(理学)反应堆物理分析 CHAPTER

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1、燃耗与中毒在分析稳态情况下的反应堆物理问题时，有关的物理量是不随时间变化的。但是运行中，易裂变核的裂变和可裂变核的转化、裂变产物的积累、冷却剂温度的变化以及控制棒的移动等原因，许多物理量如反应性、燃料的同位素成分以及中子通量密度等是随时间变化的。本章主要讨论随时间变化速率缓慢的物理量。如燃料成分的变化和燃耗；裂变产物同位素的形成与消耗；反应堆启动和停堆后Xe-135和Sm-149中毒随时间的变化。铀-钚重同位素链简化的铀-钚循环中同位素燃耗链我们略去了239U、240U和240Np。239U吸收截面很小，半衰期很短。从

2、239Np变为240Np也很少。燃耗方程变化率=产生率-消失率铀-235的燃耗钚-239的积累裂变产物链我们考虑了14个独立的线性链，包括22个裂变产物和2种假想裂变产物。裂变产物中毒裂变产物绝大部分具有放射性，经过一系列衰变后，形成新的同位素。其中的一些具有很大的热中子吸收截面，如Xe-135和Sm-149，并且它们的先驱核还有较大的裂变产额，因此对反应堆的运行有较大的影响。由于裂变产物的存在，吸收中子而引起反应性的变化称为裂变产物中毒。氙中毒氙-135是热堆最重要的裂变产物，对反应堆运行有重要影响。极大的热中子吸收

3、截面Xe-135热能区平均吸收截面达3106b。大的产额Xe-135的总体产额达到6%以上反应堆停堆后会积累起来工况变化时，浓度变化迅速可导致堆内中子通量密度和功率的空间震荡氙-135的热中子吸收截面U235裂变的质量产额曲线质量数为135的核素的简化衰变链碘-氙动力学方程碘：氙：反应堆净堆启动后的瞬变碘的积累:氙-135的平衡浓度:反应堆在稳定功率下运行约40h后，达到平衡浓度平衡氙中毒有平衡氙浓度引起的反应性变化的值，称为平衡氙中毒。可以看出，平衡氙中毒与热中子通量密度水平有关。当堆内中子通量密度很小时，平衡氙中

4、毒也很小。在高的热中子通量密度下运行时，可以近似认为平衡氙中毒与通量密度无关，只与宏观裂变截面和宏观吸收截面的比值有关。反应堆启动后氙中毒的瞬态变化135Xe的产生有两条途径：直接裂变产生、135I的衰变。其中135I的衰变为主要产生途径。135Xe的消失有两条途径：吸收中子消失、衰变。当平均中子通量密度为0.756×1013cm-2·s-1时，由135Xe吸收中子和135Xe衰变所引起的消亡率刚好相等。但在动力热堆中，通量密度一般都大于上值。反应堆停闭后的情况对于压水堆，在额定功率运行时，其中子通量密度为第二种情况，

5、所以有最大氙中毒现象一个典型的热堆中氙的产生和消失的相对比例5%95%10%90%停堆后，中子通量密度近似降为零，直接裂变的氙也将为零，这时的产生主要是I-135的衰变。消失主要靠氙的衰变，其吸收消失也将为零。同时，氙的半衰期大于碘的半衰期，所以氙的浓度会累积起来。但是碘的浓度不断降低，因此，氙的浓度在到达一个峰值后，会逐渐减小。碘坑停堆后，氙-135的浓度先是增加到最大值，然后逐渐地减小；剩余反应性随时间的变化刚好相反，先减小到最小值，然后逐渐地增大，这一现象称为“碘坑”。从停堆到剩余反应性回升到停堆时刻的剩余反应性

6、时间称为“碘坑时间”，用tI表示。碘坑时间内，剩余反应性大于零的时间称为“允许停堆时间”，用tp表示。小于零的时间称为“强迫停堆时间”，用tf表示。碘坑高通量情况下，停堆后达到最大氙浓度的时间tmax大约为11.3h。碘坑的深度与停堆前热中子通量密度的关系。中子通量密度越大，碘坑深度越深。从不同的初始功率水平情况下停堆停堆后的重启动反应堆功率变化过程的氙瞬态Xenontransientsfollowingreactorpowerchanges(1)反应堆功率变化过程的氙瞬态Xenontransientsfollowin

7、greactorpowerchanges(2)反应堆功率变化过程的氙瞬态反应堆功率变化过程的氙瞬态氙振荡在前面的讨论中，没有考虑到中子通量密度在空间上的不均匀性。实际堆内的中子通量密度是不均匀的，所以135Xe的浓度也不均匀。氙振荡是这样的物理现象—大型反应堆内局部中子通量密度的变化会引起局部区域135Xe浓度和局部区域反应性的变化；反过来，局部区域反应性的变化也会引起局部135Xe浓度的变化。这样的相互作用可能使堆芯中135Xe和中子通量密度分布产生空间振荡。产生条件：1、高热中子通量密度，大于1013中子/(cm2

8、s)2、反应堆尺寸很大，要求大于30倍徙动长度氙振荡1、高热中子通量密度，一般大于1013；2、反应堆尺寸大于30倍徙动长度。氙震荡氙震荡周期一般为15-30h，周期较长，可以人为地控制。对于天然铀或低富集铀气冷堆和大多数大型压水堆，尺寸都超过30倍徙动长度，必须考虑氙振荡。沸水堆中，由于局部功率升高，该区域的水立刻产生更多的沸腾