核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)4.1溫度效應(yīng)堆芯溫度不斷變化：冷態(tài)至熱態(tài)：200~300K

功率改變堆芯溫度變化4.1溫度效應(yīng)堆芯溫度及其分布的變化將引起：

燃料溫度變化：多普勒效應(yīng)，共振吸收增加

慢化劑密度變化：慢化能力及慢化性能改變

中子截面的變化:截面是溫度的函數(shù)

可溶硼溶解度的變化上述因素的變化將導(dǎo)致堆芯有效增殖因子的變化，從而引起反應(yīng)性的變化，該物理現(xiàn)象稱為反應(yīng)堆的“溫度效應(yīng)”。

反應(yīng)堆反應(yīng)性變化的主要影響因素溫度效應(yīng)燃耗中毒功率調(diào)節(jié)、反應(yīng)堆啟動、停堆等

反應(yīng)堆要有足夠的剩余反應(yīng)性，以克服上述反應(yīng)性變化并對反應(yīng)堆進(jìn)行控制壓水堆反應(yīng)性變化反應(yīng)性效應(yīng)數(shù)值，%要求變化率溫度虧損2~50.5/h功率虧損1~20.05/min氙和釤中毒5~250.004/min燃耗5~80.017/d功率調(diào)節(jié)0.1~0.20.1/min緊急停堆2~4<1.5~2s

反應(yīng)性系數(shù)反應(yīng)性系數(shù):

指反應(yīng)堆的反應(yīng)性相對于反應(yīng)堆的某一個參數(shù)的變化率稱為該參數(shù)的反應(yīng)性系數(shù)。

如：反應(yīng)性溫度系數(shù)、空泡系數(shù)、功率系數(shù)等。為保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行，要求反應(yīng)性系數(shù)為負(fù)值，以便形成負(fù)反饋幾種堆型的反應(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)-4~-1-4~-1-2~-1-7-0.1~0.25慢化劑溫度系數(shù)-50~-8-50~-8-7~-3+1.0空泡系數(shù)-200~100000-12~+20切爾諾貝利核電站石墨水冷堆事故原因：操作員嚴(yán)重違反操作規(guī)程核電站內(nèi)在的設(shè)計缺陷:正反應(yīng)性系數(shù)（低功率狀態(tài)）、空心控制棒設(shè)計等切爾諾貝利核電站事故死亡人數(shù)為30人

本報維也納5月21日電（記者丁健行）聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會2日至11日在維也納舉行第49次會議，會議的主要議題之一是評價切爾諾貝利核電站事故1射后果。該委員會的結(jié)論是：核電站事故造成30人死亡，其中28人死于過量照射，死者均為電站工作人員或消防人員。開始被檢查有急性放射病癥狀的工作人員共237人，最后診斷為急性放射病的為134人，其他人沒有確診。134人中包括輻射照射致死的28人。

對于切爾諾貝利核電站事故的長期效應(yīng)，聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會的結(jié)論是：除兒童甲狀腺癌的發(fā)生率有十萬分之幾例的增加外，至今未發(fā)現(xiàn)有其他可歸因于這次事故的總癌癥發(fā)生率和死亡率的增加。

美國三哩島核事故1979.3.28,美國賓夕法尼亞州薩斯奎哈河三哩島核電站，堆芯熔化后果：在以三哩島核電站為圓心的50英里范圍內(nèi)的220萬居民中無人發(fā)生急性輻射反應(yīng)周圍居民所受到的輻射相當(dāng)于進(jìn)行了一次胸部透視的輻射劑量三哩島核泄漏事故對于周圍居民的癌癥發(fā)生率沒有顯著性影響三哩島附近未發(fā)現(xiàn)動植物異?，F(xiàn)象，當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)量未發(fā)生異常變化但是，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億美元之巨影響：核能史上第一起堆心熔化事故，反核人士反對核能應(yīng)用的有力證據(jù)；三哩島核泄漏事故雖然嚴(yán)重，但未造成嚴(yán)重后果，原因在于圍阻體發(fā)揮了重要作用，凸現(xiàn)了其作為核電站最后一道安全防線的重要作用；運(yùn)行人員的錯誤操作和機(jī)械故障是重要的原因，提示：核電站運(yùn)行人員的培訓(xùn)、面對緊急事件的處理能力、控制系統(tǒng)的友好性等細(xì)節(jié)對核電站的安全運(yùn)行有著重要影響。日本美濱核電站核事故2004年08月09日，關(guān)西電力公司位于福井縣的美濱核電站（位于東京以西約350公里）３號機(jī)組渦輪室內(nèi)發(fā)生蒸氣泄漏。4人死亡，7人受傷。沒有核物質(zhì)泄漏。反應(yīng)性溫度系數(shù)及其對核反應(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)性溫度系數(shù)根據(jù)反應(yīng)性定義，可得反應(yīng)堆總的溫度系數(shù)=各材料成分溫度系數(shù)的總和其中起主要作用的是燃料溫度系數(shù)和慢化劑溫度系數(shù)因keff≈1，所以上式可寫為：（近似計算公式）

T>0：正階躍

P↑T↑k↑

↑P↑（不穩(wěn)定）

T<0:1、|T|很小，導(dǎo)熱很快：正階躍

P↑T↑且快↓很小(>0)

P↑T↑……=0(穩(wěn)態(tài)）2、|T|很大，導(dǎo)熱不快：正階躍

P↑T↑且不快↓很大

<0

P↓T↓

↑=0(穩(wěn)態(tài)）

燃料溫度系數(shù)由單位燃料溫度變化所引起的反應(yīng)性變化稱為燃料溫度系數(shù)瞬發(fā)系數(shù):

功率變化時，燃料溫度立即升高，燃料的溫度效應(yīng)立即表現(xiàn)出來。對功率變化響應(yīng)快，對安全運(yùn)行非常重要！

燃料溫度系數(shù)主要是由于燃料核共振吸收的多普勒效應(yīng)引起!考慮“四因子公式”燃料溫度系數(shù)影響因素①燃料溫度有關(guān)②燃料成分相關(guān)：多普勒效應(yīng)，低富集鈾燃料(238U共振俘獲吸收截面>235U共振裂變截面)③與燃料燃耗有關(guān)：240Pu增加，多普勒效應(yīng)使燃料負(fù)溫度系數(shù)的絕對值增大

慢化劑溫度系數(shù)

由單位慢化劑溫度變化所引起的反應(yīng)性變化稱為慢化劑溫度系數(shù)，為緩發(fā)溫度系數(shù)

固體慢化劑，膨脹系數(shù)小，近似認(rèn)為密度不隨溫度變化，僅引起中子能譜的變化，所以溫度系數(shù)很小。下面討論液體慢化劑慢化劑溫度增加時，將引起兩個相反的效應(yīng)：

正效應(yīng)：①溫度升高，密度減小，有害吸收將減小，keff增加②如慢化劑含有化學(xué)補(bǔ)償毒物(如硼酸)，溫度升高導(dǎo)致溶解度減小，正效應(yīng)非常顯著。壽期初可能出現(xiàn)正的溫度系數(shù)負(fù)效應(yīng)：

①溫度升高，密度減小，慢化能力減弱，共振吸收增加②溫度增加，中子能譜硬化，238U、240Pu低能部分共振吸收增加

空泡系數(shù)

在冷卻劑中所包含的蒸汽泡的體積百分?jǐn)?shù)稱為空泡份額(x)

冷卻劑的空泡份額變化百分之一所引起的反應(yīng)性變化，為空泡系數(shù)空泡份額增大時，出現(xiàn)三種效應(yīng)：①冷卻劑有害中子吸收減?。赫?yīng)②中子泄漏增加：負(fù)效應(yīng)③慢化能力變小，能譜變硬：正或負(fù)效應(yīng)總的凈效應(yīng)是上述效應(yīng)的疊加熱堆（輕水堆）一般為負(fù)，快堆可能為正

功率系數(shù)

堆芯內(nèi)部燃料溫度及其變化等是不能直接測量的，實(shí)際運(yùn)行中通常以功率作為觀測量。因此引入功率系數(shù)：單位功率變化所引起的反應(yīng)性變化

功率系數(shù)是所有反應(yīng)性系數(shù)變化的綜合，與反應(yīng)堆核特性相關(guān)，與熱工水力特性也有關(guān)。

核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)4.2中毒效應(yīng)裂變產(chǎn)物中毒裂變產(chǎn)物：

指裂變碎片及其衰變產(chǎn)物,300多種。裂變產(chǎn)物中毒：

意思是反應(yīng)堆因裂變產(chǎn)物的生成而中毒。中毒者是反應(yīng)堆，放毒者是某些裂變產(chǎn)物。4.2中毒效應(yīng)毒物某些裂變產(chǎn)物的熱中子吸收截面特別大。例如Xe－135，熱中子吸收截面高達(dá)3,000,000靶。

這類裂變產(chǎn)物稱為毒物毒物吸收中子、引起反應(yīng)堆的反應(yīng)性下降的現(xiàn)象稱為裂變產(chǎn)物中毒

在反應(yīng)堆的設(shè)計和運(yùn)行中必須考慮裂變產(chǎn)物中毒這個因素。

1、為防止被毒死，反應(yīng)堆要有足夠的后備反應(yīng)性

2、注意由此引起的不安全因素（切爾諾貝利事故就與裂變產(chǎn)物中毒有關(guān)。）135Xe中毒熱中子吸收截面非常大

0.025eV:2.7E6b0.08eV:共振峰

熱能平均：3E6b

熱堆需考慮135Xe中毒高能區(qū)吸收截面顯著變小快堆135Xe中毒不嚴(yán)重135Xe及135I濃度隨時間變化方程135Xe：吸收截面大半衰期短啟動：很快趨近飽和停堆：很快衰變考慮135Xe中毒反應(yīng)性快速變化反應(yīng)堆啟動時135Xe中毒新堆芯：

135I與135Xe初始濃度等于零（初始條件）。若反應(yīng)堆在t=0時刻開始啟動，并很快達(dá)到滿功率，可近似認(rèn)為在t=0時刻中子通量密度瞬時達(dá)到了額定值，并一直保持不變。135I與135Xe濃度隨時間的變化當(dāng)t足夠大時，135I與135Xe的平衡濃度為：平衡氙中毒：由平衡氙濃度所引起的反應(yīng)性變化值

中子通量密度低時，平衡氙中毒小，甚至可以忽略；在高中子通量密度下運(yùn)行的反應(yīng)堆中，可認(rèn)為平衡氙中毒與中子通量密度值無關(guān)。

當(dāng)

>1014~1015cm-2s-1時，上式可簡化為0.04~0.05停堆后135Xe中毒停堆后：

=0,135Xe的裂變產(chǎn)額=0；135I繼續(xù)衰變?yōu)?35Xe，但135Xe不再有吸收中子而消失，只能通過衰變消失，而135Xe得半衰期大于135I半衰期，因此停堆后:一段時間內(nèi)135Xe濃度有可能增加135Xe濃度有可能到達(dá)一極值后，開始逐漸減小，因為？？135Xe產(chǎn)生途徑：135Xe消失途徑：直接裂變、135I衰變135Xe吸收中子、135Xe衰變碘坑：NXe先↑后↓，

ex先↓后↑現(xiàn)象碘坑時間tI:停堆時刻開始直到剩余反應(yīng)性又回升到停堆時刻時所經(jīng)歷的時間允許停堆時間tp:在tI內(nèi)，若剩余反應(yīng)性還大于零，則反應(yīng)堆可靠移動控制棒來啟動，這段時間為tp強(qiáng)迫停堆時間tf：若剩余反應(yīng)性小于或等于零，則反應(yīng)堆無法啟動，這段時間為tf碘坑深度：停堆后反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性下降到最小值的程度。碘坑的危害影響核動力裝置的機(jī)動性。戰(zhàn)時，核潛艇或核動力航空母艦如果掉進(jìn)碘坑出不來，軍艦失去動力，后果不堪設(shè)想！民用堆掉進(jìn)碘坑里，影響生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。防止掉入碘坑的若干辦法盡量不要突然停堆，慢慢地停WHY潛艇之類核動力裝置，停堆時不要停死，保持一個很低功率。使反應(yīng)堆總有足夠大的后備反應(yīng)性。（即使掉到坑底，后備反應(yīng)性仍然是正的）反應(yīng)堆中沒有任何控制毒物情況下的超臨界反應(yīng)性稱為反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性或剩余反應(yīng)性。碘坑中啟動或提升功率的危險性開堆或提升堆功率時，隨著通量的上升，氙大量燒損，相當(dāng)于引入正的反應(yīng)性。

一旦掉入碘坑，如果不耐心等待，急于從碘坑中爬出，必然要大量提出控制棒。提棒引入正反應(yīng)性燒氙引入正反應(yīng)性兩個正反應(yīng)性疊加碘坑深度與停堆前運(yùn)行的中子通量密度（功率）有關(guān)。停堆前運(yùn)行功率越高，碘坑深度越深如剩余反應(yīng)性不足以補(bǔ)償其氙中毒，則出現(xiàn)強(qiáng)迫停堆現(xiàn)象停堆后氙中毒變化還與停堆方式有關(guān)：如采用逐步降低功率方式來停堆，停堆后碘坑深度比突然停堆所引起的碘坑深度淺得多如果在停堆后還存在大量135Xe情況下又重新啟動，135Xe濃度很快下降，氙中毒迅速減少，將出現(xiàn)正反應(yīng)性，堆內(nèi)剩余反應(yīng)性很快增加，則控制棒需插到足夠深度功率過渡時135Xe中毒

降功率時，曲線與突然停堆類似，但變化程度有差別升功率時，曲線形狀與功率下降時剛好相反。氙振蕩大型熱中子反應(yīng)堆內(nèi)，局部區(qū)域內(nèi)中子通量密度的變化會引起局部區(qū)域Xe-135濃度和局部區(qū)域中子通量密度平衡關(guān)系的變化。反之，后者的變化也會一起前者的變化。這兩者之間的反饋?zhàn)饔脮苟研緝?nèi)Xe-135和熱中子通量密度分布產(chǎn)生空間振蕩現(xiàn)象。大型、高通量反應(yīng)堆可能發(fā)生振蕩中，Xe-135濃度差別，總量變化不大，對Keff影響不顯著。局部測量熱管位置轉(zhuǎn)移；功率因子改變；局部溫度升高；溫度場交替變化，溫度應(yīng)力快堆；沸水堆

核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)4.3燃耗

在前面我們研究了反應(yīng)堆臨界的條件：堆芯做得多大，燃料/慢化劑如何配比。。。如果我們設(shè)計了一個剛剛能臨界的反應(yīng)堆，那么這個反應(yīng)堆運(yùn)行很短時間就不能臨界了！

WHY？4.3燃耗反應(yīng)堆運(yùn)行過程中堆芯成分的變化

反應(yīng)堆運(yùn)行時，核裂變使得核燃料逐漸消耗，裂變產(chǎn)物逐漸積累；俘獲反應(yīng)使得各種錒系元素產(chǎn)生…總之，反應(yīng)堆運(yùn)行期間堆芯的成分是在不斷（緩慢）變化。因此，堆的有效增殖系數(shù)k（反應(yīng)性）也是不斷（緩慢）變化。當(dāng)有效增殖系數(shù)k變得小于1時，反應(yīng)堆就不能繼續(xù)運(yùn)行了，需要更換堆芯的燃料了。反應(yīng)堆動態(tài)學(xué)

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它們對反應(yīng)性和中子通量密度分布的影響。變化較緩慢，以小時或日為單位來度量—燃耗研究反應(yīng)堆的啟動、停堆和功率調(diào)節(jié)過程中，中子通量密度和功率隨時間的變化，這種變化很迅速（一般以秒為單位度量）—中子動力學(xué)釷-鈾燃料循環(huán)裂變產(chǎn)物(FissionProduct)裂變產(chǎn)物：裂變碎片及隨后衰變形成的各種同位素，300余種工程計算：吸收截面大或裂變產(chǎn)額較大的主要同位素：135Xe,149Sm,103Rh,155Eu,etc:快飽和裂變產(chǎn)物其它裂變產(chǎn)物按截面大小及濃度隨時間的變化特性歸并為兩組“假想的集總裂變產(chǎn)物”（原子爐的爐渣）：慢飽和裂變產(chǎn)物（SSFP）：吸收截面相對大一點(diǎn)，其濃度隨運(yùn)行時間的增加而緩慢的趨于飽和非飽和裂變產(chǎn)物（NSFP）：吸收截面很小吸收截面可根據(jù)經(jīng)驗公式或用該組裂變產(chǎn)物的吸收截面對其裂變產(chǎn)額進(jìn)行加權(quán)平均而近似求得。每一個核素的來龍去脈

ADECB衰變俘獲衰變吸收（含裂變）燃耗方程（核素平衡方程）

變系數(shù)的偏微分方程組非線性：中子通量密度與核成分的相關(guān)性

求解困難引入一些假設(shè)可以將其化為常微分方程

燃耗區(qū)把堆芯分成若干區(qū)（燃耗區(qū)），在每個燃耗區(qū)內(nèi)，認(rèn)為：

中子通量與空間位置無關(guān)，各材料的核密度與空間位置無關(guān)（取平均值）

（劃分燃耗區(qū)時應(yīng)使得同一區(qū)內(nèi)材料相同）國際著名的燃耗/活化程序ORIGEN：美國ORNL開發(fā)的點(diǎn)燃耗程序FISPIN：英國UKAEA開發(fā)的點(diǎn)燃耗程序FISPACT：英國UKAEA開發(fā)的材料活化程序BISONC：日本/波蘭開發(fā)的一維SN輸運(yùn)燃耗程序

核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)4.4反應(yīng)性控制

反應(yīng)性控制的任務(wù)反應(yīng)性控制的主要任務(wù)：控制剩余反應(yīng)性，滿足長期運(yùn)行的需要通過控制毒物適當(dāng)?shù)目臻g布置和最佳的提棒程序，使反應(yīng)堆在整個壽期內(nèi)保持較平坦的功率分布，盡量降低功率峰因子在外界負(fù)荷變化時，能調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，使它能適用外界負(fù)荷變化反應(yīng)堆事故時，能迅速安全停堆，并保持適當(dāng)?shù)耐６焉疃?/p>

反應(yīng)堆控制的分類：緊急控制 能夠迅速引入大的負(fù)反應(yīng)性，快速停堆，并達(dá)到一定的深度。要有極高的可靠性。功率調(diào)節(jié)

要求操作簡單又靈活補(bǔ)償控制

控制毒物變化很緩慢

反應(yīng)性控制的方式控制方法改變堆內(nèi)中子吸收改變中子慢化性能改變?nèi)剂系暮扛淖冎凶有孤┛刂品绞娇刂瓢艨刂乒腆w可燃毒物控制化學(xué)補(bǔ)償控制

控制棒控制

控制棒的作用控制棒是反應(yīng)堆緊急控制和功率調(diào)節(jié)所不可缺少的控制部件，特點(diǎn)：移動速度快、操作可靠、適用靈活、控制反應(yīng)性準(zhǔn)確度高主要控制下面的反應(yīng)性變化：燃料的多普勒效應(yīng)\慢化劑的溫度效應(yīng)和空泡效應(yīng)\變工況時，瞬態(tài)氙效應(yīng)\硼沖稀效應(yīng)\熱態(tài)停堆深度形狀石墨/重水反應(yīng)堆：粗棒或套管形式的控制棒沸水反應(yīng)堆：十字形控制棒壓水堆：束棒式控制棒對控制棒材料的要求大的中子吸收截面，包括熱中子及超熱中子較長的壽命：單位體積吸收體核子密度大、子核吸收截面大抗輻照、抗腐蝕和良好的機(jī)械性能，同時價格便宜等控制棒價值的計算

分別計算有控制棒存在和沒有控制棒存在時反應(yīng)堆的反應(yīng)性，兩種情況之差即所求的控制棒的反應(yīng)性價值。

控制棒與周圍水組成“控制棒柵元”，與周圍8個燃料柵元均勻混合構(gòu)成的附加層，形成“超柵元”。利用CPM等方法求解中子通量密度、均勻化截面、控制棒價值等。

控制棒插入深度對控制棒價值的影響中子價值：同一個中子，在堆芯不同地點(diǎn)，對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和反應(yīng)堆的功率的貢獻(xiàn)是不同的，即不同r處，中子具有不同的價值。*(r)表示中子價值，正比于在r點(diǎn)每秒消除或出現(xiàn)一個中子所引起的反應(yīng)堆反應(yīng)性的減少或增益。芯邊界處中子價值<芯部中心處中子價值控制棒價值與被吸收中子數(shù)及中子價值有關(guān)

控制棒插入深度對控制棒價值的影響控制棒的積分價值 當(dāng)控制棒從一初始參考位置插入到某一高度時，所引入的反應(yīng)性稱為這個高度上的控制棒積分價值?？刂瓢舻奈⒎謨r值 控制棒在堆芯不同高度處移動單位距離所引起的反應(yīng)性變化。單位：PCM/cm ①控制棒位于頂部與底部時，非線性關(guān)系 ②中部，微分價值較大，近似線性關(guān)系→反應(yīng)堆中調(diào)節(jié)幫的調(diào)節(jié)段一般都選擇在堆芯的軸向中間區(qū)段?？刂瓢糸g的干涉效應(yīng)控制棒間的相互干涉效應(yīng)：控制棒同時插入，總價值并不一定等于各根控制棒單獨(dú)插入時的價值總和?？刂瓢糸g的干