第8章温度效应与反应性控制

8.2.2 反应性控制的任务
• 反应堆控制的分类：
– 紧急控制 能够迅速引入大的负反应性，快速停堆，并达到一定的 深度。要有极高的可靠性。 – 功率调节 要求操作简单又灵活 – 补偿控制 控制毒物变化很缓慢
8.2.3 反应性控制的方式
• 控制方法
– 改变堆内中子吸收 – 改变中子慢化性能 – 改变燃料的含量 – 改变中子泄漏
几种堆型的反应性系数
温度系数的计算
• 不同温度T下的临界计算，求出相应的keff，从而 得出∆keff与∆T的比值，即温度系数 • 计算精度与所取得温差大小有关 • 微扰理论求解温度系数
8.2 反应性控制的任务和方式
• 剩余反应性
堆芯中没有任何控制毒物时的反应性，ρex。时间、 温度函数， ρex↑堆芯寿期↑ 、中子利用率↓ 、 控制要求↑
切尔诺贝利核电站事故死亡人数为30人
本报维也纳5月21日电（记者丁健行）联合国原子辐射效应科学委员会2日至11日在 维也纳举行第49次会议，会议的主要议题之一是评价切尔诺贝利核电站事故14年来的辐 射后果。该委员会的结论是：核电站事故造成30人死亡，其中28人死于过量照射，死者 均为电站工作人员或消防人员。开始被检查有急性放射病症状的工作人员共237人，最后 诊断为急性放射病的为134人，其他人没有确诊。134人中包括辐射照射致死的28人。 对于切尔诺贝利核电站事故的长期效应，联合国原子辐射效应科学委员会的结论 是：除儿童甲状腺癌的发生率有十万分之几例的增加外，至今未发现有其他可归因于这 次事故的总癌症发生率和死亡率的增加。 联合国原子辐射效应科学委员会是联合国系统中专门评价电离辐射水平和健康效应 的一个科学委员会，由各国科学家代表和顾问组成，每年召开一次会议，发表专门报 告。其报告在国际上被公认为在这个领域中最有权威的报告。针对近来西方舆论界的大 量错误报道，本次会议专门讨论了切尔诺贝利核电站事故的后果，通过了联合国原子辐 射效应科学委员会主席给联合国秘书长安南和世界卫生组织总干事的信，澄清了有关事 实。最近以来一些传媒报道说，1986年发生的切尔诺贝利核电站事故到现在已造成7000 人死亡，还有称已死亡3万人。这些为追求“轰动”效果而缺乏科学依据的错误报道有损 核能的公众形象，影响了人类和平利用核能的信心，这一情况引起科学家们的极大担 心。 《光明日报》2000-5-22第4版
=剩余反应性+停堆深度。
几种主要堆型的各种反应性
8.2.2 反应性控制的任务
• 反应性控制的主要任务：
– 控制剩余反应性，满足长期运行的需要 – 通过控制毒物适当的空间布置和最佳的提棒程序，使反 应堆在整个寿期内保持较平坦的功率分布，尽量降低功 率峰因子 – 在外界负荷变化时，能调节反应堆功率，使它能适用外 界负荷变化 – 反应堆事故时，能迅速安全停堆，并保持适当的停堆深 度
日本美滨核电站核事故
• 2004年08月09日，关西电力公司位于福井 县的美滨核电站（位于东京以西约350公里） ３号机组涡轮室内发生蒸气泄漏。 • 4人死亡，7人受伤 。没有核物质泄漏。
8.1.1 反应性温度系数及其对核反应堆稳定性的影响
单位温度变化所引起的反应性变化称为反应性温度系数
∂ρ αT = ∂T
α
M V
∂ρ = ∂x
空泡份额增大时，出现三种效应：
① 冷却剂有害中子吸收减小：正效应 ② 中子泄漏增加：负效应 ③ 慢化能力变小，能谱变硬：正或负效应
总的净效应是上述效应的叠加 热堆（轻水堆）一般为负，快堆可能为正
8.1.4.b 功率系数
堆芯内部燃料温度及其变化等是不能直接测量的，实际运行 中通常以功率作为观测量。 因此引入功率系数：单位功率变化所引起的反应性变化
F T
考虑“四因子公式”
N A dI α =− ξΣ s dTF
F T
燃料温度系数影响因素
① 燃料温度有关 ② 燃料成分相关： 多普勒效应，低富集铀燃料(238U共振俘获吸收截面 > 235U共振裂变截面) ③与燃料燃耗有关：240Pu增加，多普勒效应使燃料负温度系数的绝对值增大
8.1.3 慢化剂温度系数
美国三哩岛核事故
• 1979.3.28,美国宾夕法尼亚州萨斯奎哈河三哩岛核电站，堆芯 熔化 • 后果：
– 在以三哩岛核电站为圆心的50英里范围内的220万居民中无人发生急性辐 射反应 – 周围居民所受到的辐射相当于进行了一次胸部透视的辐射剂量 – 三哩岛核泄漏事故对于周围居民的癌症发生率没有显著性影响 – 三哩岛附近未发现动植物异常现象，当地农作物产量未发生异常变化 – 但是，直接经济损失达10亿美元之巨
WHY？
寿期末硼浓度比寿期初低 寿期末堆芯重同位素（中子吸收体）的积累
从反应堆运行角度，需要考虑功率系数的积分效 应，即功率亏损： 描述功率系数的积分效应，指当反应堆功率提升 时，向堆芯引入的负的反应性效应。是反应性亏损， 而非功率的亏损
∆ρ PDFra Baidu bibliotek= ∫
P0
0
dρ dP dP
当反应堆功率提升时，需向堆芯引入一定量正反应 性，补偿功率亏损引入的负反应性，才能维持堆在新 功率水平下稳定功率运行！
近似计算公式
反应堆总的温度系数 = 各材料成分温度系数的总和
∂ρ i αT = ∑ = ∑αT i ∂Ti i
其中起主要作用的是燃料温度系数和慢化剂温度系数
αT>0：正阶跃 P↑ T↑ k↑ ρ↑ P↑ （不稳定） αT<0: ① |αT|很小，导热很快：正阶 跃 P↑ T↑ 且快 ρ↓很 小(ρ>0) P↑ T↑…… ρ=0 (稳态） ② |αT|很大，导热不快：正阶 跃 P↑ T↑ 且不快 ρ↓ 很大 ρ< 0 P↓ T↓ ρ ↑ ρ=0 (稳态）
∂ρ ∂Ti ∂ρ ∂x dρ F ∂TF M ∂TM M ∂Tx = ∑ α = + αT + αV ≈ αT + ∂P ∂P ∂x ∂P ∂P dP i ∂Ti ∂P
P
功率系数是所有反应性系数变化的综合，与反应堆核特性 相关，与热工水力特性也有关。
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，为缓发温度系数
α
M T
1 ∂keff ≈ keff ∂TM
固体慢化剂，膨胀系数小，近似认为密度不随温度变化， 仅引起中子能谱的变化，所以温度系数很小。下面讨论液体 慢化剂
慢化剂温度增加时，将引起两个相反的效应： 正效应：
① 温度升高，密度减小，有害吸收将减小，keff增加 ② 如慢化剂含有化学补偿毒物(如硼酸)，温度升高导致溶解 度减小，正效应非常显著。寿期初可能出现正的温度系数
8.1.2 燃料温度系数
由单位燃料温度变化所引起的反应性变化称为燃料温度系数 瞬发系数: 功率变化时，燃料温度立即升高，燃料的温度效应 立即表现出来。对功率变化响应快，对安全运行非常重要！ 燃料温度系数主要是由于燃料核共振吸收的多普勒效应引起!
1 ∂keff 1 ∂p α ≈ = keff ∂TF p ∂TF
根据反应性定义，可得
1 ∂ 1− k ∂ρ eff = αT = ∂T ∂T
= 1 ∂keff = 1 ∂keff − keff − 1 ∂keff 2 2 ∂T ∂T keff keff ∂T keff
1 ∂keff αT ≈ keff ∂T
因 keff≈1，所以上式可写为
• 控制方式
– 控制棒控制 – 固体可燃毒物控制 – 化学补偿控制
8.3 控制棒控制
8.3.1 控制棒的作用
控制棒是反应堆紧急控制和功率调节所不可缺少的控制部 件，特点：移动速度快、操作可靠、适用灵活、控制反应 性准确度高 • 主要控制下面的反应性变化： – 燃料的多普勒效应 \ 慢化剂的温度效应和空泡效应 \ 变 工况时，瞬态氙效应 \ 硼冲稀效应 \ 热态停堆深度
8.3.3 控制棒插入深度对控制棒价值的影响
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的 控制棒积分价值。
控制棒的微分价值
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。单位：PCM/cm ① 控制棒位于顶部与底部时，非线性关系 ② 中部，微分价值较大，近似线性关系 → 反应堆中调节帮的调节段一般都选择在堆 芯的轴向中间区段。
• 形状 – 石墨/重水反应堆：粗棒或套管形式的控制棒 – 沸水反应堆：十字形控制棒 – 压水堆：束棒式控制棒 • 对控制棒材料的要求 – 大的中子吸收截面，包括热中子及超热中子 – 较长的寿命：单位体积吸收体核子密度大、子核吸收截 面大 – 抗辐照、抗腐蚀和良好的机械性能，同时价格便宜等
控制棒用材料核特性
控制棒价值的计算
分别计算有控制棒存在和没有控制棒存在时反应堆的反应性，两种情况 之差即所求的控制棒的反应性价值。 控制棒与周围水组成“控制棒栅元”，与周围8个燃料栅元均匀混合 构成的附加层，形成“超栅元”。利用CPM等方法求解中子通量密度、 均匀化截面、控制棒价值等。
8.3.3 控制棒插入深度对控制棒价值的影响
第8章 温度效应与反应性控制
主讲 马续波
核科学与工程学院反应堆工程教研室
堆芯温度不断变化：
冷态至热态：200~300K 功率改变 堆芯温度变化
堆芯温度及其分布的变化将引起：
燃料温度变化：多普勒效应，共振吸收增加 慢化剂密度变化：慢化能力及慢化性能改变 中子截面的变化: 截面是温度的函数 可溶硼溶解度的变化
上述因素的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，该物理现象称为反应堆的“温度效应”。
反应堆反应性变化的主要影响因素
• 温度效应 • 燃耗 • 中毒 • 功率调节、反应堆启动、停堆等 反应堆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
压水堆反应性变化
反应性效应 温度亏损 功率亏损 氙和钐中毒 燃耗 功率调节 紧急停堆 数值，% 2~5 1~2 5~25 5~8 0.1~0.2 2~4 要求变化率 0.5/h 0.05/min 0.004/min 0.017/d 0.1/min <1.5~2s
• 影响：
– 核能史上第一起堆心熔化事故，反核人士反对核能应用的有力证据； – 三哩岛核泄漏事故虽然严重，但未造成严重后果，原因在于围阻体发挥 了重要作用，凸现了其作为核电站最后一道安全防线的重要作用； – 运行人员的错误操作和机械故障是重要的原因，提示：核电站运行人员 的培训、面对紧急事件的处理能力、控制系统的友好性等细节对核电站 的安全运行有着重要影响。
负效应：
① 温度升高，密度减小，慢化能力减弱， 共振吸收增加 ② 温度增加，中子能谱硬化，238U、240Pu 低能部分共振吸收增加
综合效应：??
慢化剂负温度系数有利于反应堆功率的自动调节！
8.1.4.a 空泡系数
在冷却剂中所包含的蒸汽泡的体积百分数称为 空 泡份额 (x) 冷却剂的空泡份额变化百分之一所引起的反应性变 化，为空泡系数
8.1 反应性系数
• 反应性系数: 指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：反应性温度系数、空泡系数、功率系数等。
• 为保证反应堆安全运行，要求反应性系数为负 值，以便形成负反馈
切尔诺贝利核电站
• 石墨水冷堆 • 事故原因：
– 操作员严重违反操作规程 – 核电站内在的设计缺陷: 正反应性系数（低功率状态）、空心控制棒 设计等
中子价值：同一个中子，在堆芯不同地点，对链式反应和 反应堆的功率的贡献是不同的，即不同r处，中子具有不 同的价值。 φ*(r)表示中子价值，正比于在r点每秒消除或出现一个 中子所引起的反应堆反应性的减少或增益。 堆芯边界处中子价值<芯部中心处中子价值 控制棒价值与被吸收中子数及中子价值有关
• 控制毒物价值/控制毒物反应性 某一控制毒物投入堆芯所引起的反应性变化 量， ∆ρi
• 停堆深度 当全部控制毒物都投入到堆芯时，反应堆所达到的负反应 性， ρs 。 为保证安全，要求：在热态、平衡氙中毒工况下，应有足 够大的停堆深度。 压水堆规定：在一束具有最大反应性的控制棒被卡在堆外 的情况下，冷态无中毒时的停堆深度必须大于2~3 $ • 总的被控反应性