第十章裂變產(chǎn)物和毒物

一、裂變產(chǎn)物毒物的裂變中物叫。135Xe、149Sm是兩種最重要的裂變毒物二、 同位素的產(chǎn)生與消核反應(yīng)堆電廠運(yùn)行過程中，核中的易裂變同位素235U，不斷地燃耗掉，可轉(zhuǎn)換同位素238U核俘獲中子后，又可轉(zhuǎn)換成易裂核中各種重同位素的核密度，將隨反應(yīng)堆運(yùn)行

圖鈾－ 循環(huán)中的重同位素易裂變同位素235U成分不斷減少,易裂變同位素239Pu成分卻在增加。隨著堆芯燃耗的不斷加深，239Pu的裂變可產(chǎn)生更大的功，從而降低了235U的燃耗速率在燃耗較深的情況，對(duì)能量輸出有貢獻(xiàn)的易裂變同位素主要包括235U、239Pu和241Pu

中主要同位核密度隨時(shí)間的變當(dāng)燃耗低于20000MWd/tU時(shí)，對(duì)輸出能量主要是235U核裂變的貢獻(xiàn)；而燃耗高于30000MWd/tU時(shí)，輸出的能量239Pu核裂變釋放的能毒性的定義:被毒物吸收的熱中子數(shù)與 吸收的熱子數(shù)的比PUP Ua ：毒物的熱群宏觀吸收截面a 的熱群宏觀吸收截aU Ua三、氙135Xe是所有裂變產(chǎn)物中最重要的一種毒物，在中子能量0.025eV時(shí)微觀吸收截面為2.7×106質(zhì)量數(shù)為135的裂變產(chǎn)物的衰變?nèi)?、氙三、?/p>

氙產(chǎn)生直接從裂變中產(chǎn)產(chǎn)物碘的衰135Te 19.2

I6.7小

135輻射俘獲衰變成135Xe

135Cs9.2小 2.3106

135Ba（穩(wěn)定135I和135Xe的產(chǎn)生率 135Xe濃度的時(shí)間變化率方程

)

a, （一）堆啟動(dòng)時(shí)對(duì)于新的堆芯，15和5的初始濃度為零。若反應(yīng)堆在似地認(rèn)為=0時(shí)刻，中子通量密度瞬時(shí)達(dá)到額定值，并保持不變。和N(t)If[1exp( I (t)(IXe)f1 )tXea,Xe Ifa,XeXe

a,exp[(Xea,Xe)t]和N(飽和）If I （IXe)fXe飽和）＝

Xea,Xe（一）堆啟動(dòng)時(shí)熱中子通量密度為1014中子/cm2·s，反應(yīng)堆在穩(wěn)定功率運(yùn)行工50h，135I和135Xe的濃度堆啟動(dòng)后的135I和135Xe的濃度隨時(shí)間的變135Xe平衡濃度所引起的負(fù)反應(yīng)性就稱為“平衡Xe毒”（一）堆啟動(dòng)時(shí)從零功率開始階躍變化后的氙反應(yīng)性隨時(shí)間的變（一）堆啟動(dòng)時(shí)熱中子反應(yīng)堆中，毒物的反應(yīng)性當(dāng)量可表示

NXea,P UP a135Xe的反應(yīng)性效應(yīng)正比于其濃

Ua （IXe)fXe飽和）＝

Xea,Xe（一）堆啟動(dòng)時(shí)反應(yīng)堆在不同功率水平下運(yùn)行較長時(shí)間后所引入的平與不同功率水平相對(duì)應(yīng)的平衡氙毒反應(yīng)（二）停堆后（二）停堆后

Xe

I

)

NXe零。此時(shí)堆內(nèi)存在的135I繼續(xù)衰變成135Xe，但135Xe不能由于吸收中子而減少衰變來減少。 （二）停堆后停堆后，135I繼續(xù)衰變生成135Xe135Xe不再因吸收中子而減少，且135I衰變成135Xe的速度要比135Xe衰變成135Cs以后，由于135I濃度逐漸減少，135Xe不斷衰變，Xe濃度（三）碘反應(yīng)堆在某率下運(yùn)行較長時(shí)間后降功率或停堆，此時(shí)135Xe的生成量大于消耗量，由此引起135Xe的濃度逐步增大，達(dá)到最大值后又逐步衰減，直至濃度降到零。ex隨時(shí)間變化剛剛與135Xe的相反。由于135Xe主要來源于裂變產(chǎn)物碘的緣故135Xe濃度達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的負(fù)反應(yīng)性，就被稱之為“碘坑”。降功率運(yùn)行時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)“碘坑”（三））碘坑括為。1中子通量密度的下降（ ），使135Xe靠俘獲中子的幾率降低（ ）2135I衰變成135Xe的半衰期比135Xe因衰變 的半衰期要，因而造成135Xe以上兩個(gè)原因使135Xe的濃度增3由于135I濃度逐漸減少，135Xe的衰變超過135Xe135Xe不再生成而只有衰變（停堆時(shí)），135Xe的濃度（在長時(shí)間停堆后135Xe逐 ）t1——碘坑tp——允許停堆時(shí)tf——強(qiáng)迫停堆碘坑深度：停堆后反應(yīng)性ex下降到最小（四）反應(yīng)堆功率變化引起135Xe變假如反應(yīng)堆在某（135Xe、135I已達(dá)到平衡濃度），現(xiàn)在，在t=0時(shí)，功率階12。堆芯內(nèi)135Xe與135I的濃度也相應(yīng)的變化，且與堆功率變化前后圖給出了堆功率變化前后，135I、135Xe和剩余反應(yīng)性隨時(shí)間的變化。當(dāng)o功率階（五）在大型熱中子反應(yīng)堆中，在堆芯某一區(qū)域中由于某種。氙振蕩是反應(yīng)堆內(nèi)氙的空間分布隨時(shí)間作周期（四）產(chǎn)生135Xe振蕩現(xiàn)象是有條件高熱中子通量密度，一般要大于1013中子/cm2s反應(yīng)堆尺寸很大，一般要求堆芯尺寸大于30135Xe振蕩示意

視，其可能會(huì)導(dǎo)致堆芯核元件局氙振蕩 氙振蕩的控由于氙例如采用部分長度控制棒可以抑制壓水堆中軸向的氙振蕩。如果反應(yīng)堆具有較大的負(fù)慢化劑溫度系數(shù)，則也可以克服氙的不穩(wěn)定性，因?yàn)榫植康臏囟茸兓瘯?huì)抵消由氙引起的中子通量密度變化。四、釤149Sm在中子能量為0.025eV時(shí)微觀吸收截面為4.08×104靶產(chǎn)生：149Pm裂變149Nd(釹 149Sm與135Xe不同，是穩(wěn)定的同位素（其半衰期：149Sm唯一的損失途徑是0149Sm1n150Sm0149Sm及149Pm濃度隨時(shí)間的變當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)，可得149Pm、149Sm的平衡（飽和）求得由149Sm平衡濃度引起的（一）啟動(dòng)時(shí)堆的反應(yīng)堆啟動(dòng)后的149Sm毒性隨時(shí)間的變（一）啟動(dòng)時(shí)堆的反應(yīng)堆在啟動(dòng)時(shí)，NPm（0）=NSm（0）=0。當(dāng)時(shí)間（t

）時(shí)，可得149Pm、149Sm的平衡（飽和）濃度。核的產(chǎn)生率等于 率時(shí)的釤濃度稱為平衡釤濃度 ()Pm

a149Sm的平衡濃度與熱中子通量密度平衡釤濃度所引起的反應(yīng)性變化值，即為平衡 NSm()

Pm （一）啟動(dòng)時(shí)堆的在約400h后，149Sm達(dá)到了平衡毒性。135Xe與149Sm相比，由于135Xe的熱中子吸收截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于149Sm的熱中子，而且1（二）停堆后的假設(shè)停堆前已經(jīng)運(yùn)行了相當(dāng)長時(shí)間，堆內(nèi)149Pm、149Sm都已平衡濃度。當(dāng)在t=0時(shí)突然停堆，此時(shí)149Sm隨時(shí)間的 (t)PmfPmf[1ePmt (t)PmfPmf 為停堆前穩(wěn)定功率時(shí)的熱中子通量

在不同功率下長期穩(wěn)定運(yùn)行停堆釤毒反應(yīng)性變化S由S不發(fā)S149Sm濃度將會(huì)逐漸趨于某個(gè)與停堆前中子通量密度的濃度值小掌握毒掌握兩種最重要的裂變毒物：135Xe、149Sm氙產(chǎn)生 途掌握碘坑強(qiáng)迫停堆掌握氙掌握釤產(chǎn)生 的途原因五、堆芯壽期、燃耗、 轉(zhuǎn)換與換降到（。）行時(shí)間的增長，keff逐漸減（一）將控制棒全部提出和硼濃度降到最低，keff隨燃耗keff隨燃耗對(duì)壓水堆核電廠運(yùn)行，通常將堆芯壽期分成壽期初（。壽期中（MOL）及壽期末（EOL）3渡及（二）燃 燃耗 貧化的一種度量，隨著燃耗的增加， 經(jīng)釋放的能量增加，還可以釋放的能量將減少燃耗表0。（二）燃從堆芯卸出后不再重新放入堆芯使用 組件（ ）所具有的燃耗深度稱為卸料燃耗深度它受兩方組件的抗輻照性能。只有高性能 組件才承受高的。高溫堆補(bǔ)償燃耗的反應(yīng)性是靠隨時(shí)卸出燃燒過 球再加入新 球和已經(jīng)燃燒過但還沒有達(dá) 球。芯，次料模每個(gè) 在個(gè)期個(gè)球，加入 個(gè)新 球和 個(gè)燃燒過的沒有達(dá)到燃耗 轉(zhuǎn)核質(zhì)量豐度同位素質(zhì)半衰現(xiàn)在，對(duì)壓水堆電廠和高溫氣冷堆， 主要是經(jīng)過－钚循環(huán)，其核反應(yīng)238U(n、)239U 將可用以生產(chǎn)易裂變同位素的核素238U稱為可轉(zhuǎn)換同位素而通過可轉(zhuǎn)換同位素產(chǎn)生易裂變同位素的過程，稱作轉(zhuǎn)換壓水堆電廠中 的富集度約2％～3％，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，卸下中含有一定量的239Pu。如果將所產(chǎn)生的239Pu從卸下 中提取出，加工成 再裝入堆內(nèi)或在堆中加以利用，這樣的過程就稱之為鈾钚循環(huán) 利用效率可以表示為其中生成的易裂變核素（各種核）與所消耗易裂變 比產(chǎn)生的易裂變核 消耗的易裂變核 增殖堆壓水堆內(nèi)，可轉(zhuǎn)換材料238U轉(zhuǎn)換生成易裂變的239Pu，239Pu的一部分在運(yùn)行期間參與核裂變反應(yīng)。然而，所產(chǎn)生的239Pu核總數(shù)小于所消耗的易裂變核素235U核為了充分利用天然鈾的可用能量必須進(jìn)行增殖，此時(shí)產(chǎn)生的易裂變材所消耗的數(shù)量壓水反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)換比（CR）大約等于在快中子堆內(nèi)，采用鈉冷卻劑，二氧化钚－239（易裂變材料）及二氧－238（可轉(zhuǎn)換材料）?？赏@得（四）換 裝載方式以及選擇較佳的料周期、換料方案等，以 循環(huán)成本達(dá)到最小換料周兩次換料之間的時(shí)間間隔，稱之為換料周期現(xiàn)在世界上的壓水堆電廠，一般換料周期為一年左右，每次只更換1/3的堆 裝載量大亞灣的換料周期是18個(gè)AP1000的換料周期設(shè)計(jì)為18—24球床式高溫氣冷堆采用的是換料壓水堆電廠的堆芯都采用分區(qū)在這種堆芯裝料方式中，共分3區(qū)，最外一區(qū)是富集度較高（約3%）的 中心區(qū)則采用不同富集度（一種約2%，一種約2.5%）的 交替排列著。在換料時(shí)，新的 組件（約3%富集度）裝在最外區(qū)，而原來在外區(qū)已照過的組件分散交替地裝在中心區(qū) 組在卸出堆芯前一般要燒3個(gè)循環(huán)高溫氣冷堆換料球床式高溫氣冷堆可以實(shí)現(xiàn)不停堆連續(xù)裝卸料球床式高溫氣冷 管理方式可以選擇“一次通過”或“次通過為軸向通量分布，使全堆芯，HTR-PM采用“多次通過”的管理方式。球通過堆芯的次數(shù)取決于對(duì)軸向通量的要求、堆內(nèi)溫度分布、裝卸系統(tǒng)的運(yùn)行能力、失壓事故后最高溫度、以及反射層石墨的輻照等諸多因素。經(jīng)過優(yōu)化選擇，HTR-PM選擇球15次通過堆芯的管理球床式高溫氣冷堆換料方案分為兩個(gè)初裝堆芯，是 球和石墨球按一定比例裝入堆芯 入新 球、燃耗過的 球和部分石墨球，逐漸將堆芯內(nèi)的2）平衡堆芯，采用15次通過換料的模式，即每 球 采用15次通過的換料周期的目的是保證單球最大功率比較小，堆內(nèi)功率分布比較平坦，提高堆芯的功率對(duì)比

初裝大

過渡逐步

平衡全部 加深至燃耗限燃耗

對(duì)比裝料/卸循環(huán)速

1:1混合料/石

過渡堆元件/石墨球（滿功率3個(gè)月）高富集度元件/低富集度元件（滿功率3個(gè)年

集 元/石墨球內(nèi)添加適量的可燃毒物。初裝堆的元件燃耗，在與