处的中子通量密度比原来(没有第一根控制棒时)高,因此,第二 根控制棒的价值比它单独插入堆芯时的价值高。同理,当第二根控 制棒插入堆芯时,它也会使中子通量密度分布发生畸变,因而影响 到周围控制棒的价值。事实上,这样的影响是相互的,每一根控制 棒的插入都将引起其它控制棒价值的变化。
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控制棒插入深度对控制棒价值的影响
从图8-6和图8-7可知,当控制棒位于靠近堆芯顶部和底 部时,控制棒的微分价值很小并且与控制棒的移动距离 呈非线性关系;当控制棒插入到中间一段区间时,控制 棒的微分价值比较大并且与控制棒的移动距离基本上呈 线性关系。根据这一原理,反应堆中调节棒的调节带一 般都选择在堆芯的轴向中间区段。这样,调节棒移动时 所引起的价值与它的插入深度呈线性关系。
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控制棒插入不同深度对堆芯功率分布的影响
2020/4/5
控制棒插入不同深度对堆芯功率分布的影响
图8-10给出了控制棒束插 入不同深度时的轴向中子 通量密度分布。当控制棒 未插入时,堆内轴向中子 通量密度呈正弦对称分布; 随着控制棒逐渐插入,中 子通量密度的峰值逐渐向 底部偏移,且峰值也变大。
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反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
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反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
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反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
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反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
为了进一步说明温度系数 对反应堆稳定性的影响, 图8-1表示在不同温度系数 的情况下。
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慢化剂温度系数
由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。由于热量是在燃料棒内产生,热量从燃料棒 通过包壳传递到慢化剂需要一段时间,因而慢化剂的温 度变化要比燃料的温度变化滞后一段时间。所以,慢化 剂温度系数滞后于功率的变化,故慢化剂温度系数属于 缓发温度系数。
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反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
➢当反应堆内引入一个阶跃正反应性之后,反应维的功率随时间变化情况
可高由以 。此从图可上见看出,,负在温温度度系系数大数干对零反的情应况维下,的反调应节堆的和功运率将行很安快全地升
➢都当温具度有系重数小要于的零且意它义的。绝对压值水很小维时物,理同时设热计量导的出基又本足够准快则的情之况 下一,,反应便堆是的功要率保在证开始温时度也较系快数地必上升须。为但功负率值上。升使反应堆的温度逐
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控制棒的一般作用和一般考虑
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控制棒价值的计算
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控制棒价值的计算
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控制棒插入深度对控制棒价值的影响
插入堆芯不同深度的控制棒价值通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。随着插入深度越大,所引入的负反应性也 越大。积分价值在帮为处于顶部时等于零。图8-6给出了 典型的控制棒积分价值曲线,图中PCM为习惯上采用的 反应性单位,1PCM=10-5;
① 控制棒控制; ② 固体可燃毒物控制,主要用于补偿部分初始过剩反应
性; ③ 化学补偿控制,主要在冷却剂中加入可溶性硼酸溶液
来补偿过剩反应性。
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反应性控制的方式
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控制棒控制
控制棒的一般作用和一般考虑
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控制棒的一般作用和一般考虑
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控制棒的一般作用和一般考虑
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控制棒插入深度对控制棒价值的影响
控制棒的微分价值——在反应堆设计和运行时,不仅
需要知道控制棒完全插入时的价值,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,其单位常采用PCM/cm。它的
表现形式如下
c
d
dz
H
Δρ为反应性的变化,ΔH为棒位变化量。控制棒的微分价 值是随控制棒在堆芯内的移动位置而变化的。图8-7给出 了典型的PWR反应堆中控制棒组的微分价值与其高度的 关系。控制棒组表示一起移动的一组控制棒。棒微分价 值是积分价值曲线上相应点的切线斜率。
2020/4/5
温度效应与反应性控制
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温度效应与反应性控制
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温度效应与反应性控制
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反应性系数
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:反应性相对于温度的变化率称为反应相的温度系数; 相对于功率的变化率称为功率系数等。
亏损ΔρPD指从零功率变化到满功率时反应性的变化
PD
P0 0
ddP
dP
P0表示满功率。从上式可以看出,反应堆功率升高时, dρ/dP一般为负。由于功率亏损一定得向堆芯引入一定量
的正反应性来补偿功率亏损引入的负反应性,才能维持
反应堆在新的功率下稳定运行,这是非常重要的一点。
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温度系数的计算
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燃料温度系数
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燃料温度系数
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燃料温度系数
当反应堆的功率发生变化时,燃料温度立即发生变化, 而慢化剂温度还来不及发生变化。这时在(8-6)式中只有I 随燃料温度而变化。把(8-6)式代人(8-5)式使得到
当燃料温度升高时,有效共振积分增加,即dI/dTF〉0。 所以在以低富集铀为燃料的反应堆中,燃料温度系数总 是负的。图8-2给出某压水堆燃料温度系数与燃料温度的 关系。
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其他反应性系数
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其他反应性系数
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其他反应性系数
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其他反应性系数
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其他反应性系数
从核电厂运行的角度看,更有意义的是功率系数的积分
效应,即功率亏损,这里的亏损指的是反应堆功率升高
时,向堆芯引入了负的反应性,是反应性亏损了。功率
慢化剂温度系数
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慢化剂温度系数
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慢化剂温度系数
慢化剂负温度系数有利于反应堆功率的自动调节。例如 在压水动力堆中,当外界负荷减小时,汽轮机的控制阀 就自动关小一些,这就使进入堆芯的水温度升高。当慢 化剂温度系数为负值时,反应堆的反应性减小,功率也 随之降低,反应堆在较低功率的情况下又达到平衡。同 理,当外界负荷增加时,汽轮机的控制阀自动开大一些, 这就使进入堆芯的水温下降,反应堆的反应性增大,功 率随之升高,反应堆在较高的功率下又达到平衡。
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温度系数的计算
以这种方法所计算出的结果是指在所计算的温差范围内 的平均温度系数。计算的准确度与所取的温差大小有关。 一般说来,所取的温差越小,计算所得的温度系数精度 越高。但是,当温差很小时,有可能在这个温差下计算 的Δk与k本身的计算误差相当,反而影响计算的准确度。 虽然采用提高临界计算精度的方法能改善Δk计算的准确 度,但由于在有效增谊系数的计算中存在着固有的计算 误差,这样就限制了温度系数计算的准确度。在这种情 况下,采用微扰理论方法来计算温度系数是比较合适的。
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可燃毒物控制
------可燃毒物的作用
在动力反应堆中,通常,新堆芯的初始剩余反应性都比 较大。特别是在第一个换料周期的初期,堆芯中全部核 燃料都是新的,这时的剽余反应性最大。如果全部靠控 制棒来补偿这些剩余反应性,那么就需要很多控制棒, 而每一控制棒(或棒束)都需要一套复杂的驱动机构。这 非但不经济,而且在压力容器封头上要开许多孔,结构 强度也不许可。如果全部依靠增加化学补偿毒物(如硼酸) 浓度来满足要求,那么硼浓度可能超过限值,从而使慢 化剂温度系数出现正值。尤其是在轻水反应堆中,这个 问题更为突出。为了解决这个问题,可以采用控制棒、 可燃毒物与化学补偿毒物三种方式的联合控制,以减少 控制棒的数目。
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控制棒间的干涉效应
从8-9上可以清晰地看出这 种相互干涉效应的结果。图 中虚线表示单根偏心控制棒 价值的两倍,实线表示两根 偏心控制棒同时插入堆芯时 的价值。从图中可知,在两 根控制棒相距较近时,两根 同时插入堆芯时的总价值比 它们单独插入时价值的总和 要小;在两根控制棒相距较 远时,两根棒同时插入所得 的价值比单独插入所得到的 价值的总和要大。考虑到控 制棒的相互干涉效应,通常 在设计堆芯时,应使控制棒 的间距大于热中子扩散长度。
2020/4/5
反应性控制的任务和方式
2020/4/5
反应性控制的任务和方式
2020/4/5
反应性控制的任务和方式
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反应性控制的任务
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反应性控制的任务
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反应性控制的方式
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反应性控制的方式
根据上述控制方法,目前反应堆采用的反应性控制方式 主要有如下三种:
参数变化引起的反应性的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,这样就 造成了一种反馈效应。反应性系数的大小决定了反馈的 强弱。
为了保证反应堆的安全运行,要求反应性系数为负值, 以便形成负反馈。
2020/4/5
反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
2020/4/5
反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
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