反應性的控制方式本科教學（48學時）2023/2/30哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉56.反應性控制的任務及實現方法⑴反應性控制的必要性在反應堆從啟動到最后反應堆換料期間，反應堆的反應性是不斷變化的：反應堆啟動后，從冷態過渡到熱態，然后再提升至滿功率運行，由于溫度效應會向堆芯引入負的反應性；反應堆運行期間，裂變毒物的產生和積累，向堆芯不斷地引入負反應性；反應堆運行過程中，反應堆的反應性不斷減小；反應堆的工況發生變化時，將會向堆芯內引入正的或負的反應性。在意外情況下，需要緊急停堆。2023/2/31哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉56.反應性控制的任務及實現方法2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉2⑵反應性控制的任務根據反應堆運行過程中堆芯反應性的變化，反應堆控制的任務是：補償控制：控制反應堆的剩余反應性的釋放，以滿足反應堆長期運行的要求；功率調節：滿足二回路負荷變化的要求；緊急控制：出現事故時能夠迅速停閉反應堆。56.反應性控制的任務及實現方法2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉3對于不同的任務，其對反應性調節的要求也不同。比如：對于剩余反應性的控制，要求反應性改變緩慢、持續時間長；對于事故時的緊急停堆，要求引入的負反應性足夠大，速度足夠快，并且要可靠；在一般調節功率時，希望造成的反應堆功率分布的畸變比較小。56.反應性控制的任務及實現方法2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉4⑶反應性控制的基本原理與主要方式①反應性控制的基本原理對于熱中子反應堆，其有效增殖系數為：Keff＝εηfp·PL通過改變上式中的因子可以改變堆芯的反應性。實際當中，主要是通過改變熱中子利用系數f和中子不泄漏幾率PL來實現對反應性的控制。56.反應性控制的任務及實現方法2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉5②反應性控制的幾種方式實際中，常用的控制方式有以下三種：控制棒控制可燃毒物控制化學補償控制以上三種控制方式中，控制棒控制幾乎是所有的反應堆都必采用的方式之一。56.反應性控制的任務及實現方法2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉6⑷反應性控制中的幾個概念【定義】控制毒物反應性

某一種控制毒物投入堆芯所引起的反應性變化，稱為該控制毒物的反應性，用符號Δρi表示。【定義】停堆深度

當全部控制毒物都投入堆芯時，反應堆所達到的負反應性稱為反應堆的停堆深度，用ρs表示。其表達式為：56.反應性控制的任務及實現方法2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉7在設計反應堆時，堆芯應當具有足夠的停堆深度。【定義】總的被控反應性

總的被控反應性等于剩余反應性和停堆深度的絕對值之和，即：Δρ＝ρex＋|ρs|顯然，總的被控反應性即是控制毒物所應具有的毒性的大小。57.控制棒控制⑴控制棒控制的特點及應用①控制棒控制的優、缺點控制棒控制方式具有以下優點：控制速度快；可靠性高；控制方式靈活。其具有相應的缺點：對堆芯功率分布和中子通量分布擾動大；需要額外的控制驅動機構。2023/2/38哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉9②控制任務基于控制棒的特點，其主要用于以下任務：補償功率變化過程中的Doppler效應；補償慢化劑溫度效應和空泡效應；功率變化時的瞬態135Xe效應（135Xe振蕩）；硼稀釋效應；當反應堆出現緊急情況時能夠迅速、安全停堆。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉10⑵控制棒的結構①控制棒組合傳動在典型（常見大型）的壓水堆中一般采用控制棒組合傳動的方式。②十字形控制棒組件在一些小型（體積比較緊湊）的反應堆中，采用十字形控制棒組件：控制棒排列成一個十字形，裝在鞘內，布置在四個方形燃料組件中間。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉1157.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉1257.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉13⑶控制棒材料的選取①材料選取的基本準則Ⅰ.材料選取準則對于控制棒材料的選擇，顯然應當選取吸收截面較大的材料。對于吸收截面較大的材料，其有以下問題：消耗很快，隨著時間的增加，控制棒材料將會很快的消耗；控制棒在反應堆內的插入長度是變化的，這將導致控制棒下端的材料比上部的材料燃耗大。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉14用作控制棒的材料，其應當滿足以下條件：對較寬能量范圍的中子有較強的吸收能力；不易消耗，這就要求其吸收中子后的幾代產物都應具有較高的中子吸收截面；與堆芯材料相容性好；抗腐蝕、抗輻照性能好；具有一定的機械強度，并且易加工。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉15Ⅱ.黑棒與灰棒根據控制棒材料對中子吸收的特性，控制棒可分為黑棒和灰棒：黑棒：基本能夠吸收所有的入射中子；黑棒中子吸收能力很強，其會對功率分布和通量分布造成較大的擾動，使得功率分布較為畸形。灰棒：只能吸收部分入射中子。對于相同的反應性，需要的灰棒數量比黑棒要多，但其對周圍的功率分布和通量分布造成的擾動較小，使得功率分布較為平坦。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉16②幾種常用的控制棒材料Ⅰ.Hf的特點Hf具有如下特點：對熱中子吸收截面較弱（113b），但對超熱區的中子具有較強烈的共振吸收，即在較寬的能量范圍內的吸收截面都較大；Hf吸收中子后連續產生的幾代子核都具有較高的中子吸收截面；57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉1757.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉1857.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉19具有較好的機械性能較好；抗輻照性能和抗腐蝕性能好，不需要包殼；分離獲取比較困難（成本較高）。Hf是制造控制棒的理想材料，但由于其獲取困難，成本高。因此，其較多使用在艦船動力堆中。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉20Ⅱ.Ag-In-Cd的特點Ag、In和Cd具有如下特點：Ag對5～6eV附近的中子具有一個較高的吸收峰；Cd對熱中子的吸收截面較高（2450b），但是對超熱中子吸收能力較低；In對2eV以下的中子的吸收能力很強。實際當中，采用質量分數為80(Ag)-15(In)-5(Cd)的合金，能夠在較寬的能量范圍內取得較好的吸收效果。

57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉2157.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉2257.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉23對于Ag-In-Cd合金：在10eV以下的能區具有較大的中子吸收截面；In和Ag都具有較大的吸收截面，并且其燃耗對控制棒價值影響不大；具有較好的機械性；具有較好的抗輻照性能；需要不銹鋼包殼，以免與水發生反應。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉24⑷控制棒的價值

①中子價值一個中子處于堆芯不同的區域時，其對堆芯中子增殖的貢獻是不同的。也就是說，處于堆芯不同區域的中子具有不同的價值。【定義】中子價值

通常用表示中子的價值，其正比于在點每消失（或產生）一個中子引起的堆芯反應性的減少（或增加）。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉25②控制棒價值Ⅰ.控制棒價值的影響因素控制棒的價值的影響因素有：中子的價值；空間不同處的中子對堆芯反應性的貢獻是不同的，因此控制棒插入堆芯不同位置，其所帶來（控制）的反應性變化也不同。中子通量密度。控制棒的價值還與中子通量密度Φ有關，因為Φ越大，ΣaΦ也越大，從而對反應性造成的影響也越大。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉26對于單群理論，可以證明中子價值和中子通量密度分布是相同的，即：所以控制棒的價值與插入點的中子通量密度的平方成正比。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉27Ⅱ.控制棒的微分價值與積分價值【定義】控制棒的微分價值

控制棒移動一步或單位距離的所引起的反應性的變化稱為控制棒的微分價值，用符號dρw/dz來表示。在反應堆中：在反應堆中心處，中子通量密度大，中子價值也大，因此控制棒的微分價值較大；在反應堆邊緣處，中子通量密度小，中子價值也小，因此控制棒的微分價值較小。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉2857.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉29【定義】控制棒的積分價值

當控制棒從一參考位置移動到某一高度時，所引入的反應性稱為控制棒的積分價值。參考位置可任意選擇，一般可選為堆芯活性區的頂端或底端，即控制棒全部提出或插入時的狀態。積分價值曲線的斜率便是該點處控制棒的微分價值，從而積分價值曲線：在中間部位近似為直線，曲線的斜率較大，此時控制棒的微分價值近似為常數，且其值較大；在兩端變化較緩和，此時控制棒的微分價值較小。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉3057.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉31⑸控制棒對功率分布的影響①對功率峰值的影響控制棒插入堆芯時，會使堆芯的中子通量分布和功率分布產生畸變：功率峰下移；功率峰值增大。因而在設計時應當認真考慮控制棒插入對功率峰值的影響，使得功率峰因子不超過規定的限制。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉3257.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉33②對燃料燃耗的影響在反應堆運行初期，堆芯剩余反應性較大，因而控制棒插入較深。此時功率峰位于堆芯的下部。因此堆芯下部的核燃料消耗較快。從而在壽期末（EOL），堆芯下部燃料的燃耗深度較大。這將使得功率（通量分布）峰向堆芯上半部移動。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉34⑹控制棒間的干涉效應在反應堆中一般有多根控制棒。當這些控制棒同時插入堆芯時，各自會對彼此的反應性價值造成影響。當控制棒Ⅰ插入堆芯時，會使得堆芯的中子通量分布產生畸變，使得一部分堆芯的通量分布在有的區域變小（區域A），有的區域變大（區域B）。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉35ABB57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉36此時將控制棒Ⅱ插入堆芯：如果控制棒Ⅱ位于區域A中，那么根據控制棒的價值與Φ成正比可知，此時控制棒Ⅱ的價值小于控制棒Ⅱ單獨插入時的價值。如果控制棒Ⅱ的位于區域B中，那么此時控制棒Ⅱ的價值大于控制棒Ⅱ單獨插入時的價值。上面這種現象稱為控制棒之間的干涉效應。考慮到控制棒的干涉效應，通常在設計反應堆時，應使控制棒的間距大于熱中子的擴散長度。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉37⑺控制棒的提升順序當控制棒插入堆芯時，其兩端的微分價值最小，而中間部位的價值基本上是線性關系。為了避免反應性引入速率的差異，在控制棒提升過程中，要求相鄰控制棒組件的提升有一定的重疊。采用重疊的控制棒提升方式可以得到比較均勻的控制棒微分價值，使得控制棒移動時，堆芯軸向的中子通量密度分布更均勻些。57.控制棒控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉3858.化學補償控制⑴化學補償控制的特點所謂化學補償控制是在反應堆的冷卻劑中加入化學毒物以控制反應性。通過調節慢化劑（冷卻劑）中的化學毒物的濃度來改變堆芯中子的吸收情況，從而實現對部分反應性的控制。

2023/2/339哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉40①化學補償控制的優、缺點化學補償控制的優點有：變化均勻，對堆芯中子通量分布的擾動小；不占用堆芯的柵格，節省了堆芯內的空間。化學補償控制的缺點包括：控制速度慢；需要額外的化學補償系統；濃度有上限值。58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉41②化學補償控制的任務根據化學補償控制的特點，其主要用于補償時間過程較慢的那些反應性變化：補償從冷態到熱態零功率過渡過程中的慢化劑溫度效應；功率變化引起的135Xe和149Sm中毒效應的變化；燃耗、裂變產物引起的反應性效應；可燃毒物的燃耗效應。58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉42③化學毒物的材料選擇對于化學毒物，其應當滿足以下要求：在冷卻劑中，化學和物理性質穩定；具有較大的吸收截面；與堆芯材料相容性較好。目前在反應堆中，通常采用硼酸作為化學毒物。58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉43⑵硼濃度與臨界硼濃度【定義】硼濃度

硼的濃度采用以下定義式：即硼濃度等于單位體積內硼和水的質量比。58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉44其單位為：μg/g、mg/Kg。其表示1Kg溶液中含有1mg硼，習慣上常用1ppm來表示，即1Kg水中含有1mg硼時的濃度記為1ppm。當慢化劑的溫度增加時，硼濃度變化引入的反應性為正值。因此當慢化劑中的硼濃度過高時，有可能使慢化劑的溫度系數變為正值。58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉4558.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉46從上圖中可以看出：在慢化劑的溫度較低時，當硼濃度超過500ppm時，慢化劑的溫度系數就變為正值；當反應堆的工作溫度（553～573K）下，當硼的濃度超過1300ppm時，慢化劑的溫度系數才變為正值。因此，在目前的壓水堆設計中，一般把硼濃度限制在1400ppm以下。58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉47【定義】臨界硼濃度

反應堆處于狀態時，堆芯的硼濃度稱為臨界硼濃度。隨著反應堆的運行，燃耗深度不斷增加，堆芯的剩余反應性逐漸減小，因此臨界硼濃度也隨之減小。58.化學補償控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉4859.可燃毒物控制⑴可燃毒物控制的需求與原理對于大型的動力堆：反應堆首循環，堆芯燃料全部為新燃料，剩余反應性很大；后續循環堆芯的剩余反應性相對首循環較小，不需要那么多的控制毒物；增加控制棒的同時也需要增加壓力容器上的開孔數，影響到壓力容器的強度；硼濃度有上限限制，不能無限提高。2023/2/349哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉50因此在堆芯內添加一定數目的可燃毒物是最經濟、安全的選擇。可燃毒物具有較大的中子吸收截面，初期其對中子具有較強的吸收。隨著燃耗深度的增加，可燃毒物會逐漸消耗掉，從而反應堆的剩余反應性會緩慢的釋放出來。59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉51⑵可燃毒物材料的選擇①可燃毒物的選擇原則根據可燃毒物控制的原理，對于可燃毒物的選擇應當遵循以下原則：對中子具有較大的吸收截面；其反應產物對中子吸收較弱；具有較好的機械性能;理想的可燃毒物，其燃耗所釋放出來的反應性與燃料的燃耗所減少的剩余反應性應當基本匹配。59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉52②常用的可燃毒物Ⅰ.10B在壓水堆中，一般將硼做成硼玻璃可燃毒物棒，布置在堆芯柵格中。到壽期末，硼基本上耗盡，同時其產物對中子的吸收截面很小，對堆芯壽期影響不大。在早期采用的硼不銹鋼，其在硼耗盡后，留下的不銹鋼具有較大的中子吸收截面，會對反應堆的壽期造成一定的影響。59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉5359.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉54Ⅱ.Gd在壓水堆中經常用作可燃毒物的元素還有Gd。Ⅲ.可燃毒物在堆芯內的形式在壓水堆中，一般將可燃毒物制作成棒狀或管狀，然后在外面加上不銹鋼包殼，兩端用端塞密封。59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉5559.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉56⑶可燃毒物對Keff的影響①均勻布置在壽期初，可燃毒物的吸收截面大于核燃料的，其消耗比核燃料的消耗快，從而可燃毒物消耗引入的正反應性大于核燃料消耗所引入的負反應性。因此在壽期初，Keff將迅速增加。隨著可燃毒物的消耗，堆芯內可燃毒物的核子數密度降低。59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉57此時可燃毒物消耗所引入的正反應性不足以抵消核燃料消耗所引入的負反應性，Keff曲線開始降低。在整個壽期中，Keff曲線是先增加到一個最大值，然后再逐漸降低。這個最大值與可燃毒物σa的相關：σa越大，Keff對初始值的偏離越大。59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉5859.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉59減小σa，可以使得Keff偏離初始值的問題得到改善。但是如果σa過小，可燃毒物的消耗速度也將減慢，使得在反應堆壽期末，堆芯內還剩下沒有消耗完的可燃毒物。這可能使得反應堆在其剩余反應性為0之前便停止運行。這種現象稱之為壽期虧損。59.可燃毒物控制2023/2/3哈爾濱工程大學核科學與技術學院李偉60如果要求可燃毒物的消耗和堆芯剩余反應性的減小相互匹配，就要求σa應當滿足以下特點：在壽期初，σa應當比較小，從而減小Keff偏離初始