第2章 节 核反应堆物理 核工程原理课件.pptVIP

2.3 温度效应 功率系数 核反应堆功率每变化1MW所引起的反应性变化称为功率系数，即 当核反应堆功率发生变化时，堆内核燃料温度、慢化剂温度和空泡份额就发生变化，这些变化又引起反应堆的变化。 2.4 中毒效应 热堆运行后堆内所产生的某些裂变产物，其中子吸收截面较大，对ρ有明显的影响。习惯上，把这种裂变产物分为两大类：稳定或长寿命的，称为“结渣(149Sm，钐[shān] )”；短寿命的，称为“毒物(135Xe)”。毒与渣对反应性的影响，称为反应性的毒渣效应，简称中毒效应。 裂变产物的毒物对有效增殖系数k中的热中子利用系数f影响较大，对其它参数则没有多大的影响。 2.1 裂变链式反应 (1) 有效增殖系数 (effective multiplication factor) 对于有限尺寸的反应堆（实际的堆尺寸都是有限的），则用有效增殖系数keff 描述它，其定义为： 2.1 裂变链式反应 消失的中子数＝吸收的中子数＋泄漏的中子数 如果 keff ＞l，则堆内中子数随代的序数而增加，系统超临界。 keff ＝l，则堆内中子数将保持不变，系统临界。 keff ＜1，则堆内中子数随代的序数而减少，系统次临界。 2.1 裂变链式反应 采用“有效增殖系数” 定义临界： 临界：能产生链式裂变反应的介质或系统，在其有效增殖系数keff ＝1时所处的状态。 次临界：能产生链式裂变反应的介质或系统，在其有效增殖系数keff 1时所处的状态。 超临界：能产生链式裂变反应的介质或系统，在其有效增殖系数keff 1时所处的状态。 2.1 裂变链式反应 (2) 无限介质增殖系数 再假想一个无限尺寸的反应堆，这样就没有中子的泄漏损失，因此，消失的中子数等于吸收的中子数。 用无限介质增殖系数k∞来描述它。 2.1 裂变链式反应 (3)中子不泄漏几率 如果求keff与k∞之比，则得到一个比值，定义为P，称为中子不泄漏几率。即一个快中子在慢化为热中子过程中以及扩散过程中，不泄露出堆外的几率。 2.1 裂变链式反应 与临界问题有关的几个概念 临界质量：具有给定几何布置与材料组成的介质或系统，能够达到临界所需的易裂变材料的最小质量。 最小临界质量：一个倍增系统，当其组配（材料组成、几何布置、慢化程度、反射介质）在一定范围内作任意变化时能达到临界，含给定易裂变材料的最小质量。 临界尺寸：具有给定几何布置与材料组成的堆芯或装置，能够达到临界所需的最小尺寸。 临界体积：与临界尺寸相对应的体积。 2.1 裂变链式反应 与临界问题有关的几个概念 最小临界体积：一个倍增系统，当其组配（材料组成、几何布置、慢化程度、反射介质）在一定范围内作任意变化时能达到临界，含给定易裂变材料的最小体积。 临界事故：含易裂变材料的系统，由于某种原因引起的非预计临界或超临界事故。 例，Japan Criticality Accident. 1999年9月,日本茨城县东海村的核燃料加工厂发生临界事故。 2.1 裂变链式反应 热中子反应堆内的中子循环 通过研究压水堆内的中子循环，可以了解热中子堆链式反应进行的物理过程。 压水堆以低浓缩铀作燃料，其中235U仅占3％左右，燃料中绝大部分是238U，占97％左右。通常将燃料加工成一定的形状，再用低中子吸收截面的金属或合金（铝、不锈钢、锡等）加以密封，构成“燃料元件”，这些金属或合金统称为结构材料。 2.1 裂变链式反应 在压水堆中，轻水既是慢化剂，又是冷却剂。对于热中子堆，能否实现自持的链式反应，取决于中子在以下几种过程： 1． 238U的快中子倍增：能量大于1.1MeV的快中子引起238U裂变，产生裂变中子。这些裂变中子数约占燃料裂变中子总数的3％左右。 2．燃料吸收热中子引起的裂变：主要是热中子引起235U核裂变，这是中子产生的主要来源。 2.1 裂变链式反应 3．慢化剂以及结构材料等物质的辐射俘获。 4．慢化过程中的共振吸收。 5．中子的泄漏，包括： （1）慢化过程中的泄漏 （2）热中子扩散过程中的泄漏 热中子堆内中子数目的变化取决于上述五种过程竞争的结果。其中，前两个过程使堆内的中子数目增加，后三个过程将使堆内中子数目减少。 2.1 裂变链式反应和临界条件 四因子公式 （1）设一代裂变中子(当然是指快中子)有N个，因为235U及238U的快裂变，中子数可增加到ε倍。ε反映了快中子引起裂变的几率，称为快中子增值因数，定义为： 2.1 裂变链式反应和临界条件 它由燃料性质所决定。其值恒大于1。对于天然铀，ε约为1.03。 燃料中235U(约3％)被热中子引发裂变，产生快中子数m， 燃料中238U(约97％)被快中子引发裂变，产生快中子数n ε＝(m＋n)/m＝1/97％=1.