压水堆核电知识第四章P.docVIP

第四章 反应堆动力学 反应堆处于稳态平衡时，由裂变反应产生的中子数恰好与吸收及泄漏的中子数相等。因此，中子密度不随时间变化。运行中的反应堆由于种种原因，例如介质的温度效应，裂变产物的毒物效应，燃料的燃耗效应，控制棒的运动(下章中将详细介绍这些效应)都能引起运行中的反应堆的增殖系数keff的变化。此时，中子将处于不平衡状态。反应堆动力学主要就是研究反应性变化时，堆内中子密度等有关参量与时间的关系。 当反应堆处于临界状态时，中子的产生率和损失率相等，因而没有必要区分瞬发裂变中子和缓发裂变中子。然而在研究中子密度随时间变化的情况下，缓发中子是特别重要的。正是因为缓发中子的作用，堆内中子密度变化的周期变长了，这才使反应堆的控制成为可能。 在研究反应堆临界问题的一群扩散方程中引入缓发中子效应后，同样可用于定性地描述核反应堆的时间特性。实际上，这种模型用于反应堆动态分析往往还嫌过于详细。因为所需的计算量太大，特别当包含温度反馈这类效应时更是如此。因此，在开始研究反应堆动态时，还需要将一群扩散模型进一步简化，即假设可以用单一的空间模态(即基态)描述反应堆内中子通量密度的空间变化。根据此假设，可以消去扩散模型内的空间变量，而得到仅由包含时间的常微分方程描述的动态过程。这种模型称为点堆动力学模型。虽然这样说有些用词不当，因为此模型并不真正将反应堆当作一点来处理，而仅仅假设了其中子通量密度的空间形状不随时间变化。 本章只讨论一些基本问题，只讨论没有温度反馈的情况，并且假定反应堆与负荷之间没有联系，反应堆是个绝热系统。 本章的讨论限于均匀裸堆，而且采用一群扩散模型。但许多普遍性结论，同样适用于非均匀的带反射层的反应堆。 4.1 中子动力学基础 4.1.1 瞬发中子 观察裂变中子(即快中子)在无限均匀介质中慢化、扩散直至被介质吸收的情况。其中子所经历的平均时间被称为中子的平均寿命。设为无限大堆内中子的平均寿命。显然，中子的平均寿命包括两部分。一部分为快中子被慢化到热中子所需的平均时间，称平均慢化时间，用tm表示。另一部分为热中子扩散直至被吸收所需的平均时间，称为热中子平均扩散时间，也称热中子平均寿命，用td表示。显然可以用下式表示 ＝tm＋td (4.1-1) 设热中子被吸收前走过的平均路程为热中子平均吸收自由程λa，热中子平均速率为，则热中子平均扩散时间td为 (4.1-2) 式中为介质的热中子宏观吸收截面。设常温下热中子的平均速率为2200米/秒，的值可由核物理常数手册中查得。根据式(4.1—2)我们可以计算出各种介质的热中子平均扩散时间td，它们被列于表4.1—1中，例如水的td值为2.1×10-4秒。 根据慢化理论我们也可以算得常温下不同介质的平均慢化时间tm，其值也列于表4.1—1中。 表4.1—1常温下不同介质的tm，td 介质 平均慢化时间tm，秒 平均扩散时间td，秒 水 10-5 2.1×10-4 重水 2.9×10-5 0.15 铍 7.8×10-5 4.3×10-3 石墨 1.9×10-4 1.2×10-2 如果介质由燃料和慢化剂均匀混合，用式(4.1—2)计算td时，分母中的要用均匀混合物时宏观吸收截面来代替，即 (4.1-3) 引入热中子利用系数f 式中分别表示燃料和慢化剂的热中子宏观吸收截面。 纯慢化剂的热中子平均扩散时间用tdM来表示。显然， 将上两式代入式(4.1—3)可得出燃料、慢化剂均匀混合系统的热中子平均扩散时间td： td＝(1-f)tdM (4.1—4) 例题4.1—1常温下工作的无限大235U-水均匀热堆，临界时k∞＝1，η＝2.06，求该系统的热中子平均扩散时间td。 解： 临界时k∞＝εpfη＝fη＝1(因为没有238U,所以中子逃脱共振吸收几率为p＝1，快中子增殖系数ε＝1)。 由表4.1—1查得水tdM＝2.1×10-4秒。根据式(4.1—4) td＝(1-f)tdM＝(1-0.485)×2.1×10-4＝1.1×10-4秒