反應(yīng)堆原理：第九章 核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)2

《核工程導(dǎo)論》

第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2015年秋季學(xué)期目錄緩發(fā)中子的作用反應(yīng)堆的釋熱反應(yīng)堆停堆后的釋熱123第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)核反應(yīng)堆運(yùn)行的基礎(chǔ)是在于成功地控制中子通量密度或反應(yīng)堆功率在各種情況下隨時(shí)間的變化。隨時(shí)間的變化緩慢（年、月）燃耗、裂變產(chǎn)物累積等；中等時(shí)間變化（小時(shí)、天）裂變產(chǎn)物中毒等；短時(shí)間變化（毫秒、秒）反應(yīng)性快速變化（堆啟動(dòng)、停堆、控制棒移動(dòng)、事故等）；了解中子通量密度或功率在偏離臨界狀態(tài)下的瞬態(tài)變化特性，對(duì)反應(yīng)堆的控制和安全運(yùn)行極其重要。一.緩發(fā)中子的作用中子靶核初碎片1初碎片2瞬發(fā)中子10-15sγ射線

10-11sβ-β-β-β-β-緩發(fā)中子(數(shù)十秒)10-2s瞬發(fā)中子與緩發(fā)中子：反應(yīng)堆周期：反應(yīng)堆內(nèi)中子密度變化e倍所需要的時(shí)間。一.緩發(fā)中子的作用假設(shè)所有裂變中子都是瞬發(fā)的：一.緩發(fā)中子的作用反應(yīng)堆周期：思考：當(dāng)有效增殖因數(shù)增加0.1%，功率的變化？短周期的功率上升很難控制對(duì)于壓水堆，當(dāng)有效增殖因數(shù)增加0.1%一.緩發(fā)中子的作用組半衰期Ti/s能量/keV份額βi先驅(qū)核平均壽命ti/s154~562500.00024778.64221~235600.00138531.5135~64300.0012228.6641.9~2.36200.0026453.2250.5~0.64200.0008320.71660.17~0.274300.0001690.258235U核熱中子裂變時(shí)的緩發(fā)中子數(shù)據(jù)一.緩發(fā)中子的作用對(duì)于壓水堆，當(dāng)有效增殖因數(shù)增加0.1%緩發(fā)中子效應(yīng)在研究反應(yīng)堆瞬態(tài)過(guò)程和反應(yīng)堆控制時(shí)是不可忽略的。反應(yīng)堆控制實(shí)際上正是利用了緩發(fā)中子的作用才得以實(shí)現(xiàn)的。一.緩發(fā)中子的作用二.反應(yīng)堆的釋熱一個(gè)反應(yīng)堆能產(chǎn)生多少功率，是受熱工條件限制的，而不是受核方面的約束。反應(yīng)堆的重大安全事故也都與堆內(nèi)傳熱和冷卻問(wèn)題有關(guān)，如燃料包殼燒毀、燃料熔化等。反應(yīng)堆能否及時(shí)有效的輸出堆芯內(nèi)由于核裂變產(chǎn)生的熱量，既影響著反應(yīng)堆的功率，也影響著反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。

1.燃料的釋熱核裂變產(chǎn)生的能量可分為以下三大類(lèi)：

裂變瞬時(shí)產(chǎn)生的能量，它包括裂變碎片的動(dòng)能、瞬發(fā)中子的動(dòng)能、瞬發(fā)γ射線能等，占總裂變能的86%；裂變后緩發(fā)的能量，包括裂變產(chǎn)物的β和γ射線能，緩發(fā)中子和中微子的能量，占總裂變能的10.5%；過(guò)剩中子引起(n,γ)反應(yīng)釋放的能量，包括反應(yīng)后產(chǎn)生的瞬發(fā)和緩發(fā)的β、γ射線能，占總裂變能的3.5%。二.反應(yīng)堆的釋熱二.反應(yīng)堆的釋熱類(lèi)型來(lái)源能量/MeV射程釋放地點(diǎn)裂變瞬發(fā)裂變碎片的動(dòng)能168極短，約0.01mm在燃料元件內(nèi)裂變中子的動(dòng)能5中大部分在慢化劑內(nèi)瞬發(fā)γ射線的能量7長(zhǎng)堆內(nèi)各處緩發(fā)裂變產(chǎn)物衰變的β射線7短大部分在燃料元件內(nèi)，小部分在慢化劑內(nèi)裂變產(chǎn)物衰變的γ射線6長(zhǎng)堆內(nèi)各處過(guò)剩中子引起的（n,γ）反應(yīng)瞬發(fā)和緩發(fā)過(guò)剩中子引起的非裂變反應(yīng)加上（n,γ）反應(yīng)產(chǎn)物的β和γ衰變能7有長(zhǎng)有短堆內(nèi)各處總計(jì)約200備注：未包括β衰變放出的約10MeV的中微子能量（穿出堆外）離子：SRIM電子：

ESTAR中子：截面、平均自由程

γ：衰減系數(shù)SRIM-TheStoppingandRangeofIonsinMatterMCNP(MonteCarloNParticleTransportCode)是由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的基于蒙特卡羅方法的用于計(jì)算三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的中子、光子、電子或者耦合中子/光子/電子輸運(yùn)問(wèn)題的通用軟件包，也具有計(jì)算核臨界系統(tǒng)（包括次臨界和超臨界系統(tǒng)）本征值問(wèn)題的能力。二.反應(yīng)堆的釋熱在反應(yīng)堆內(nèi)，用體積釋熱率qv表示燃料內(nèi)產(chǎn)生的熱能：

——熱中子通量密度式中，——熱中子的平均微觀裂變截面——可裂變核的密度——每次核裂變產(chǎn)生的能量——堆芯（燃料元件和慢化劑）的釋熱量

占堆總釋熱量的份額體積釋熱率是單位時(shí)間、單位體積內(nèi)釋放的熱能的度量，也稱(chēng)為功率密度。要注意的是，體積釋熱率指的是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為熱能的能量，并不是在該體積單元內(nèi)釋放出的全部能量，因?yàn)橛行┠芰繒?huì)在別的地方轉(zhuǎn)化為熱能，甚至有的能量根本就無(wú)法轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。二.反應(yīng)堆的釋熱

2.堆內(nèi)釋熱率分布堆芯內(nèi)的功率分布取決于中子通量密度分布——堆芯r處，能量為E的中子的宏觀裂變截面——堆芯r處，能量為E的中子通量對(duì)熱中子反應(yīng)堆，假設(shè)裂變都是由熱中子引起的，此時(shí)可用平均微觀裂變計(jì)算。認(rèn)為平均的微觀裂變截面只與核燃料的類(lèi)型相關(guān)，與空間位置無(wú)關(guān)。對(duì)均勻堆，可裂變核的密度在堆芯內(nèi)為常數(shù)，不隨位置變化。二.反應(yīng)堆的釋熱球形：圓柱形：長(zhǎng)方形：熱中子通量密度不均勻系數(shù)：熱中子通量密度不均勻系數(shù)指芯部?jī)?nèi)熱中子通量密度的最大值與熱中子通量密度的平均值之比二.反應(yīng)堆的釋熱圓柱形：球形：長(zhǎng)方體：功率分布展平的概念及展平措施：②芯部燃料分區(qū)布置③控制棒或可燃毒物的合理布置①加反射層二.反應(yīng)堆的釋熱影響堆芯內(nèi)功率分布的主要因素：①燃料裝載的影響早期大多采用燃料富集度均一的燃料裝載方式。目前，大型核電站反應(yīng)堆中通常采用堆芯燃料分區(qū)裝載的方法（一般裝載三種或多種不同富集度）。二.反應(yīng)堆的釋熱二.反應(yīng)堆的釋熱二.反應(yīng)堆的釋熱②反射層的影響堆芯反射層0rΦ(r)裸堆與帶有反射層反應(yīng)堆的中子通量密度分布裸堆有反射層的反應(yīng)堆二.反應(yīng)堆的釋熱③控制棒的影響二.反應(yīng)堆的釋熱改善中子通量在徑向的分布，使功率分布更為均勻。二.反應(yīng)堆的釋熱然而，控制棒的插入對(duì)軸向功率分布會(huì)帶來(lái)不利的影響④結(jié)構(gòu)材料、水隙和空泡的影響結(jié)構(gòu)材料的吸收效應(yīng)

吸收中子，引起中子通量及功率局部降低。

影響程度與這些材料的中子吸收截面有關(guān)。二.反應(yīng)堆的釋熱水隙的影響

水隙可能是燃料組件之間的間隙、柵格尺寸的變化處、以及提出控制棒后所留下的空隙。

堆內(nèi)有水隙的地方，由于水隙引起的附加慢化作用，相應(yīng)的熱中子通量密度比其他地方高，引起局部熱中子峰值，增大功率分布的不均勻程度。二.反應(yīng)堆的釋熱控制棒組件燃料棒吸收棒導(dǎo)管底部管嘴把手中子吸收棒片套筒式控制棒組件十字形控制棒組件控制棒做成“細(xì)而多”的更有好處。二.反應(yīng)堆的釋熱空泡的影響

有氣泡的地方，由于氣泡慢化中子的能力比水差很多，因此，有氣泡的地方，熱中子通量降低。

空泡效應(yīng)對(duì)于穩(wěn)定反應(yīng)堆功率，減少某些事故的嚴(yán)重程度是有好處的。二.反應(yīng)堆的釋熱在沸水堆中，堆芯上部的含氣量大于堆芯下部，所以堆芯下部的中子通量密度較高。因此，沸水堆的控制棒從堆底部向上插入堆芯，以利于通量的展平和提高控制棒的效率。沸水堆核電站示意圖思考：為什么沸水堆的控制棒一般從堆底部向上插入堆芯？？？⑤燃料元件自屏蔽效應(yīng)的影響二.反應(yīng)堆的釋熱結(jié)構(gòu)部件的釋熱

結(jié)構(gòu)部件的釋熱基本都是由于吸收堆內(nèi)γ射線而引起的。對(duì)于堆芯內(nèi)的薄壁構(gòu)件（可忽略γ在構(gòu)件內(nèi)的衰減）：（包括定位格架、燃料組件的上、下管座、柵格板等。）——堆內(nèi)構(gòu)件由于吸收γ射線引起的體積釋熱率——堆該處的體積釋熱率——該處結(jié)構(gòu)材料的密度——堆芯材料的平均密度式中，

2.結(jié)構(gòu)部件和慢化劑的釋熱二.反應(yīng)堆的釋熱對(duì)于堆芯外的厚壁構(gòu)件（包括堆芯外的壓力容器和熱屏蔽等。）如果存在一源強(qiáng)為Sri的γ射線源，第i能群的γ能量密度的變化規(guī)律為：——在有源一側(cè)表面處第i能群的γ能量密度——離開(kāi)表面的距離,cm——第i能群的能量吸收系數(shù)，cm-1材料對(duì)單能γ射線的吸收主要有三種過(guò)程：光電吸收、康普頓散射和電子對(duì)生成能量吸收系數(shù)是這三種能量吸收系數(shù)的總和，是γ能量的函數(shù)。二.反應(yīng)堆的釋熱二.反應(yīng)堆的釋熱

γ射線在x處dx距離上的衰減部分全部轉(zhuǎn)化為熱量，因此，在x處材料吸收γ射線產(chǎn)生的體積釋熱率為：——材料吸收γ射線產(chǎn)生的體積釋熱率——距內(nèi)壁表面x處的體積釋熱率MeV/s·cm3——內(nèi)壁表面處第i能群的γ能量密度MeV/s·cm2——構(gòu)件材料對(duì)第i能群的γ射線的能量吸收系數(shù)cm-1式中，如果反應(yīng)堆中的γ源發(fā)射幾種不同能級(jí)的γ射線，那么：二.反應(yīng)堆的釋熱二.反應(yīng)堆的釋熱熱屏蔽用對(duì)γ射線吸收力強(qiáng)，導(dǎo)熱性能好，熔點(diǎn)高的不銹鋼制成，它是一個(gè)圓柱型筒體，吊掛在壓力殼內(nèi)吊籃筒體的外壁上，以屏蔽由堆芯穿出來(lái)的中子流和γ射線，以減少壓力殼可能受到的輻射損失。通過(guò)吸收中子釋熱：——空間r處(n,α)反應(yīng)的釋熱率——空間r處(n,γ)反應(yīng)的釋熱率II.控制棒內(nèi)的釋熱通過(guò)吸收γ射線釋熱：控制棒可通過(guò)吸收γ射線和吸收中子兩種方式釋熱。釋熱率的計(jì)算方法與前節(jié)相同。二.反應(yīng)堆的釋熱III.慢化劑的釋熱

慢化劑可通過(guò)吸收γ射線和慢化中子兩種方式釋熱。通過(guò)吸收γ射線釋熱：——慢化劑通過(guò)吸收γ射線的體積釋熱率——堆芯內(nèi)特定位置處的體積釋熱率——慢化劑密度——堆芯材料平均密度二.反應(yīng)堆的釋熱通過(guò)慢化中子釋熱：——慢化劑通過(guò)慢化中子的體積釋熱率——快中子的宏觀彈性散射截面——快中子通量密度——中子每次彈性散射時(shí)的平均能量損失——快中子能量——熱中子能量二.反應(yīng)堆的釋熱反應(yīng)堆運(yùn)行一段時(shí)間停堆以后，其功率并不會(huì)立刻降到零，而是在開(kāi)始時(shí)以很快速度下降，在達(dá)到一定數(shù)值后，緩慢下降。三.反應(yīng)堆停堆后的釋熱對(duì)大亞灣核電站反應(yīng)堆：穩(wěn)定運(yùn)行的熱功率為2895MW停堆1h產(chǎn)生的功率為40MW停堆1d產(chǎn)生的功率為16MW停堆1月產(chǎn)生的功率為4MW停堆1年產(chǎn)生的功率為0.8MW反應(yīng)堆停堆后的功率主要包括：①剩余裂變功率：反應(yīng)堆停堆后，堆內(nèi)的緩發(fā)中子在短時(shí)間（幾十秒）內(nèi)還會(huì)引起裂變，釋放能量。②裂變產(chǎn)物的衰變功率：裂變產(chǎn)物發(fā)生衰變，釋放能量。③中子俘獲產(chǎn)物的衰變功率：在天然鈾或低濃縮鈾作燃料的反應(yīng)堆中，主要是239U和239Np的β和γ輻射，釋放能量。三.反應(yīng)堆停堆后的釋熱壓水堆停堆后