chapter.09.反应性的控制方式分析

畸变比较小。
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56.反应性控制的任务及实现方法
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⑶反应性控制的基本原理与主要方式 ①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。
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Ⅱ.黑棒与灰棒

根据控制棒材料对中子吸收的特性，控制棒可分 为黑棒和灰棒：
黑棒：基本能够吸收所有的入射中子；
黑棒中子吸收能力很强，其会对功率分布和通量分布
造成较大的扰动，使得功率分布较为畸形。
灰棒：只能吸收部分入射中子。
对于相同的反应性，需要的灰棒数量比黑棒要多，但
在反应堆中心处，中子通量密度大，中子价值也大，

因此控制棒的微分价值较大；
在反应堆边缘处，中子通量密度小，中子价值也小，
因此控制棒的微分价值较小。
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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
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②控制任务 基于控制棒的特点，其主要用于以下任务：
补偿功率变化过程中的Doppler效应； 补偿慢化剂温度效应和空泡效应； 功率变化时的瞬态135Xe效应（135Xe振荡）； 硼稀释效应； 当反应堆出现紧急情况时能够迅速、安全停堆。
其对周围的功率分布和通量分布造成的扰动较小，使 得功率分布较为平坦。
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②几种常用的控制棒材料
Ⅰ.Hf的特点

Hf具有如下特点：
对热中子吸收截面较弱（113b），但对超热区的中
子具有较强烈的共振吸收，即在较宽的能量范围内 的吸收截面都较大；
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⑵控制棒的结构
①控制棒组合传动

在典型（常见大型）的压水堆中一般采用控制棒组合 传动的方式。 在一些小型（体积比较紧凑）的反应堆中，采用十字 形控制棒组件：控制棒排列成一个十字形，装在鞘内， 布置在四个方形燃料组件中间。
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⑴控制棒控制的特点及应用 ①控制棒控制的优、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。
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用作控制棒的材料，其应当满足以下条件：
对较宽能量范围的中子有较强的吸收能力； 不易消耗，这就要求其吸收中子后的几代产物都应
具有较高的中子吸收截面； 与堆芯材料相容性好； 抗腐蚀、抗辐照性能好； 具有一定的机械强度，并且易加工。
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如果控制棒Ⅱ的位于区域B中，那么此时控制棒Ⅱ
棒价值影响不大； 具有较好的机械性； 具有较好的抗辐照性能； 需要不锈钢包壳，以免与水发生反应。
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⑷控制棒的价值 ①中子价值


一个中子处于堆芯不同的区域时，其对堆芯中子 增殖的贡献是不同的。也就是说，处于堆芯不同 区域的中子具有不同的价值。 【定义】中子价值 * 通常用 r 表示中子的价值，其正比于在 r 点每 消失（或产生）一个中子引起的堆芯反应性的减 少（或增加）。
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【定义】控制棒的积分价值 当控制棒从一参考位置移动到某一高度时，所引入的 反应性称为控制棒的积分价值。 参考位置可任意选择，一般可选为堆芯活性区的顶端 或底端，即控制棒全部提出或插入时的状态。 积分价值曲线的斜率便是该点处控制棒的微分价值， 从而积分价值曲线：
在中间部位近似为直线，曲线的斜率较大，此时控
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②反应性控制的几种方式 实际中，常用的控制方式有以下三种：
控制棒控制 可燃毒物控制 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。
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制棒的微分价值近似为常数，且其值较大；
在两端变化较缓和，此时控制棒的微分价值较小。
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⑸控制棒对功率分布的影响
①对功率峰值的影响

控制棒插入堆芯时，会使堆芯的中子通量分布和功率 分布产生畸变： 功率峰下移； 功率峰值增大。 因而在设计时应当认真考虑控制棒插入对功率峰值的 影响，使得功率峰因子不超过规定的限制。
中子通量密度
r 。 控制棒的价值还与中子通量密度Φ有关，因为Φ越大， ΣaΦ也越大，从而对反应性造成的影响也越大。
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* 对于单群理论，可以证明中子价值 r 和中子通 量密度分布 r 是相同的，即：


对于控制棒材料的选择，显然应当选取吸收截面较大 的材料。 对于吸收截面较大的材料，其有以下问题： 消耗很快，随着时间的增加，控制棒材料将会很快 的消耗； 控制棒在反应堆内的插入长度是变化的，这将导致 控制棒下端的材料比上部的材料燃耗大。
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⑵反应性控制的任务

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。
Hf吸收中子后连续产生的几代子核都具有较高的中
子吸收截面；
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②十字形控制棒组件

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控 制 棒 控 制
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57.
控 制 棒 控 制
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⑶控制棒材料的选取
①材料选取的基本准则 Ⅰ.材料选取准则
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②控制棒价值 Ⅰ.控制棒价值的影响因素 控制棒的价值的影响因素有：
中子的价值
* r ；
空间不同处的中子对堆芯反应性的贡献是不同的，因
此控制棒插入堆芯不同位置，其所带来（控制）的反 应性变化也不同。
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⑹控制棒间的干涉效应

在反应堆中一般有多根控制棒。当这些控制棒同 时插入堆芯时，各自会对彼此的反应性价值造成 影响。 当控制棒Ⅰ插入堆芯时，会使得堆芯的中子通量 分布产生畸变，使得一部分堆芯的通量分布在有 的区域变小（区域A），有的区域变大（区域B）。

Ag、In和Cd具有如下特点：
Ag对5～6eV附近的中子具有一个较高的吸收峰；
Cd对热中子的吸收截面较高（2450b），但是对超
热中子吸收能力较低；
In对2eV以下的中子的吸收能力很强。

实际当中，采用质量分数为80(Ag)-15(In)-5(Cd)的 合金，能够在较宽的能量范围内取得较好的吸收 效果。

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B
A
B
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此时将控制棒Ⅱ插入堆芯：
如果控制棒Ⅱ位于区域A中，那么根据控制棒的价
值与Φ成正比可知，此时控制棒Ⅱ的价值小于控制 棒Ⅱ单独插入时的价值。

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②对燃料燃耗的影响


在反应堆运行初期，堆芯剩余反应性较大，因而 控制棒插入较深。此时功率峰位于堆芯的下部。 因此堆芯下部的核燃料消耗较快。 从而在寿期末（EOL），堆芯下部燃料的燃耗深 度较大。这将使得功率（通量分布）峰向堆芯上 半部移动。
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对于Ag-In-Cd合金：
在10eV以下的能区具有较大的中子吸收截面； In和Ag都具有较大的吸收截面，并且其燃耗对控制
具有较好的机械性能较好； 抗辐照性能和抗腐蚀性能好，不需要包壳； 分离获取比较困难（成本较高）。

Hf是制造控制棒的理想材料，但由于其获取困难， 成本高。因此，其较多使用在舰船动力堆中。
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Ⅱ.Ag-In-Cd的特点
* r r

所以控制棒的价值与插入点的中子通量密度的平 方 2 r 成正比。
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Ⅱ.控制棒的微分价值与积分价值

【定义】控制棒的微分价值 控制棒移动一步或单位距离的所引起的反应性的 变化称为控制棒的微分价值，用符号dρw/dz来表示。 在反应堆中：
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反应性的控制方式
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本科教学（48学时）
56.反应性控制的任务及实现方法
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⑴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。
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⑷反应性控制中的几个概念

【定义】控制毒物反应性 某一种控制毒物投入堆芯所引起的反应性变化， 称为该控制毒物的反应性，用符号Δρi表示。 【定义】停堆深度 当全部控制毒物都投入堆芯时，反应堆所达到的 负反应性称为反应堆的停堆深度，用ρs表示。其 表达式为：
s
Ks 1 Ks

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在设计反应堆时，堆芯应当具有足够的停堆深度。
【定义】总的被控反应性 总的被控反应性等于剩余反应性和停堆深度的绝 对值之和，即： Δρ＝ρex＋|ρs|

显然，总的被控反应性即是控制毒物所应具有的 毒性的大小。