反应堆物理4-5章.docVIP

第四章 反应性系数 核反应堆在运行过程中，它的一些物理参数以及反应性都在不断地发生变化。前面一章讨论了核反应堆在运行期间核燃料的燃耗和裂变产物的积累，及由其所引起的反应性变化。另一方面，在运行过程中堆芯的温度也在不断变化，例如，压水堆由冷态到热态，堆芯温度要变化200～300开，当反应堆功率改变时，堆芯的温度也要发生变化。由于堆芯温度及其分布的变化将导致有效增殖系数的变化，从而引起反应性的变化。这种物理现象称为反应堆的“温度效应”。 其于上述原因，核反应堆在运行初期必需具有足够的剩余反应性。反应堆启动后，必需随时克服由于温度效应、中毒和燃耗所引起的反应性变化；另一方面，为使反应堆启动、停闭、中毒和燃耗所引起的反应性变化；另一方面，为使反应堆启动、停闭、提升或降低功率，都必需采用外部控制的方法来控制反应性。由于不同的物理过程所引起的反应性变化的大小和速率不同，所采用的反应性控制的方式和要求也就不同。表6-1给出压水堆内几个主要过程引起的反应性变化值和所要求的反应性控制变化率。 反应堆系统存在着随堆芯其他某一特性的变化而自动变化的固有特性。固有特性通常就是用反应性系数来描写的。 反应性系数定义为，反应堆的反应性随某给定参数的变化率。对反应堆具有重要意义的一些反应性系数有，燃料温度(多普勒)系数、慢化剂温度系数、空泡系数及压力系数等。但对反应堆安全运行具有实际意义的是反应性功率系数。对此将逐一予以讨论。 表4-1 压水堆的反应性控制要求 反应性效应 数值，％ 要求变化率 温度亏损 2－5 0.5/小时 功率亏损 1－2 0.05/分 氙和钐中毒 25－5 0.004/分 燃 耗 5－8 0.5/月 功率调节 0.1-0.2 0.1/分 紧急停堆 2-4 1.5-2秒 1)指反应堆从零功率运行温度到满功率运行温度之间所产生的反应性变化值。 2）指反应堆从零功率到满功率之间的反应性变化 第一节 反应性温度系数 堆芯内温度变化时，中子能谱、微观截面等都将相应地发生变化。所以，与反应性有关的许多参数，如热中子利用系数、逃脱共振几率等，都是温度的函数。因而，当反应堆中各种材料的温度发生变化时，会引起反应性的变化。温度变化一度(开)时所引起的反应性变化称为反应性温度系数，或简称温度系数，以表示。 （4－1） 式中，是反应性，是堆芯内的温度。应该指出，反应堆内的温度是随空间而变化的。堆芯中各种成分(燃料、慢化剂等)的温度及其温度系数都是不同的。反应堆总的温度系数等于各成分的温度系数的总和，即 （4－2） 式中，和分别为堆芯中各种成分的温度和温度系数。其中起主要作用的是燃料温度系数和慢化剂温度系数。 根据反应性定义，由(4-1)式可以求得： 式中，k为反应堆有效增殖系数。因为k接近于1，上式右边第二项近似地等于零，所以， （4－3） 将代入(4-3)式便得 （4－4） （4－4）式是在四因子模型基础上推导出来的结果，虽然在计算中已很少采用它了，但是它对定性地理解造成温度系数的内在原因及其影响因素还是有用的。 从（4－3)式可知，若温度系数是正的，那末，当由于微扰使堆芯温度升高时，有效增殖系数增大，反应堆的功率也随之增加，而功率的增加又将导致堆芯温度的升高和有效增殖系数进一步增大。这样，反应堆的功率将继续不断地增加。若不采取措施，就要造成堆芯的损坏。反之，当反应堆温度下降时，有效增殖系数将减小，反应堆的功率随之降低，这又将导致温度下降和有效增殖系数更进一步的减小。这样，反应堆的功率将继续下降，直至反应堆自行关闭。显然，这种反应性温度效应的正反馈将使反应堆具有内在的不稳定性。因此在反应堆设计时不希望出现正的温度系数。 具有负温度系数的反应堆，与上述情况刚好相反。这时温度的升高将导致有效增殖系数的减小，反应堆的功率也随之减小，反应堆的温度也就逐渐回到它的初始值。同理，当反应堆的温度下降时，将导致有效增殖系数的增大，反应堆的功率也随之增加，反应堆的温度也逐渐地回到它的初始值。这种由于温度变化引起反应性变化的负反馈效应，将使反应堆具有内在的稳定性。 为了进一步说明温度系数对反应堆稳定性的影响，用图4-1表示。在不同温度系数的情况下，当反应堆内引入一个阶跃正反应性之后，反应堆功率随时间的变化情况。从图上可以看出，在温度系数大于零的情况下，反应堆的功率将很快地升高。当温度系数小于零且它的绝对值很小时，同时热量导出又足够快的情况下，反应堆的功率在开始时也较快地上升。