1、反應性變化反應堆正常運行第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制提升功率，慢化劑及燃料的溫度升高。當溫度系數T為負值時，要變小。平衡氙毒的建立以及釤毒的逐漸累積，變小。燃料不斷消耗，使變小。反應堆工況變化時， 值也要變化1.適當的初始后備反應性2.調整后備反應性的手段反應性控制中的物理量1、剩余反應性：在任何時刻，通過對控制元件和其他用于控制反應性的毒物的調節，所能獲得的最大反應性。記為ex。 剩余反應性的大小與反應堆的運行時間及運行工況有關。一個新堆的剩余反應性稱為“初始剩余反應性”。一般說來一個新的堆芯，在冷態無中毒情況下，它的初始剩余反應性為

2、最大。2、停堆深度：當全部控制毒物都投入堆芯時，核反應堆所達到的負反應性。用s來表示。 停堆深度與核反應堆運行時間和運行工況有關。為確保核反應堆的安全，要求在熱態、平衡氙中毒的工況下，必須具有足夠大的停堆深度。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制 否則，當堆芯逐漸冷卻和氙-135逐漸地衰變后，核反應堆的反應性就逐漸增加，停堆深度就逐漸地減小，這樣堆芯有可能又重新恢復到臨界或超臨界的危險狀態。一般壓水堆，規定冷態無中毒時的停堆深度為3一5，在核反應堆物理設計時，還保證任一組控制棒被卡在堆芯外的情況下，冷態和無中毒時的停堆深度必須大于2-3$。3總

3、的被控制當量 總的被控當量等于初始剩余反應性與停堆深度之和，用表示。即 ex+ s 一組控制棒組件完全插入后在堆芯內引起的反應性變化，定義為該組控制棒組件反應性當量。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制反應性控制的任務 采取各種切實有效的控制方式，在確保安全的前提下，控制核反應堆剩余反應性，以滿足核反應堆長期運行的需要； 通過控制毒物適當的空間布置和最佳的提棒方式，使反應堆在整個堆芯壽期內保持較平坦的功率分布，使功率峰因子盡可能地小； 在外界負荷變化時，能調節核反應堆功率使它能適應外負荷變化； 在核反應堆出現事故時，能迅速安全地停堆，并保持適當

4、的停堆深度。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制反應性的控制分成三類：1緊急控制：當核反應堆需要緊急停培時，核反應堆的控制系統能迅速引入一大負反應性，以快速停堆，并達到一定的停堆深度，要求緊急停堆系統有極高的可靠性，以確保核反應堆安全。2功率調節： 當外界負荷或堆芯溫度發生變化時核反應堆控制系統必須引入適當的反應性，以滿足核反應堆功率調節的需要。 3補償控制： 由于動力堆的初始剩余反應性比較大在堆芯壽期初期，在堆芯中必須引入較多的控制毒物。隨著反應堆的運行，剩余反應性不斷地減小，為了保持核反應堆穩定運行，必須逐漸從堆芯移出相應的控制毒物。由于這

5、些反應性的變化是很緩慢的，所以相應控制毒物的移動也是很緩慢的。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制 從表51中可知，熱中子反應堆的剩余反應性和總的被控制反應性，要比快中子反應堆大得多。 這是因為快中子堆中燃料的增殖補償了燃耗；同時溫度效應中毒效應對快中子堆的影響比它們對熱中子的影響小。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制反應性控制的基本原理考察有效增值因數： 、 基本不變。當熱中子反應堆的燃料濃縮度以及燃料與慢

6、化劑的性質、成分確定后。 控制無效焦點集中在 與控制原理：主要通過控制熱中子利用系數 和不泄露幾率 來實現。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制fpkpff控制方法：毒物控制法控制棒法：用吸收截面很高的材料制成控制捧，并插入堆芯或反射層內，移動控制棒即可達到控制目的 可以通過控制堆芯附加吸收物質來控制f ，當堆芯控制材料增加(如向堆芯插入控制棒)時，非裂變材料吸收的份額增加，易裂變物質吸收中子的份額相對減小，使得f值變小，反之亦然。改變f值得大小達到改變反應性的目的。通常，動力堆都采用控制棒來控制快變化的反應性。第四講：核反應堆物理第四講：核反

7、應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制 控制棒的優點：控制的速度快、靈活機動且可靠有效。 缺點是：因為它能強烈吸收中子，故移動控制棒對堆內通量分布的擾動較大，導致中子通量分布不均勻性增大發生某種形式的畸變。從而增加了堆芯的中子泄漏，減小中子不泄漏幾率。大型反應堆的后備反應性控制量較大，控制棒數量較多，這個缺點就更為突出。 彌補方法：在采用控制棒的同時，還采用了化學控制劑如硼(10B)的“載硼運行”方案，即在水中加硼酸通過對10B濃度的控制，實現部分反應性的控制。由于硼在慢化劑中分布均勻，因而濃度改變時堆內中子通量變化也比較均勻。這種辦法可彌補控制棒的不足，而且也比較經濟便宜。

8、慢化劑中含硼量太高，就會使慢化劑的溫度系數變正。這是不利于安全運行的。 可燃毒物管，亦即在堆芯內以一定分布放置硼鋼管等強中子吸收劑。隨著反應堆運行中燃耗的加深，10B原子核數目逐漸減少，這就相當于有反應性逐漸“放出”從而起到了控制反應性的作用。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制壓水堆的控制方法初始剩余反應性很大，總的被控當量很大。輕水堆的柵格較稠密，控制棒的效率比較低，如果全部采用控制棒來控制，則需要很多控制體。壓水堆堆芯體積較小，要安排眾多的控制棒是很困難的：壓力容器項蓋開孔增加，使壓力容器頂蓋的強度大大下降，增加設計制造的難度。聯合控制：

9、目前大型壓水推部采用控制棒，固體可燃毒物和冷卻劑中加硼酸溶液二種控制方式聯合使用；小型壓水推可采用控制棒和固體可燃毒物并用的方式來控制。三種基本本控制方法的特點。1、控制棒法利用驅動機構升降 ，改變中子的非裂變吸收和泄漏量控制反應性。特點：移動速度快，操作可靠靈活，控制反應性準確度高，主要用來控制反應性的快速變化。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制根據用途不同，控制棒般可分為三類： (1)調節俸調節反應性微小變化，用來調節堆功率的，反應堆穩定運行時用它來跟蹤各種意外的反應堆擾動(這類反應性擾動的特點是快，但數值不大)，一組調節棒的反應性不能超

10、過1元，這樣即使操縱入員誤操作，一組調節棒全抽出，也不會使反應堆達到瞬發臨界狀態。 (2)補償棒補償棒用來補償隨時間變化比較慢，但數值比較大的反應性如補償溫度、中毒、燃耗效應引起的反應性損失：在核反應堆運行初期，補償棒幾乎全部插入唯芯，以抵消核反應推的后備反應性。到核反應堆運行末期時，補償棒全部由堆芯抽出。由于補償棒數量較多，動作較慢，一般采用手動操作。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制(3)安全棒安全棒是用來在緊急情況下關閉反應堆的，平時抽出推心，如出現某種事故需要馬上停堆。就將安全棒迅速插入堆芯，使堆處于次臨界狀態。安全棒的反應性當量大，

11、動作快，通常采用掉棒方式，并使它處于控制效率較高的位置上，一且有事故信號或停堆命令便立即掉棒。附加安全設施：硼球、硼酸（緊急停堆） 控制棒優點：快速、靈活、可靠有效 不利點：物理上：造成中子通量密度畸變。工程上：機構復雜，設計加工帶來困難。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制、固體可燃毒物法在反應堆中插入硼鋼管等，補償燃耗。10B的熱中子吸收截面高達34710-24cm2（347），反應堆用碳化硼中10B豐度應大于19%。10B俘獲中子的主反應為：10B+n7Li+4He具有高中子吸收能力，中子俘獲截面高，吸收能譜寬，沒有二次輻射污染；價格低廉

12、，原料來源廣泛。注意：只能補償緩慢變化的反應性，跟隨不 了反應性的突然變化。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制3、液體毒物控制法如硼酸等與冷卻劑均勻混合，用調節硼的濃度來控制反應性。（棒控與化控相結合）優點：易操作、分布均勻，不會引起功率畸變，濃度可調。不占位置，不需驅動機構。經濟性好。缺點：濃度對溫度系數有顯著的影響T上升水的密度下降硼核減少反應性增加到一定程度會使慢化劑溫度系數出現正值第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制控制棒的作用 控制棒是強吸收體，移動速度快、操作可靠、使用靈活、控制反

13、應性的準確度高它是各種類型反應堆中緊急控制和功率調節所不可缺少的控制部件。它主要是用來控制反應性的快變化。 主要是用它來控制下列一些因素所引起的反應性變化；(1)燃料的多普勒效應；(2)慢化劑的溫度效應和空泡效應(3)變工況時，瞬態氙效應；(4)硼沖稀效應；(5)熱態停堆深度。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制 控制棒材質：第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制1、具有很大的中子吸收截面(熱中子、超熱中子）。一般采用銀銦鎘合金作為控制捧材料。這是因為鎘的熱中子吸收截面很大，銀和銦對于能量在超熱能

14、區的中子又具有較大的共振吸收峰。2、有較長的壽命，這就要求它在單位體積中含吸收體的核數要多而且要求它吸收中子后形成的子核也具有較大的吸收截面。3、具有抗輻照、抗腐蝕性能和良好的機械性能。船用反應堆采用鉿做控制棒材料。控制材料鉿-177，它俘獲中子后形成鉿-178，后者形成鉛-179等等，它們都具有很大的共振截面。因而作為中子吸收劑具有很長的使用壽命。幾個概念1、控制棒價值（效率）：一根控制棒完全插入臨界的反應堆中所引起的反應性變化。即在堆芯內有控制棒存在時和沒控制棒存在時的反應性之差。2、黑體：控制棒能吸收轟擊棒上的全部熱中子。3、灰體：只吸收部分熱中子。顯然：黑體對熱中子通量密度擾動較大，灰

15、體較小。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制單棒的全價值k0為插入前反應堆的有效增值因數，k為插入后反應堆的有效增殖因數。如果插棒前反應堆處于臨界狀態，則k0 1，k1。中心單棒： 根據假定，控制棒的插入不改變反應堆芯部材料的物理性質，只改變反應堆芯部的幾何邊界條件。式中：R：外推半徑，H：外推高度，a：控制棒半徑控制棒價值與M2、與控制棒半徑、外推距離d、和反應堆半徑R有關

16、.M為徙動長度。控制棒積分價值 如果控制棒部分地插入堆芯中心某一深度z處，它所抵消的反應性，稱為控制棒在深度z處的積分價值，用z表示。微分價值 控制棒在堆內沿著插入方向移動單位距離所引起的反應性變化，稱為控制棒的微分價值(也稱微分反應性)，用z來表示。控制棒干涉效應 ：所有控制棒全部插入堆底時，它們所抵消的反應性，稱為控制棒的總價值。 干涉效應：所有控制棒同時插入堆芯時，它們的總價值并不等于每根控制棒單獨插入堆芯時的價值的總和。這是因為一根控制棒插入堆芯后將引起堆芯中中子通量密度的畸變，勢必影響到其他棒的價值。這種現象稱為控制棒間的干涉效應。控制棒對堆芯功率分布的影響 由于控制棒是強吸收體，它

17、使中子通量密區分布產生畸變。當控制棒插入或抽出堆芯時將使整個堆芯的中子通量密度分布和功率分布都產生畸變 在反應堆設計中，要求功率峰因子不超過設汁準則所規定的數值，必須計算移動控制棒對功率分布的影響，確定最佳提棒方式，使它能符合設計準則的要求。對于核反應堆運行人員學握控制棒對功率分布的影響，自覺地使用最佳提棒方式，確保核反應堆安全運行十分必要的。反應性控制可燃毒物控制可燃毒物控制一、可燃毒物均勻布置 這說明可燃毒物的消耗與堆芯中剩余反應性的減小不匹配。我們希望隨著可燃毒物的消耗，在整個堆芯壽期內，有效增殖因數的變化盡可能地小，這樣對反應堆的控制有利。 希望采用吸收截面比較小的可燃毒物。但是a，p

18、 值小，可燃毒物消耗慢，則在堆芯壽期末期將仍有較多的毒物殘留在堆內，它們對中子的有害吸收將使堆芯壽期縮短。 最理想的情況是：在堆芯壽期初，可燃毒物的吸收截面不要太大，以減少有效增殖因數偏離初始值的程度，但隨著可燃毒物的消耗，要求它的吸收截面逐漸增大，以減小在堆芯壽期末期堆內可燃毒物的殘留量。 采用可燃毒物的非均勻布置可以基本上符合這種要求。 在堆芯壽期初，可燃毒物中的中子通量密度大大低于慢化劑燃料中的中子通量密度，這時可燃毒物的自屏效應很強，fs 值很小，可燃毒物的有效微觀吸收截面也很小，因此有效增殖因數偏離初始值的程度也較小。但是隨著反應堆的運行時間的增長，可燃毒物不斷地燃耗，自屏效應逐漸地

19、減弱， fs值逐漸地增大，可燃毒物的有效微觀吸收截面也逐漸地增大,可燃毒物的燃耗也更快。在堆芯壽期未時，堆芯內可燃毒物核的殘留量很小，因而對堆芯壽期并沒有顯著的影響。 否則，當堆芯逐漸冷卻和氙-135逐漸地衰變后，核反應堆的反應性就逐漸增加，停堆深度就逐漸地減小，這樣堆芯有可能又重新恢復到臨界或超臨界的危險狀態。一般壓水堆，規定冷態無中毒時的停堆深度為3一5，在核反應堆物理設計時，還保證任一組控制棒被卡在堆芯外的情況下，冷態和無中毒時的停堆深度必須大于2-3$。3總的被控制當量 總的被控當量等于初始剩余反應性與停堆深度之和，用表示。即 ex+ s 一組控制棒組件完全插入后在堆芯內引起的反應性變化，定義為該組控制棒組件反應性當量。第四講：核反應堆物理第四講：核反應堆物理反應性的變化反應性的變化_反應性控制反應性控制控制方法：毒物控制