理工核反应堆物理分析反应性随时间

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,核反应堆物理分析,反应性随时间的变化,2024/9/23,1,2,1,核燃料重同位素随时间的变化,1.1,重同位素燃耗链及裂变产物链,;1.2,重同,位素燃耗方程,;,2,裂变产物中毒,2.1,氙,-135,中毒,(,启动,;,停堆,;,功率过渡,;,氙振,荡,);2.2,钐,-140,中毒,;,3,反应性与燃耗计算,4,核燃料转换与增殖,(,转换比,),2024/9/23,2,引 子,反应性,随时间变化,前几讲均以稳态模型为研究对象。但实际,中，由于,易裂变核素的裂变和新的易裂变,核素的产生、裂变产物的积累、冷却剂温,度的变化和控制棒的移动,等原因；,反应堆的许多物理量：,反应性、燃料同位,素成份、中子通量密度都是时间的变量，,称为反应堆动态学。,2024/9/23,3,研究核燃料同位素和裂变产物同位素成分,随时间的变化以及他们对反应性和中子通,量密度分布的影响等；变化速率缓慢（以,小时或日,为单位来度量）；,研究在反应堆启动、停堆和功率调解过程,中，中子通量密度和功率随时间的变化，,变化迅速（以,秒,为单位来度量）；,2024/9/23,4,1,核燃料重同位素随时间的变化,以一个电功率,1000MW,核电厂为例，,一,天消耗约,3kgU-235,，期间不断有易裂变同,位,素生成和裂变产物的积累,(300,余种,),。,三类过程：裂变,(,诱发,),、辐射俘获、衰,变。,燃料链与所采用的燃料循环类型有关。,本节将集中以热堆铀,-,钚循环为例分析。,2024/9/23,5,略去半衰期较短及吸收截面,(,宏观,),较小的产,物，只保留工程计算中有重要意义的核素：,(p166),1.1,重同位素燃耗链及裂变产物链,2024/9/23,6,“,重,”,同位素：,U,、,Np,、,Pu,、,Am,、,Cm,但,在动力堆计算中，质量数大于,242,的一般不予,考虑。在生产堆,中除外。,e.g.,超,Pu,元素。,(p166),7,2024/9/23,7,几个基本概念：,裂变碎片,(Fission fragments):,裂变产生,的具有一定动能的多种原子核。,裂变产物,(Fission products):,核裂变生,成的裂变碎片及其衰变产物。,对于,LWR,，包括,300,多种放射性及稳定的同,位素。,裂变产额,(Fission yield):,裂变中产生某,一给定种类裂变产物的份额。,本节中以,表示。,2024/9/23,8,i,i ai,a,=,工程计算，,按吸收截面及裂变产额分类：,单独计算：,Xe,-135,、,Sm-149,、,Rh-103,、,Eu-,155(,a,10,4,b,),集总计算：两组：,慢饱和裂变产物,(slow-saturated fission,product ,SSFP):,吸收截面较大，浓度随运行,时间缓慢趋于饱和。,非饱和裂变产物,(non-saturated fission,product ,NSFP):,吸收截面较小，不饱和。,e.g.,SSFP,i,i,2024/9/23,9,WIMS,和,CASM,O-3,热堆计算中,考虑的裂变产,物：,22+2,种，,14,条裂变产物链。,S,(p167),2024/9/23,10,2024/9/23,11,1,2,3,4,5,6,7,8,U-,235,U-,236,Np-,237,Pu-,238,U-,238,Np-,238,Pu-,239,Pu-,240,1.2,重同位素燃耗方程,包括燃耗链和裂变产物链。,对于分支链线性化处理，按独立链计算，,同种核素计算结果相加。,编号处理：,(P168),2024/9/23,12,燃耗方程,(depletion equation),：,核密度变化率,=,产生率,-,消失率,=,辐射俘获反应率,(,产生,-,消失,),+,衰变反应率,(,产生,-,消失,),-,裂变反应率,核子数密度变化率,=,2024/9/23,13,2024/9/23,14,2024/9/23,15,近似方法：,空间离散：,燃耗区,令每个燃耗区内中子通量密度、核密度为,常数。,时间离散：,燃耗步长,令每个燃耗步长内中子通量密度为常数。,2024/9/23,16,2024/9/23,17,燃耗方程的求解,2024/9/23,18,2024/9/23,19,乏燃料中有利用价值的核素相当多！,堆芯寿期,(core lifetime):,一个新装料,堆芯从开始运行到有效增殖因数降到,1,时，,反应堆堆满功率运行的时间。,堆芯寿期的主要限制：随中子通量密度的增,加或燃耗加深，裂变产物不断积累，因而使,反应堆的剩余反应性逐渐下降。,剩余反应性,:,反应堆在无控制毒物情况下超,临界的反应性。,2024/9/23,20,2,裂变产物中毒,裂变产物中毒,(p,oisoning),：由于裂变产物,存在，其吸收中子而引起的反应性变化。,单群近似下：,F,燃料,M,慢化剂,P,裂变产物,2024/9/23,21,2024/9/23,22,上式仅为单群近似下的结果，在实际工程,中，采用数值方法直接计算中毒。,影响热堆中毒的重要同位素：,Xe-135,Sm-149,吸收截面和裂变产额大，对反应性影响明,显：,长期：反应堆启动后很快可趋于饱和，,影响稳态反应性。,短期：变工况时浓度变化迅速、幅度较,大，对反应性影响突出。,2024/9/23,23,2.1,氙,-135,中毒,(Xe-135 p,oisoning),热区平均吸,收截面,3x10,6,b,，,总体产额,6%,(p174),2024/9/23,24,(p174),-,2024/9/23,25,其中，将短半衰期的,Sb-135,和,Te-135,的产额与,I-135,的直接产额之和作为,I-135,的裂变产额。,I-135,热中子吸收截面,8b,，半衰期,6.7h,，故可忽略其,辐射俘获，认为其全部转化为,Xe-135,。,(p175),2024/9/23,26,裂变 产,物,裂变产额,/%,衰变常数,5,-,1,/10,s,U-233,U-235,Pu-239,Pu-241,I-135,4.884,6.386,6.100,7.694,2.87,Xe-135,1.363,0.228,1.087,0.255,2.09,Pm-149,0.66,1.13,1.19,0.358,2024/9/23,27,以上给出了碘,-1,35,和氙,-135,的单群燃耗方,程，可以对热堆中毒进行粗略分析。,实际热堆稳态中子通量密度为,10,-14,cm,-2,s,-1,数,量级。在此水平下，,Xe,主要因吸收中子而消,失。,对于启动和停堆工况，我们近似认为其中子,通量密度是在,“,瞬间,”,达到稳态值或,0,的。,2024/9/23,28,2024/9/23,29,2024/9/23,30,(p177),2024/9/23,31,2024/9/23,32,在高热中子通量密度下运行的反应堆可近似,认为平衡氙中毒与热中子通量密度值无关。,当,这已是一个可观的数值，不可忽略。,2024/9/23,33,停堆,初始条件,：,微分,方程,：,2024/9/23,34,2024/9/23,35,对于中子稳态通量小于,2.76X10,11,cm,-2,s,-1,的,热堆，停堆后,Xe-135,浓度一直下降；相,反，则会出现一个最大氙浓度，随后才会,逐渐下降。将,停堆后，,Xe-135,浓度由平衡,值升至最大值的时间表示为,t,max,可以证明：,2024/9/23,36,2024/9/23,37,“,碘坑,”,现象的出现主要是由于停堆后,I-135,继续衰变为,Xe-135,，使,Xe-135,浓度增大所,致。,碘坑时间：,允许停堆时间：,强迫停堆时间：,t,I,t,p,t,f,强迫停堆时间内无法启动反应堆。其出现,是由于停堆前反应堆的剩余反应性不足以,补偿其氙中毒。,2024/9/23,38,2024/9/23,39,2024/9/23,40,(p181),2024/9/23,41,逐渐降功率停堆比突然停堆引起的碘坑深,度要浅。,当停堆不久还存有大量氙,-1,35,时重新启,动，由于中子通量密度迅速增加导致氙浓,度迅速下降,剩余反应性猛增！,结论：悠着点，慢慢来！,2024/9/23,42,功率过渡,(p182),2024/9/23,43,氙振荡,(Xe-oscillation),在大型热中子反应堆中，局部区域内中子,通量密度的变化会引起局部区域氙,-135,浓,度和局部区域中子平衡关系的变化，其结,果又会使中子通量密度变化，这两者间相,互反馈作用可能使堆芯中氙,-135,浓度和热,中子通量密度分布产生空间振荡现象。,氙振荡的周期大约是,15-30h,。,2024/9/23,44,2024/9/23,45,氙振荡的危险性：,1,）使局部温度升高，可能烧毁元件。,2,）加剧堆芯材料温度应力变化，缩短材料,使用寿命。,氙振荡周期较长，较易控制。,天然铀或低富集度铀气冷堆、大型压水,堆：需要考虑氙振荡。,沸水堆、快堆：不需要考虑氙振荡。,2024/9/23,46,2.2,钐,-149,中毒,(Sm-149 p,oisoning),在所有裂变产物中，钐,-149,对热堆影响仅次,于氙,-135,。,(p185),2024/9/23,47,相应的燃耗方程组,：,2024/9/23,48,2024/9/23,49,2024/9/23,50,停堆,初始条件：,微分,方程：,2024/9/23,51,解得：,Sm-149,浓度将一直上升，直至重新开堆。,2024/9/23,52,2024/9/23,53,3,反应性随时间的变化与燃耗深度,燃耗计算任务：在无控制毒物的情况下，有,效增殖因数与时间,(,燃耗,),的变化关系。需要,考虑：重同位素成分、中毒、裂变产物随时,间的变化。,方法：分区、分步长数值计算。,堆芯寿期,(c,ore lifetime):,一个新装料堆芯从,开始运行到有效增殖因数降到,1,时，反应堆,堆满功率运行的时间。,2024/9/23,54,(p189),2024/9/23,55,2024/9/23,56,运行时间指有效满功率天（,EFPD,）,C,称为该循环的容量因子。,2024/9/23,57,1,）,每吨铀,(,包括钚、,钍，不包括氧等,),发出的热能,：,燃耗深度,(burn-up level),：装入堆芯的单,位质量核燃料所产生的总能量、燃料贫化程,度的一种度量。,三种,表示方法：,2,）易裂变同位素消耗与装载的质量之比：,3,）燃耗掉的易裂变同位素质量比装载的燃料质量：,2024/9/23,58,平均卸料燃耗深度：从堆芯中卸出的一批燃,料中所达到的平均燃耗深度。直接关系到核,电厂的经济性。,提高措施：,采用不同富集度,的核燃料分区装料；,化学补偿液和可燃毒物提高过剩反应性和展平功率,分布；,选用二氧化铀作燃料元件芯块；,选取适当芯块密度；,选用好的包壳材料；,改进燃料元件加工工艺。,2024/9/23,59,4,核燃料转换与增殖,转换,(conversion),：某种核素通过转换物质,产生易裂变同位素的过程。,U-Pu,循环和,Th-U,循环。,2024/9/23,60,2024/9/23,61,=,转换比,(c,onversion ratio),：,CR,：,转换比大于,1,的堆称为增殖堆,(breed,ing,reactor),。,此时的转换比称为增殖比,(breeding ratio),。,转换比小于,1,的称为转换堆,(conversi,on,reactor),CR=,易裂变核生成率 堆内可转换物质的辐射俘获率,易裂变核消耗率 堆内所有易裂变物质的吸收率,2024/9/23,62,转换比是空间和时间的函数，我们通常关,如,p1,92,页假设，对于,CR,0.6,的轻水堆，,最终被利用的易裂变核约为原来的,2.5,倍。,只有当,2,时才能实现增殖，对于,U-Pu,循,环，必须利用快堆,(,E,0.1MeV),；,而对于,Th,-U,循环，在热,堆中也可能实现增,殖，但效率较低。,心其体积平均值,CR,2024/9/23,63,增殖增益,G,：系统中每消耗一个易裂变同位,素的原子核所得到的净增加的易裂变同位,素核素。,倍增时间,：反应堆内易裂变同位素的数量,比初始装载量增加一倍所需的时间，通常,以年为单位。,2024/9/23,64,