成都理工 核反應(yīng)堆物理分析7 反應(yīng)性隨時間

1、12:12:521/66核反應(yīng)堆物理分析反應(yīng)性隨時間的變化12:12:522/6621 1 核燃料重同位素隨時間的變化核燃料重同位素隨時間的變化1.11.1重同位素燃耗鏈及裂變產(chǎn)物鏈重同位素燃耗鏈及裂變產(chǎn)物鏈;1.2;1.2重同重同位素燃耗方程位素燃耗方程; ;2 2 裂變產(chǎn)物中毒裂變產(chǎn)物中毒2.12.1氙氙-135-135中毒中毒( (啟動啟動; ;停堆停堆; ;功率過渡功率過渡; ;氙振氙振蕩蕩);2.2);2.2釤釤-140-140中毒中毒; ;3 3 反應(yīng)性與燃耗計算反應(yīng)性與燃耗計算4 4 核燃料轉(zhuǎn)換與增殖核燃料轉(zhuǎn)換與增殖( (轉(zhuǎn)換比轉(zhuǎn)換比) )12:12:523/66引 子反應(yīng)性隨時

2、間變化 前幾講均以穩(wěn)態(tài)模型為研究對象。但實(shí)際中，由于易裂變核素的裂變和新的易裂變核素的產(chǎn)生、裂變產(chǎn)物的積累、冷卻劑溫度的變化和控制棒的移動等原因； 反應(yīng)堆的許多物理量：反應(yīng)性、燃料同位素成份、中子通量密度都是時間的變量，稱為反應(yīng)堆動態(tài)學(xué)。12:12:524/66 研究核燃料同位素和裂變產(chǎn)物同位素成分隨時間的變化以及他們對反應(yīng)性和中子通量密度分布的影響等；變化速率緩慢（以小時或日為單位來度量）； 研究在反應(yīng)堆啟動、停堆和功率調(diào)解過程中，中子通量密度和功率隨時間的變化，變化迅速（以秒為單位來度量）；12:12:525/661 核燃料重同位素隨時間的變化以一個電功率1000MW核電廠為例，一天消耗約

3、3kgU-235，期間不斷有易裂變同位素生成和裂變產(chǎn)物的積累(300余種)。三類過程：裂變(誘發(fā))、輻射俘獲、衰變。燃料鏈與所采用的燃料循環(huán)類型有關(guān)。本節(jié)將集中以熱堆鈾-钚循環(huán)為例分析。12:12:526/66 略去半衰期較短及吸收截面(宏觀)較小的產(chǎn)物，只保留工程計算中有重要意義的核素：(p166)1.1 重同位素燃耗鏈及裂變產(chǎn)物鏈12:12:527/66 “重”同位素：U、Np、Pu、Am、Cm但在動力堆計算中，質(zhì)量數(shù)大于242的一般不予考慮。在生產(chǎn)堆中除外。e.g.超Pu元素。(p166)712:12:538/66幾個基本概念： 裂變碎片(Fission fragments): 裂變產(chǎn)生

4、的具有一定動能的多種原子核。 裂變產(chǎn)物 (Fission products): 核裂變生成的裂變碎片及其衰變產(chǎn)物。 對于LWR，包括300多種放射性及穩(wěn)定的同位素。 裂變產(chǎn)額(Fission yield): 裂變中產(chǎn)生某一給定種類裂變產(chǎn)物的份額。本節(jié)中以 表示。12:12:539/66i i ai a=工程計算，按吸收截面及裂變產(chǎn)額分類： 單獨(dú)計算：Xe-135、Sm-149、Rh-103、Eu-155(a104b) 集總計算：兩組：慢飽和裂變產(chǎn)物(slow-saturated fissionproduct ,SSFP):吸收截面較大，濃度隨運(yùn)行時間緩慢趨于飽和。非飽和裂變產(chǎn)物(non-sat

5、urated fissionproduct ,NSFP):吸收截面較小，不飽和。e.g. SSFP ii12:12:5310/66WIMS和CASMO-3熱堆計算中考慮的裂變產(chǎn)物：22+2種，14條裂變產(chǎn)物鏈。S(p167)12:12:5311/6612:12:5312/6612345678U-235U-236Np-237Pu-238U-238Np-238Pu-239Pu-2401.2 重同位素燃耗方程 包括燃耗鏈和裂變產(chǎn)物鏈。 對于分支鏈線性化處理，按獨(dú)立鏈計算，同種核素計算結(jié)果相加。 編號處理：(P168)12:12:5313/66燃耗方程(depletion equation)： 核密度

6、變化率=產(chǎn)生率-消失率=輻射俘獲反應(yīng)率(產(chǎn)生-消失)+衰變反應(yīng)率(產(chǎn)生-消失)-裂變反應(yīng)率核子數(shù)密度變化率=12:12:5314/6612:12:5315/6612:12:5316/66近似方法： 空間離散：燃耗區(qū)令每個燃耗區(qū)內(nèi)中子通量密度、核密度為常數(shù)。 時間離散：燃耗步長令每個燃耗步長內(nèi)中子通量密度為常數(shù)。12:12:5317/6612:12:5318/66燃耗方程的求解12:12:5419/6612:12:5420/66 乏燃料中有利用價值的核素相當(dāng)多！堆芯壽期(core lifetime):一個新裝料堆芯從開始運(yùn)行到有效增殖因數(shù)降到1時，反應(yīng)堆堆滿功率運(yùn)行的時間。 堆芯壽期的主要限制：

7、隨中子通量密度的增加或燃耗加深，裂變產(chǎn)物不斷積累，因而使反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性逐漸下降。 剩余反應(yīng)性: 反應(yīng)堆在無控制毒物情況下超臨界的反應(yīng)性。12:12:5421/662 裂變產(chǎn)物中毒 裂變產(chǎn)物中毒(poisoning)：由于裂變產(chǎn)物存在，其吸收中子而引起的反應(yīng)性變化。 單群近似下：F燃料M慢化劑P裂變產(chǎn)物12:12:5422/6612:12:5423/66 上式僅為單群近似下的結(jié)果，在實(shí)際工程中，采用數(shù)值方法直接計算中毒。影響熱堆中毒的重要同位素：Xe-135,Sm-149 吸收截面和裂變產(chǎn)額大，對反應(yīng)性影響明顯：長期：反應(yīng)堆啟動后很快可趨于飽和，影響穩(wěn)態(tài)反應(yīng)性。短期：變工況時濃度變化迅速、幅

8、度較大，對反應(yīng)性影響突出。12:12:5424/662.1 氙-135中毒(Xe-135 poisoning) 熱區(qū)平均吸收截面3x106b， 總體產(chǎn)額6%(p174)12:12:5425/66(p174)-12:12:5426/66 其中，將短半衰期的Sb-135和Te-135的產(chǎn)額與I-135的直接產(chǎn)額之和作為I-135的裂變產(chǎn)額。 I-135熱中子吸收截面8b，半衰期6.7h，故可忽略其輻射俘獲，認(rèn)為其全部轉(zhuǎn)化為Xe-135。(p175)12:12:5427/66裂變 產(chǎn)物裂變產(chǎn)額 /%衰變常數(shù) 5 -1/10 sU-233U-235Pu-239Pu-241I-1354.8846.386

9、6.1007.6942.87Xe-1351.3630.2281.0870.2552.09Pm-1490.661.131.190.35812:12:5428/66 以上給出了碘-135和氙-135的單群燃耗方程，可以對熱堆中毒進(jìn)行粗略分析。 實(shí)際熱堆穩(wěn)態(tài)中子通量密度為10-14cm-2s-1數(shù)量級。在此水平下，Xe主要因吸收中子而消失。 對于啟動和停堆工況，我們近似認(rèn)為其中子通量密度是在“瞬間”達(dá)到穩(wěn)態(tài)值或0的。12:12:5529/6612:12:5530/6612:12:5531/66(p177)12:12:5532/6612:12:5533/66 在高熱中子通量密度下運(yùn)行的反應(yīng)堆可近似認(rèn)為

10、平衡氙中毒與熱中子通量密度值無關(guān)。 當(dāng) 這已是一個可觀的數(shù)值，不可忽略。12:12:5534/66停堆 初始條件： 微分方程：12:12:5535/6612:12:5536/66 對于中子穩(wěn)態(tài)通量小于2.76X1011cm-2s-1的熱堆，停堆后Xe-135濃度一直下降；相反，則會出現(xiàn)一個最大氙濃度，隨后才會逐漸下降。將停堆后，Xe-135濃度由平衡值升至最大值的時間表示為 tmax 可以證明：12:12:5537/6612:12:5538/66 “碘坑”現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于停堆后I-135繼續(xù)衰變?yōu)閄e-135，使Xe-135濃度增大所致。碘坑時間：允許停堆時間：強(qiáng)迫停堆時間：tItptf

11、強(qiáng)迫停堆時間內(nèi)無法啟動反應(yīng)堆。其出現(xiàn)是由于停堆前反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性不足以補(bǔ)償其氙中毒。12:12:5539/6612:12:5640/6612:12:5641/66(p181)12:12:5642/66 逐漸降功率停堆比突然停堆引起的碘坑深度要淺。 當(dāng)停堆不久還存有大量氙-135時重新啟動，由于中子通量密度迅速增加導(dǎo)致氙濃度迅速下降剩余反應(yīng)性猛增！ 結(jié)論：悠著點(diǎn)，慢慢來！12:12:5643/66功率過渡(p182)12:12:5644/66氙振蕩(Xe-oscillation) 在大型熱中子反應(yīng)堆中，局部區(qū)域內(nèi)中子通量密度的變化會引起局部區(qū)域氙-135濃度和局部區(qū)域中子平衡關(guān)系的變化，其結(jié)果

12、又會使中子通量密度變化，這兩者間相互反饋?zhàn)饔每赡苁苟研局须?135濃度和熱中子通量密度分布產(chǎn)生空間振蕩現(xiàn)象。 氙振蕩的周期大約是15-30h。12:12:5645/6612:12:5646/66氙振蕩的危險性：1）使局部溫度升高，可能燒毀元件。2）加劇堆芯材料溫度應(yīng)力變化，縮短材料使用壽命。 氙振蕩周期較長，較易控制。 天然鈾或低富集度鈾氣冷堆、大型壓水堆：需要考慮氙振蕩。 沸水堆、快堆：不需要考慮氙振蕩。12:12:5647/662.2 釤-149中毒(Sm-149 poisoning) 在所有裂變產(chǎn)物中，釤-149對熱堆影響僅次于氙-135。(p185)12:12:5648/66 相應(yīng)的燃

13、耗方程組：12:12:5649/6612:12:5650/6612:12:5751/66停堆 初始條件： 微分方程：12:12:5752/66 解得： Sm-149濃度將一直上升，直至重新開堆。12:12:5753/6612:12:5754/663 反應(yīng)性隨時間的變化與燃耗深度 燃耗計算任務(wù)：在無控制毒物的情況下，有效增殖因數(shù)與時間(燃耗)的變化關(guān)系。需要考慮：重同位素成分、中毒、裂變產(chǎn)物隨時間的變化。 方法：分區(qū)、分步長數(shù)值計算。 堆芯壽期(core lifetime):一個新裝料堆芯從開始運(yùn)行到有效增殖因數(shù)降到1時，反應(yīng)堆堆滿功率運(yùn)行的時間。12:12:5755/66(p189)12:12

14、:5756/6612:12:5757/66 運(yùn)行時間指有效滿功率天（EFPD） C稱為該循環(huán)的容量因子。12:12:5758/661）每噸鈾(包括钚、 釷，不包括氧等)發(fā)出的熱能： 燃耗深度(burn-up level) ：裝入堆芯的單位質(zhì)量核燃料所產(chǎn)生的總能量、燃料貧化程度的一種度量。三種表示方法：2）易裂變同位素消耗與裝載的質(zhì)量之比：3）燃耗掉的易裂變同位素質(zhì)量比裝載的燃料質(zhì)量：12:12:5759/66 平均卸料燃耗深度：從堆芯中卸出的一批燃料中所達(dá)到的平均燃耗深度。直接關(guān)系到核電廠的經(jīng)濟(jì)性。提高措施： 采用不同富集度的核燃料分區(qū)裝料； 化學(xué)補(bǔ)償液和可燃毒物提高過剩反應(yīng)性和展平功率分布；

15、 選用二氧化鈾作燃料元件芯塊； 選取適當(dāng)芯塊密度； 選用好的包殼材料； 改進(jìn)燃料元件加工工藝。12:12:5760/66 4 核燃料轉(zhuǎn)換與增殖 轉(zhuǎn)換(conversion)：某種核素通過轉(zhuǎn)換物質(zhì)產(chǎn)生易裂變同位素的過程。 U-Pu循環(huán)和Th-U循環(huán)。12:12:5761/6612:12:5762/66= 轉(zhuǎn)換比(conversion ratio)：CR：轉(zhuǎn)換比大于1的堆稱為增殖堆(breedingreactor)。此時的轉(zhuǎn)換比稱為增殖比(breeding ratio)。轉(zhuǎn)換比小于1的稱為轉(zhuǎn)換堆(conversionreactor)CR=易裂變核生成率易裂變核生成率 堆內(nèi)可轉(zhuǎn)換物質(zhì)的輻射俘獲率堆內(nèi)可轉(zhuǎn)換物質(zhì)的輻射俘獲率易裂變核消耗率易裂變核消耗率 堆內(nèi)所有易裂變物質(zhì)的吸收率堆內(nèi)所有易裂變物質(zhì)的吸收率12:12:5863