《反應(yīng)堆原理》12第六章柵格的非均勻效應(yīng)燃料慢化劑燃料慢化劑正方形柵格六角形柵格平板柵格反應(yīng)堆堆芯柵格結(jié)構(gòu)：將燃料制成塊狀，按一定幾何形式放置在慢化劑中組成柵格的基本結(jié)構(gòu)稱為柵元①快中子在柵格內(nèi)的分布燃料慢化劑燃料②熱中子在柵格內(nèi)的分布燃料慢化劑燃料3第六章柵格的非均勻效應(yīng)空間自屏效應(yīng)：燃料塊外層燃料核對內(nèi)層燃料核起屏蔽作用，使內(nèi)層燃料核未能充分有效的吸收熱中子?？臻g自屏效應(yīng)會導(dǎo)致熱中子利用系數(shù)(f)減小。燃料慢化劑燃料空間屏蔽效應(yīng)會減少燃料對共振中子的吸收，增加逃脫共振幾率(p)四因子公式由于柵格的塊結(jié)構(gòu)所引起的效應(yīng)，以及由其所產(chǎn)生的各種參數(shù)的變化。非均勻效應(yīng)：③共振中子在柵格內(nèi)的分布σa(6.67eV):7000b世界上第一座反應(yīng)堆：天然鈾—石墨非均勻堆4第六章柵格的非均勻效應(yīng)σa1σa2Φ(E)當(dāng)溫度升高時(shí)，共振吸收會增大，能量自屏效應(yīng)減弱。E0Φ(E)1/E共振峰內(nèi)中子通量密度的畸變無共振峰有共振峰當(dāng)中子截面呈共振峰形狀時(shí)，在共振能量附近，中子通量密度出現(xiàn)很大凹陷，這種現(xiàn)象稱之為能量自屏效應(yīng)。能量自屏效應(yīng)使共振吸收減少1.能量自屏效應(yīng)溫度對共振吸收的影響5第六章柵格的非均勻效應(yīng)2.空間自屏效應(yīng)多普勒展寬效應(yīng)多普勒展寬前多普勒展寬后當(dāng)燃料溫度升高時(shí)，由于多普勒展寬，能量自屏和空間自屏效應(yīng)減弱，都將使共振吸收增大，從而使有效增殖因數(shù)和反應(yīng)性變小。當(dāng)溫度升高時(shí)，共振吸收會增大，空間自屏效應(yīng)減弱。6第六章柵格的非均勻效應(yīng)柵格的幾何參數(shù)主要指燃料塊的厚度、半徑和柵距柵格幾何參數(shù)的改變，將改變?nèi)剂虾吐瘎┑捏w積比(如VH2O/VUO2或NH/NU)，從而改變反應(yīng)堆的增殖因數(shù)VH2O/VUO2p,fpfVH2O/VUO2k∞欠慢化柵格過分慢化柵格最佳柵格：在給定燃料富集度和慢化劑材料情況下，存在著使柵格無限增殖因數(shù)達(dá)到極大值或臨界體積為極小的柵格幾何參數(shù)。從安全角度考慮，實(shí)際壓水堆的VH2O/VUO2

值選在欠慢化區(qū)。柵格幾何參數(shù)的選擇7第六章柵格的非均勻效應(yīng)VH2O/VUO2k∞不含可溶硼含可溶硼不同硼濃度時(shí)鈾水柵格的k∞與VH2O/VUO2的關(guān)系欠慢化過分慢化對于給定結(jié)構(gòu)的堆芯，通常設(shè)定一個(gè)最大允許硼濃度的限制，要求在最大的可溶硼濃度下，反應(yīng)堆仍保持為欠慢化柵格。8第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化X衰變俘獲吸收衰變裂變核素X的產(chǎn)生和消失核燃料中核素的燃耗方程核素產(chǎn)生鏈線性化處理：ABCEABDEABCDE9第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化某個(gè)核素i的燃耗方程：衰變常數(shù)10第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化裂變產(chǎn)物對反應(yīng)性的影響：裂變產(chǎn)物中毒F、M、P分別表示燃料、慢化劑、裂變產(chǎn)物11第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化1.02.03.04.0000.080.160.24中子能量/eV吸收截面/106b135Xe的吸收截面與中子能量的關(guān)系

135Xe對熱中子的吸收截面非常大，約3*106b

135Xe中毒12第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化裂變135I135Xe135CsγIγXeλIλXe(n,

γ)13第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化停堆時(shí)間運(yùn)行時(shí)間tItmaxtftptΡex(t)Ρex(0)NXe(t)NXe(0)停堆前后，135Xe濃度和剩余反應(yīng)性隨時(shí)間的變化關(guān)系tI：碘坑時(shí)間tp：允許停堆時(shí)間tf：強(qiáng)迫停堆時(shí)間14第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化NXe(t)?1?2?1?2Ρex(t)Ρex(t)NXe(t)NI(t)NI(t)運(yùn)行時(shí)間t運(yùn)行時(shí)間t功率變化前后，I和Xe濃度及剩余反應(yīng)性隨時(shí)間變化示意圖15第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化

149Sm中毒149Pm149Sm54h150Sm(n,γ)40800bβ-裂變γPm=0.0113149Sm裂變產(chǎn)物鏈16第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化t/h0100200NSm(t)/a.u.01002000100200300啟動(dòng)停堆再啟動(dòng)反應(yīng)堆啟動(dòng)、停堆和再啟動(dòng)時(shí)149Sm的濃度隨時(shí)間的變化17第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化任意時(shí)刻t，堆芯中沒有任何控制毒物時(shí)的反應(yīng)性稱為該反應(yīng)堆t時(shí)刻的剩余反應(yīng)性或后備反應(yīng)性堆芯壽期表示一個(gè)新裝料堆芯從開始運(yùn)行到剩余反應(yīng)性降到0時(shí)反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行的時(shí)間剩余反應(yīng)性與堆芯壽期18第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化燃耗深度的表示方法：①②③燃耗深度燃耗深度是裝入堆芯的單位重量核燃料所產(chǎn)生的總能量的一種度量，也是燃料貧化程度的一種度量。19第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化從堆芯中卸出的燃料所達(dá)到的燃耗深度稱為卸料燃耗深度從反應(yīng)堆卸下的一批燃料，通常使用平均卸料燃耗深度來表示這批燃料的燃耗狀態(tài)。平均卸料燃耗深度直接關(guān)系到核電站的經(jīng)濟(jì)性，它是動(dòng)力反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一最大的允許卸料燃耗深度主要是受燃料元件的材料性能的限制。燃料元件的材料性能主要是指燃料元件在輻照和高溫工況下的穩(wěn)定性20第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化提高平均卸料燃耗深度的措施：①采用不同富集度的核燃料進(jìn)行分區(qū)裝料；②采用化學(xué)補(bǔ)償液和可燃毒物來提高過剩反應(yīng)性和展平功率分布；③選取在高溫、高輻照條件下穩(wěn)定性好較好的二氧化鈾和碳化鈾來做燃料元件芯塊；④選取適當(dāng)?shù)男緣K密度，以利于裂變氣體釋放和防止密集化效應(yīng)；⑤選用穩(wěn)定性較好，吸收截面較小的材料(如鋯合金)做燃料包殼；⑥改進(jìn)燃料元件加工工藝，提高加工精度等。

21第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化通過轉(zhuǎn)換物質(zhì)產(chǎn)生易裂變同位素的過程叫做轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換比轉(zhuǎn)換比CR：反應(yīng)堆中每消耗一個(gè)易裂變材料原子所產(chǎn)生的新的易裂變材料的原子數(shù)22第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化若反應(yīng)堆無需再添加新的易裂變物質(zhì)若反應(yīng)堆可增殖出易裂變物質(zhì)供其它反應(yīng)堆使用對于輕水堆23倍增時(shí)間增殖增益G:系統(tǒng)中每消耗一個(gè)易裂變同位素的原子核所得到的凈增加的易裂變同位素核數(shù)倍增時(shí)間:由于增殖，反應(yīng)堆內(nèi)易裂變同位素的數(shù)量比初始裝載量增加一倍所需的時(shí)間，通常以年為單位第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化24第七章反應(yīng)性隨時(shí)間的變化①簡單倍增時(shí)間將反應(yīng)堆凈增殖產(chǎn)生的易裂變同位素不斷從反應(yīng)堆中取出并貯存，直到貯存的易裂變同位素等于初始裂變材料的裝載量所需的時(shí)間②指數(shù)倍增時(shí)間將反應(yīng)堆凈增殖產(chǎn)生的易裂變同位素不斷從反應(yīng)堆中取出并及時(shí)裝入其它反應(yīng)堆加以利用，如此直到易裂變同位素等于初始裂變材料的裝載量2倍所需的時(shí)間25第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制1.反應(yīng)性溫度系數(shù)及其對反應(yīng)堆穩(wěn)定性的影響單位溫度變化所引起的反應(yīng)性變化稱為反應(yīng)性的溫度系數(shù)(αT)不同溫度系數(shù)下，引入一個(gè)階躍正反應(yīng)性之后，反應(yīng)堆功率隨時(shí)間的變化26第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制2.燃料溫度系數(shù)由單位燃料溫度變化引起的反應(yīng)性變化稱為燃料溫度系數(shù)屬于瞬發(fā)溫度系數(shù)。σa(E)E238U的共振吸收燃料的溫度系數(shù)主要是由核燃料共振吸收的多普勒效應(yīng)引起的燃料溫度系數(shù)27第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制E0Φ(E)1/E無共振峰有共振峰能量自屏效應(yīng)空間自屏效應(yīng)燃料慢化劑燃料溫度升高使核燃料有效共振吸收增加，逃脫共振俘獲概率減小，有效增殖因數(shù)下降，因此產(chǎn)生負(fù)溫度效應(yīng)28第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制3.慢化劑溫度系數(shù)由單位慢化劑溫度變化引起的反應(yīng)性變化稱為慢化劑溫度系數(shù)，慢化劑溫度系數(shù)屬于緩發(fā)溫度系數(shù)?？傊疁囟壬撸瘎┟芏容^小時(shí)，引起兩個(gè)相反的效應(yīng)正效應(yīng)：負(fù)效應(yīng)：29第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制慢化劑溫度系數(shù)與單位體積內(nèi)慢化劑與燃料的核密度比值有關(guān)k∞VH2O/VU2O293K573K欠慢化區(qū)過慢化區(qū)30第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制VH2O/VUO2k∞不含可溶硼含可溶硼不同硼濃度時(shí)鈾水柵格的k∞與VH2O/VUO2的關(guān)系欠慢化過分慢化對于給定結(jié)構(gòu)的堆芯，通常設(shè)定一個(gè)最大允許硼濃度的限制，要求在最大的可溶硼濃度下，反應(yīng)堆仍保持為欠慢化柵格。31第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制4.其它反應(yīng)性系數(shù)空泡份額(x):冷卻劑中所含的蒸汽泡的體積百分?jǐn)?shù)空泡系數(shù):冷卻劑的空泡份額變化百分之一所引起的反應(yīng)性變化當(dāng)出現(xiàn)空泡或空泡份額增大時(shí)，Ⅰ冷卻劑的有害中子吸收減少Ⅱ中子泄露增加Ⅲ慢化能力變小，能譜變硬①空泡系數(shù)正效應(yīng)負(fù)效應(yīng)正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)保證空泡系數(shù)必須為負(fù)值32第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制反應(yīng)性系數(shù)沸水堆壓水堆重水堆高溫氣冷堆鈉冷快堆燃料溫度系數(shù)10-5/K-4~-1-4~-1-2~-1-7-0.1~0.25慢化劑溫度系數(shù)10-5/K-50~-8-50~-8-7~-31.0空泡系數(shù)10-5/K-200~100000-12~20幾種堆型的反應(yīng)性系數(shù)33第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制②功率系數(shù)功率系數(shù):單位功率變化所引起的反應(yīng)性變化壓水堆功率系數(shù)與相對功率關(guān)系34第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制5.反應(yīng)性控制中所用的幾個(gè)物理量①剩余反應(yīng)性剩余反應(yīng)性ρex

:堆芯中沒有任何控制毒物時(shí)的反應(yīng)性控制毒物包括控制棒、可燃毒物和化學(xué)補(bǔ)償毒物等剩余反應(yīng)性的大小與反應(yīng)堆的運(yùn)行時(shí)間和狀態(tài)有關(guān)②控制毒物價(jià)值控制毒物價(jià)值Δρi

:某一控制毒物投入堆芯所引起的反應(yīng)性變化量35第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制③停堆深度停堆深度ρs

:當(dāng)全部控制毒物都投入堆芯時(shí)，反應(yīng)堆所達(dá)到的負(fù)反應(yīng)性停堆深度也與反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間和狀態(tài)有關(guān)，反應(yīng)堆在熱態(tài)和平衡氙中毒時(shí)應(yīng)有足夠大的停堆深度卡棒準(zhǔn)則：即使一根反應(yīng)性最大的控制棒被卡在完全抽出的位置時(shí)，堆芯有效增殖因數(shù)仍低于臨界值(k=0.99)④總被控反應(yīng)性總被控反應(yīng)性Δρ

:剩余反應(yīng)性與停堆深度之和36第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制6.反應(yīng)性控制的任務(wù)反應(yīng)堆控制設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：①控制反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性，滿足反應(yīng)堆長期運(yùn)行的需要；②通過控制毒物適當(dāng)?shù)目臻g分布和最佳的提棒程序，使反應(yīng)堆在整個(gè)堆芯壽期內(nèi)保持較平坦的功率分布；③外界負(fù)荷變化時(shí)，能調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率；④反應(yīng)堆出現(xiàn)事故時(shí)，能迅速安全地停堆。37第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制按控制毒物在調(diào)解過程中的作用和要求，反應(yīng)堆控制可分為：①緊急控制當(dāng)反應(yīng)堆需要緊急停堆時(shí)，要求反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)能迅速地引入一個(gè)大的負(fù)反應(yīng)性，快速停堆，并達(dá)到一定停堆深度②功率調(diào)節(jié)當(dāng)外界負(fù)荷或堆芯溫度發(fā)生變化時(shí)，反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)必須引入一個(gè)適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)性，以滿足反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)的需要③補(bǔ)償控制剩余反應(yīng)性隨時(shí)間變化時(shí)，為保持反應(yīng)堆臨界，必須逐漸從堆芯中移出控制毒物38第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制7.反應(yīng)性控制的方式單能中子擴(kuò)散方程①改變堆內(nèi)中子吸收在堆芯中加入或提出控制毒物以改變堆內(nèi)中子的吸收控制毒物包括：控制棒、可燃毒物和可溶性毒物②改變中子慢化性能在譜移反應(yīng)堆中（重水-輕水混合慢化反應(yīng)堆），通過改變重水和輕水的比例，以改變中子能譜，從而改變反應(yīng)性39第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制③改變?nèi)剂系暮吭谟萌剂蟻碜隹刂瓢艋蜃骺刂瓢舻母S體的情況下，當(dāng)控制棒移動(dòng)時(shí)，除了改變堆內(nèi)中子吸收之外，還改變堆內(nèi)燃料含量，從而改變反應(yīng)性④改變中子泄漏小型快中子反應(yīng)堆中，可以通過移動(dòng)反射層的方法，改變中子的泄漏，從而改變反應(yīng)性目前反應(yīng)堆采用的三種主要控制方式：控制棒控制、可燃毒物控制、化學(xué)補(bǔ)償控制40第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制控制棒：速度快、擾動(dòng)大、需驅(qū)動(dòng)、占柵格可燃毒物：不可調(diào)、無需驅(qū)動(dòng)、不占柵格可溶硼：均勻、速度慢、不占柵格、影響溫度系數(shù)控制方式總價(jià)值控制棒7000pcm可燃毒物8000pcm可溶硼17000pcm41第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制8.控制棒的價(jià)值控制棒的價(jià)值：某控制棒插入(拔出)堆芯時(shí)，使得堆芯的反應(yīng)性的減少量(增加量)①控制棒的積分價(jià)值②控制棒的微分價(jià)值當(dāng)控制棒從一初始參考位置插入到某一高度時(shí)，所引入的反應(yīng)性稱為這個(gè)高度上的控制棒積分價(jià)值。控制棒在堆芯不同高度處移動(dòng)單位距離所引起的反應(yīng)性變化。42第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制①控制棒的積分價(jià)值②控制棒的微分價(jià)值控制棒組高度/cm控制棒組高度/cm控制棒積分價(jià)值/PCM控制棒微分價(jià)值/PCM反應(yīng)堆中調(diào)節(jié)棒的調(diào)節(jié)帶一般都選擇在堆芯的軸向中間區(qū)段，此時(shí)調(diào)節(jié)棒移動(dòng)時(shí)所引起的價(jià)值與它插入深度呈線性關(guān)系。43第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制9.控制棒間的干涉效應(yīng)控制棒1控制棒2控制棒插入堆芯后對徑向中子通量密度分布的影響44第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制控制棒離開堆中心軸的距離/m控制棒的價(jià)值兩根對稱偏心控制棒的干涉效應(yīng)兩根偏心控制棒同時(shí)插入時(shí)的價(jià)值單根偏心控制棒插入時(shí)價(jià)值的兩倍45第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制10.控制棒插入不同深度對堆芯功率分布的影響堆芯壽期初(BOL)堆芯壽期末(EOL)zz??控制棒的插入深度對軸向中子通量密度分布的影響46第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制2.可燃毒物的布置及其對反應(yīng)性的影響①均勻布置情況47第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制②可燃毒物的非均勻布置反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間t?t=0t1>0t2>t1t—∞NpΣ48可燃毒物對有效增殖因數(shù)的影響1—可燃毒物非均勻分布2—可燃毒物均勻分布3—無可燃毒物第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制49可燃毒物的合理配置：理想狀態(tài)：可燃毒物消耗釋放的正反應(yīng)性正好等于燃料燃耗引起的反應(yīng)性損失，有效增殖因數(shù)不變要求：①既要有足夠的補(bǔ)償能力，又不要過補(bǔ)償，堆芯壽期末不要?dú)埩簪谀苷蛊蕉研局凶油棵芏确植伎扇级疚锏暮侠砼渲檬嵌研救剂瞎芾淼囊淮笕蝿?wù)，也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)第八章溫度效應(yīng)與反應(yīng)堆控制50第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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：51第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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。52第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)假設(shè)所有裂變中子都是瞬發(fā)的：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？53第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)短周期的功率上升很難控制對于壓水堆，當(dāng)有效增殖因數(shù)增加0.1%54第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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)55第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)對于壓水堆，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。56第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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。二.反應(yīng)堆的釋熱57第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)

1.燃料的釋熱核裂變產(chǎn)生的能量可分為以下三大類：

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%。58第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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趧e的地方轉(zhuǎn)化為熱能，甚至有的能量根本就無法轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。59第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)

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型相關(guān)，與空間位置無關(guān)。對均勻堆，可裂變核的密度在堆芯內(nèi)為常數(shù)，不隨位置變化。60第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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）。61第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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62第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)③控制棒的影響改善中子通量在徑向的分布，使功率分布更為均勻。63第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)然而，控制棒的插入對軸向功率分布會帶來不利的影響64第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)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)。65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？？？66第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)⑤燃料元件自屏蔽效應(yīng)的影響67第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)三.反應(yīng)堆停堆后的釋熱反應(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。68壓水堆停堆后功率的衰減（停堆前運(yùn)行了無限長的時(shí)間）第九章核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工學(xué)69第十一章核安全與核事故相比普通電廠，核電廠在控制和運(yùn)行操作方面，存在一些特殊的安全問題：壓水堆核電廠是停堆定期換料的，在新堆或換新料后初期，堆芯有較大的剩余反應(yīng)性，因此核電廠有可能發(fā)生比設(shè)計(jì)功率高的多的超功率事故；核燃料發(fā)生裂變反應(yīng)釋放核能的同時(shí)，也放出瞬發(fā)中子和瞬發(fā)γ射線。由于裂變產(chǎn)物的積累，以及堆內(nèi)構(gòu)件和壓力容器等受中子輻照而活化，反應(yīng)堆不管在運(yùn)行中還是停閉后，都有很強(qiáng)的放射性；

1.核安全問題70第十一章核安全與核事故③核電廠反應(yīng)堆停閉后，堆芯因緩發(fā)中子的裂變以及裂變產(chǎn)物的β

和

γ

輻射仍有很強(qiáng)的剩余發(fā)熱，因此，反應(yīng)堆停閉后不能立即停止冷卻，否則會出現(xiàn)燃料元件因過熱而燒毀的危險(xiǎn)；④核電廠在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)放射性廢物，它們的處理和貯存問題在火電廠中是不存在的。為了確保工作人員和居民的健康，經(jīng)過處理的放射性廢物向環(huán)境排放時(shí)，必須嚴(yán)格遵守國家的放射性防護(hù)規(guī)定，力求降低排放物的放射性水平。71第十一章核安全與核事故2.核反應(yīng)堆的安全設(shè)計(jì)2.1縱深設(shè)防縱深設(shè)防通常是通過三級安全防線的設(shè)立來貫徹的要求在核電站的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行中采用多種有效措施，把發(fā)生事故的幾率降到最小程度第一級安全性考慮第二級安全性考慮要求核電站必須設(shè)置可靠的安全保護(hù)系統(tǒng)。一旦發(fā)生事故，該系統(tǒng)能對人身與設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，防止或減少事故的危害。72第十一章核安全與核事故第三級安全性考慮要求在發(fā)生某些假想事故而一些保護(hù)系統(tǒng)又同時(shí)失效時(shí)，必須有另外的專設(shè)安全設(shè)施投入動(dòng)作例如：應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（ECCS），以防止失水事故下燃料的熔化以及裂變產(chǎn)物的釋放根據(jù)三級安全性考慮的縱深設(shè)防原則，可以制定出一套通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并對核電站的各種部件、系統(tǒng)建立起設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、運(yùn)行等各種安全規(guī)范73第十一章核安全與核事故2.2多重屏障為了防止正常運(yùn)行或事故狀態(tài)下放射性物質(zhì)泄漏外逸，所有的反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)都采用多重屏障的措施第一重屏障：燃料芯塊裂變碎片射程很短（10-3cm）。除表面外，絕大部分裂變碎片包容在芯塊之中裂變產(chǎn)物既有固態(tài)的也有氣態(tài)的，氣態(tài)裂變產(chǎn)物如碘、氪和氙等核素，一部分會因擴(kuò)散而從燃料芯塊中逸出第一重屏障大約能留住98％以上的放射性裂變產(chǎn)物74第十一章核安全與核事故第二重屏障：燃料元件包殼燃料元件包殼可以防止氣體裂變產(chǎn)物以及燃料芯塊表面的裂變碎片進(jìn)一步外逸正常運(yùn)行時(shí)，僅有少量氣態(tài)裂變產(chǎn)物穿過包殼擴(kuò)散到冷卻劑中；如包殼有缺陷或破裂，則將有較多的裂變產(chǎn)物進(jìn)入冷卻劑設(shè)計(jì)時(shí)，假定1%的包殼破裂，1%的裂變產(chǎn)物會從包殼逸出實(shí)際上正常運(yùn)行時(shí)，據(jù)統(tǒng)計(jì)最多0.06%的包殼發(fā)生破裂75壓水堆工作示意圖第三重屏障：將反應(yīng)堆冷卻劑全部包容在內(nèi)的一