核物理基礎(chǔ) 知識(shí)

1、第四章：反應(yīng)性的變化與控制4.1 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)有效倍增因子有效倍增因子Keff是反應(yīng)堆最重要的一個(gè)宏觀物理量。是反應(yīng)堆最重要的一個(gè)宏觀物理量。一座反應(yīng)堆的一座反應(yīng)堆的Keff應(yīng)該在應(yīng)該在1附近。附近。 Keff與與1的相對(duì)偏離的相對(duì)偏離定義為反應(yīng)性定義為反應(yīng)性：(K1)/K=0：臨界；：臨界；0：超臨界；：超臨界； 0：次臨界：次臨界 元是反應(yīng)性的單位，當(dāng)反應(yīng)性的數(shù)值等于緩元是反應(yīng)性的單位，當(dāng)反應(yīng)性的數(shù)值等于緩發(fā)中子有效份額時(shí)，稱為一元。發(fā)中子有效份額時(shí)，稱為一元。1.反應(yīng)性溫度系數(shù)反應(yīng)性溫度系數(shù) 反應(yīng)堆停堆時(shí)處于常溫狀態(tài)，即冷態(tài)。運(yùn)行時(shí)溫度升高反應(yīng)堆停堆時(shí)處于常溫狀態(tài)，即冷態(tài)。運(yùn)行時(shí)溫度

2、升高到運(yùn)行溫度。材料溫度的改變一般情況下對(duì)反應(yīng)性有很大的影到運(yùn)行溫度。材料溫度的改變一般情況下對(duì)反應(yīng)性有很大的影響。溫度變化一個(gè)單位響。溫度變化一個(gè)單位(K, C)帶來的反應(yīng)性變化定義為反應(yīng)性帶來的反應(yīng)性變化定義為反應(yīng)性溫度系數(shù)溫度系數(shù)T：T = d/dT = dK/dT /K2 dK/dT /K 反應(yīng)堆內(nèi)溫度的變化是不均勻的，各種材料溫度變化對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)溫度的變化是不均勻的，各種材料溫度變化對(duì)反應(yīng)性的影響也不盡相同，所以溫度的變化要有所指，如燃料反應(yīng)性的影響也不盡相同，所以溫度的變化要有所指，如燃料溫度，慢化劑溫度等。對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)稱為燃料反應(yīng)性溫度系溫度，慢化劑溫度等。對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)稱為燃料

3、反應(yīng)性溫度系數(shù)，慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)等。數(shù)，慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)等。反應(yīng)性溫度系數(shù)為反應(yīng)性溫度系數(shù)為負(fù)值負(fù)值對(duì)反應(yīng)堆安全有利，反之不利。對(duì)反應(yīng)堆安全有利，反之不利。反應(yīng)堆設(shè)計(jì)要盡可能做到各種工況下溫度系數(shù)為反應(yīng)堆設(shè)計(jì)要盡可能做到各種工況下溫度系數(shù)為負(fù)負(fù)。2.燃料的反應(yīng)性溫度系數(shù)燃料的反應(yīng)性溫度系數(shù) 燃料核截面在中能區(qū)段存在很多的強(qiáng)共振峰。燃料核截面在中能區(qū)段存在很多的強(qiáng)共振峰。燃料溫度對(duì)燃料溫度對(duì)反應(yīng)性的影響主要是因?yàn)楣舱裎盏淖兓７磻?yīng)性的影響主要是因?yàn)楣舱裎盏淖兓?。溫度升高時(shí)共振峰值降溫度升高時(shí)共振峰值降低，但微觀截面曲線下覆蓋的面積保持不變，即所謂的共振峰展寬。低，但微觀截面曲線下覆蓋

4、的面積保持不變，即所謂的共振峰展寬。最常見的反應(yīng)堆中裝有大量的最常見的反應(yīng)堆中裝有大量的238U，它有強(qiáng)烈的共振俘獲吸收。，它有強(qiáng)烈的共振俘獲吸收。溫度升高時(shí)，共振峰展寬，落入共振峰內(nèi)的中子增加，俘獲吸收中溫度升高時(shí)，共振峰展寬，落入共振峰內(nèi)的中子增加，俘獲吸收中子增加，降低了中子利用率。造成反應(yīng)性下降。這一效應(yīng)稱為多普子增加，降低了中子利用率。造成反應(yīng)性下降。這一效應(yīng)稱為多普勒勒(Doppler)效應(yīng)。效應(yīng)。 238U的多普勒反應(yīng)性溫度系數(shù)為負(fù)值。的多普勒反應(yīng)性溫度系數(shù)為負(fù)值。 3.慢化劑的反應(yīng)性溫度系數(shù)慢化劑的反應(yīng)性溫度系數(shù) 慢化劑溫度變化時(shí)慢化劑溫度變化時(shí)影響慢化劑的慢化能力影響慢化劑的

5、慢化能力，主要途徑如下：，主要途徑如下：慢化劑密度變化。以水為例，溫度升高慢化能力降低，能譜慢化劑密度變化。以水為例，溫度升高慢化能力降低，能譜變硬。變硬。慢化劑溫度變化引起中子溫度變化。溫度升高時(shí)能譜變硬。慢化劑溫度變化引起中子溫度變化。溫度升高時(shí)能譜變硬。水鈾比水鈾比慢化劑溫度系數(shù)還與單位體積內(nèi)慢慢化劑溫度系數(shù)還與單位體積內(nèi)慢化劑與燃料的核密度比值有關(guān)，在化劑與燃料的核密度比值有關(guān)，在輕水堆中以輕水堆中以“水鈾比水鈾比”表示表示4.2：中毒效應(yīng)：中毒效應(yīng)由于裂變和衰變，核反應(yīng)堆中發(fā)生著大量的物質(zhì)轉(zhuǎn)換。特別是裂變由于裂變和衰變，核反應(yīng)堆中發(fā)生著大量的物質(zhì)轉(zhuǎn)換。特別是裂變產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物。一些新

6、產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)中子平衡有重要的影響。特產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物。一些新產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)中子平衡有重要的影響。特別是各別別是各別裂變產(chǎn)物具有很大的中子吸收截面裂變產(chǎn)物具有很大的中子吸收截面，典型的裂變產(chǎn)物是，典型的裂變產(chǎn)物是釤釤(149Sm)和氙和氙(135Xe)。這種強(qiáng)吸收裂變產(chǎn)物分為。這種強(qiáng)吸收裂變產(chǎn)物分為兩類兩類：壽命長(zhǎng)的：壽命長(zhǎng)的稱為稱為“結(jié)渣結(jié)渣”，壽命短的稱為，壽命短的稱為“中毒中毒”。下面討論。下面討論135Xe的中毒效的中毒效應(yīng)。應(yīng)。碘坑碘坑：由于停堆后反應(yīng)性要出現(xiàn)一個(gè)最小值，它又與由于停堆后反應(yīng)性要出現(xiàn)一個(gè)最小值，它又與135碘的碘的衰變密切相關(guān)，因而這種現(xiàn)象稱為碘坑衰變密切相關(guān)，因而這種現(xiàn)象

7、稱為碘坑氙振蕩氙振蕩：氙密度隨反應(yīng)堆功率之間在空間上存在正反饋機(jī)制的：氙密度隨反應(yīng)堆功率之間在空間上存在正反饋機(jī)制的振蕩現(xiàn)象。在大尺寸通量高的反應(yīng)堆中有可能出現(xiàn)。振蕩現(xiàn)象。在大尺寸通量高的反應(yīng)堆中有可能出現(xiàn)。碘坑曲線反映了隨著停閉時(shí)間的增加，堆內(nèi)反應(yīng)性的變化碘坑曲線反映了隨著停閉時(shí)間的增加，堆內(nèi)反應(yīng)性的變化。4.3：燃耗：燃耗燃耗深度：燃耗深度：裝進(jìn)反應(yīng)堆單位重量的重金屬裝進(jìn)反應(yīng)堆單位重量的重金屬(例：例：235U + 238U)在在卸出堆芯時(shí)釋放出的能量。單位：卸出堆芯時(shí)釋放出的能量。單位：MWd/tU。影響燃耗深度的主要因素是燃料元件影響燃耗深度的主要因素是燃料元件(包括燃料本身和包殼材料

8、包括燃料本身和包殼材料)本身耐輻照的性能。本身耐輻照的性能。有效增值系數(shù)隨燃耗深度變化曲線有效增值系數(shù)隨燃耗深度變化曲線轉(zhuǎn)換與增殖：轉(zhuǎn)換與增殖：把通過可轉(zhuǎn)換物質(zhì)產(chǎn)生易裂變同位素的過程叫轉(zhuǎn)換把通過可轉(zhuǎn)換物質(zhì)產(chǎn)生易裂變同位素的過程叫轉(zhuǎn)換通常用轉(zhuǎn)換比通常用轉(zhuǎn)換比CR來描述轉(zhuǎn)換過程，即反應(yīng)堆中每消耗一個(gè)易來描述轉(zhuǎn)換過程，即反應(yīng)堆中每消耗一個(gè)易裂變核所產(chǎn)生的新易裂變核的數(shù)目。裂變核所產(chǎn)生的新易裂變核的數(shù)目。滿足滿足CR1條件的反應(yīng)堆稱為增殖堆。條件的反應(yīng)堆稱為增殖堆。4.4：反應(yīng)性補(bǔ)償：反應(yīng)性補(bǔ)償反應(yīng)性反應(yīng)性補(bǔ)償補(bǔ)償?shù)氖侄危旱氖侄危嚎刂瓢艨刂瓢簦核俣瓤欤斐赏繑_動(dòng)。：速度快，但造成通量擾動(dòng)。硼酸硼酸

9、：均勻，但速度較慢，對(duì)溫度系數(shù)可能造成負(fù)面影響。：均勻，但速度較慢，對(duì)溫度系數(shù)可能造成負(fù)面影響。固體可燃毒物固體可燃毒物：均勻，不可調(diào)節(jié)，只使用與補(bǔ)償燃耗造成的：均勻，不可調(diào)節(jié)，只使用與補(bǔ)償燃耗造成的反應(yīng)性損失。反應(yīng)性損失。其他其他：如減少慢化劑、移動(dòng)反射層等，在研究堆中有一些特：如減少慢化劑、移動(dòng)反射層等，在研究堆中有一些特殊的辦法。殊的辦法。第五章：反應(yīng)堆中子動(dòng)力學(xué)第五章：反應(yīng)堆中子動(dòng)力學(xué)5.1緩發(fā)中子的作用緩發(fā)中子的作用 中子平均壽命：即中子從裂變核放出到在堆內(nèi)被吸收為止的平中子平均壽命：即中子從裂變核放出到在堆內(nèi)被吸收為止的平均時(shí)間均時(shí)間在熱中子反應(yīng)堆中，在熱中子反應(yīng)堆中，l可表示為可

10、表示為l=tm+tdTm為中子慢化為熱中子所需的平均時(shí)間，稱平均慢化時(shí)間；為中子慢化為熱中子所需的平均時(shí)間，稱平均慢化時(shí)間；td為為熱中子從形成到被完全吸收為止所需的平均時(shí)間，稱為熱中子的熱中子從形成到被完全吸收為止所需的平均時(shí)間，稱為熱中子的平均擴(kuò)散時(shí)間。平均擴(kuò)散時(shí)間。核電站工作原理圖示核電站工作原理圖示反應(yīng)堆周期：反應(yīng)堆周期：反應(yīng)堆周期反應(yīng)堆周期(reaetorperiod)反應(yīng)堆內(nèi)中子密度變化反應(yīng)堆內(nèi)中子密度變化e倍所需要的倍所需要的時(shí)間，亦稱反應(yīng)堆時(shí)間常數(shù)時(shí)間，亦稱反應(yīng)堆時(shí)間常數(shù)。 Not)=Note/T,其中其中,No為為t=0時(shí)的中子密度時(shí)的中子密度,T為反應(yīng)堆周期為反應(yīng)堆周期,是

11、反應(yīng)是反應(yīng)堆運(yùn)行要監(jiān)測(cè)的重要的動(dòng)態(tài)參數(shù)。反應(yīng)堆周期與反應(yīng)性的關(guān)系可堆運(yùn)行要監(jiān)測(cè)的重要的動(dòng)態(tài)參數(shù)。反應(yīng)堆周期與反應(yīng)性的關(guān)系可用倒時(shí)公式表示用倒時(shí)公式表示(見反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)學(xué)見反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)學(xué))。當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)中子密度不隨時(shí)。當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)中子密度不隨時(shí)間改變間改變,保持常數(shù)保持常數(shù)課外補(bǔ)充課外補(bǔ)充壓水堆核電站：壓水堆核電站： 它主要由核島和常規(guī)島組成。它主要由核島和常規(guī)島組成。壓水堆核電站核島中的四大部件是蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、壓水堆核電站核島中的四大部件是蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵和堆芯。在核島中的系統(tǒng)設(shè)備主要有壓水堆本體，主泵和堆芯。在核島中的系統(tǒng)設(shè)備主要有壓水堆本體，一回路系統(tǒng)，以及為支持一回路系統(tǒng)正常運(yùn)行和

12、保證反一回路系統(tǒng)，以及為支持一回路系統(tǒng)正常運(yùn)行和保證反應(yīng)堆安全而設(shè)置的輔助系統(tǒng)。應(yīng)堆安全而設(shè)置的輔助系統(tǒng)。常規(guī)島主要包括汽輪機(jī)組及二回等系統(tǒng)，其形式與常規(guī)常規(guī)島主要包括汽輪機(jī)組及二回等系統(tǒng)，其形式與常規(guī)火電廠類似火電廠類似。 蒸汽發(fā)生器：蒸汽發(fā)生器：是核島是核島 內(nèi)的三大設(shè)備之一，是壓水堆核電廠一回路、二回路的內(nèi)的三大設(shè)備之一，是壓水堆核電廠一回路、二回路的邊界，它將反應(yīng)堆邊界，它將反應(yīng)堆 產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，產(chǎn)生產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)一、二級(jí)汽水分離器干燥后推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電的蒸汽經(jīng)一、二級(jí)汽水分離器干燥后推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。 主要作用：主要作用：是將一

13、回路中水的熱量傳給二回路的水，使其汽化。由是將一回路中水的熱量傳給二回路的水，使其汽化。由于一回路水流經(jīng)堆芯而帶有放射性，因而蒸汽發(fā)生器與壓力容于一回路水流經(jīng)堆芯而帶有放射性，因而蒸汽發(fā)生器與壓力容器和一回路管道共同構(gòu)成防止放射性外溢的第二道屏障。在壓器和一回路管道共同構(gòu)成防止放射性外溢的第二道屏障。在壓水堆核電廠正常運(yùn)行時(shí)，二回路應(yīng)不受到一回路水的污染，是水堆核電廠正常運(yùn)行時(shí)，二回路應(yīng)不受到一回路水的污染，是不具有放射性的。不具有放射性的。壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器是按自然循環(huán)原理運(yùn)行的（如圖）壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器是按自然循環(huán)原理運(yùn)行的（如圖）在這類蒸汽發(fā)生器中，證流體的原動(dòng)力是冷水柱和熱水柱

14、之間在這類蒸汽發(fā)生器中，證流體的原動(dòng)力是冷水柱和熱水柱之間的密度差，產(chǎn)生的蒸汽是飽和蒸汽的密度差，產(chǎn)生的蒸汽是飽和蒸汽穩(wěn)壓器：穩(wěn)壓器：又稱壓力平衡器，是用來控制反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力變化的設(shè)備。在正常又稱壓力平衡器，是用來控制反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力變化的設(shè)備。在正常運(yùn)行時(shí)，起保持壓力的作用；在發(fā)生事故時(shí)，提供超壓保護(hù)。穩(wěn)壓運(yùn)行時(shí)，起保持壓力的作用；在發(fā)生事故時(shí)，提供超壓保護(hù)。穩(wěn)壓器里設(shè)有加熱器和噴淋系統(tǒng)，當(dāng)反應(yīng)堆里壓力過高時(shí)，噴灑冷水降器里設(shè)有加熱器和噴淋系統(tǒng)，當(dāng)反應(yīng)堆里壓力過高時(shí)，噴灑冷水降壓；當(dāng)堆內(nèi)壓力太低時(shí)，加熱器自動(dòng)通電加熱使水蒸發(fā)以增加壓；當(dāng)堆內(nèi)壓力太低時(shí)，加熱器自動(dòng)通電加熱使水蒸發(fā)以增加壓力壓力。

15、主泵：主泵：核島一回路系統(tǒng)中，用于驅(qū)動(dòng)核島一回路系統(tǒng)中，用于驅(qū)動(dòng)冷卻劑冷卻劑在在RCP(反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng))系系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的泵稱為統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的泵稱為主泵主泵 主泵連續(xù)不斷地把堆芯中產(chǎn)生的主泵連續(xù)不斷地把堆芯中產(chǎn)生的熱量傳遞熱量傳遞給給蒸汽發(fā)生器蒸汽發(fā)生器二次側(cè)二次側(cè)(二二回路回路)給水。主泵位于核島心臟部位，用來將冷水泵入蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換給水。主泵位于核島心臟部位，用來將冷水泵入蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換熱能，是核電運(yùn)轉(zhuǎn)控制水循環(huán)的關(guān)鍵，屬于核電站的一級(jí)設(shè)備，每熱能，是核電運(yùn)轉(zhuǎn)控制水循環(huán)的關(guān)鍵，屬于核電站的一級(jí)設(shè)備，每個(gè)蒸汽發(fā)生器有一個(gè)主泵個(gè)蒸汽發(fā)生器有一個(gè)主泵。 堆芯：堆芯：堆芯是反應(yīng)堆的心臟，裝在壓力容器中間。它是由燃料堆芯是反應(yīng)堆的心臟，裝在壓力容器中間。它是由燃料組件構(gòu)成的。正如鍋組件構(gòu)成的。正如鍋爐燒的煤塊一樣，燃料芯塊是核電站爐燒的煤塊一樣，燃料芯塊是核電站“原子鍋爐原子鍋爐”燃燒燃燒的