反應(yīng)堆的中毒效應(yīng).ppt

46.中毒效應(yīng),毒物的影響 隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行，反應(yīng)堆中的裂變產(chǎn)物也隨之積累。 在這些裂變產(chǎn)物中，有些產(chǎn)物對中子的吸收截面較大，并且其份額也較大。 這些裂變產(chǎn)物對中子的吸收會(huì)導(dǎo)致中子的有效利用系數(shù)降低，從而對反應(yīng)堆反應(yīng)性造成影響。,2019/10/5,0,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,46.中毒效應(yīng),2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,1,現(xiàn)考慮一個(gè)以235U為燃料的均勻熱中子反應(yīng)堆，其有效增殖系數(shù)為： KefffpPL 作為近似，可以認(rèn)為裂變毒物只是通過改變熱中子利用系數(shù)f而影響反應(yīng)堆的增殖系數(shù)Keff，對、p和PL沒有影響。,46.中毒效應(yīng),2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,2,設(shè)有毒物和無毒物時(shí)，反應(yīng)堆的熱中子利用系數(shù)為f和f，顯然有：,46.中毒效應(yīng),2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,3,若假設(shè)有毒物和無毒物時(shí)反應(yīng)堆的有效增殖系數(shù)為K和K，從而有： 顯然有： 0。即隨著毒物的積累，其往反應(yīng)堆引入負(fù)反應(yīng)性。,46.中毒效應(yīng),2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,4,上式還可改寫為： 這里定義毒物的毒性為q，其表達(dá)式為： 可見，裂變毒物的毒性與其濃度（核子數(shù)密度）成正比。,46.中毒效應(yīng),2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,5,如果慢化劑與結(jié)構(gòu)材料的吸收很弱，即： 從而可得： 可見裂變毒物所帶來的負(fù)反應(yīng)性與其濃度成正比。,46.中毒效應(yīng),2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,6,重要的毒物 在反應(yīng)堆中，對反應(yīng)性較重要的毒物有：135Xe和149Sm。 其中： 135Xe對中子的吸收截面約在106barn數(shù)量級； 149Sm對中子的吸收截面約在104barn數(shù)量級。,47.135Xe中毒,135Xe的動(dòng)力學(xué)方程 反應(yīng)堆中的135Xe約有5%是由核裂變直接產(chǎn)生的，其余則是由其它裂變產(chǎn)物衰變產(chǎn)生的。 135Sb和135Te的半衰期相對135Xe和135I都較短，并且其消耗途徑都只有通過自身衰變減少這一條路徑。 為了簡化問題，可將135Xe的產(chǎn)生和消耗鏈進(jìn)行簡化。,2019/10/5,7,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,8,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,9,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,10,135I的動(dòng)力學(xué)方程 .135I的產(chǎn)生 135I的產(chǎn)生由裂變產(chǎn)生，其數(shù)目為： .135I的消耗 135I的消耗則主要通過衰變，其數(shù)目為： N2INI,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,11,.動(dòng)力學(xué)方程 根據(jù)核子數(shù)平衡原則，可得135I的動(dòng)力學(xué)方程：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,12,135Xe的動(dòng)力學(xué)方程 .135Xe的產(chǎn)生與消耗的特點(diǎn) 從135Xe的變化鏈可以看出，其產(chǎn)生和消失均有兩條路徑： 產(chǎn)生：裂變直接產(chǎn)生和由135I衰變產(chǎn)生； 消失：通過衰變和發(fā)生吸收反應(yīng)消失。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,13,135Xe的動(dòng)力學(xué)方程 .產(chǎn)生率 )裂變產(chǎn)生 由裂變產(chǎn)生的135Xe的數(shù)目為： )135I衰變產(chǎn)生 單位時(shí)間內(nèi)，通過135I衰變產(chǎn)生的135Xe數(shù)目為： N2INI,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,14,.消失率 )135Xe的衰變 在單位時(shí)間內(nèi)，通過衰變消失的135Xe的數(shù)目為： N3XeNxe ) 吸收反應(yīng) 在單位時(shí)間內(nèi)，通過發(fā)生吸收反應(yīng)消失的135Xe的數(shù)目為：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,15,.135Xe的動(dòng)力學(xué)方程 根據(jù)以上的討論，135Xe的動(dòng)力學(xué)方程可寫為：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,16,平衡135Xe濃度 由于135I和135Xe的半衰期較大，同時(shí)對中子的吸收截面也很大，很快便可達(dá)到其平衡濃度（也稱為飽和值）。 當(dāng)135I和135Xe達(dá)到平衡濃度時(shí)有：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,17,上式中的 和 為平衡時(shí)的135I和135Xe的濃度，從而有： 求解上式可得：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,18,135Xe的濃度達(dá)到平衡時(shí)，其往堆芯引入的負(fù)反應(yīng)性為： 上式還可改寫為以下形式：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,19,從上式可以看出，反應(yīng)堆的平衡135Xe濃度與運(yùn)行功率水平是相關(guān)的：越大， 越大，并且有一極限值，大小為： 135Xe對熱中子的吸收截面約為2.7106b，其半衰期約為9.14h，從而可得：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,20,一般當(dāng)反應(yīng)堆的運(yùn)行功率很低、或反應(yīng)堆內(nèi)的中子通量密度較低時(shí)，平衡135Xe中毒可以忽略不計(jì)。 當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行在較高功率水平下（比如達(dá)到10141015-2s-1）時(shí)，此時(shí)135Xe中毒將達(dá)到一個(gè)比較可觀的數(shù)值。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,21,反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)的135Xe濃度 對于一個(gè)新堆而言，堆內(nèi)的135Xe和135I的初始濃度為0，即在t0時(shí)，有： 若反應(yīng)堆啟動(dòng)后很快就達(dá)到滿功率，那么可認(rèn)為在反應(yīng)堆啟動(dòng)后瞬間，堆內(nèi)的中子通量密度便達(dá)到了穩(wěn)定值。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,22,從而可求解135Xe和135I的動(dòng)力學(xué)方程，解的形式為 ：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,23,從而，其往反應(yīng)堆引入的反應(yīng)性為：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,24,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,25,停堆后的135Xe中毒 為了方便討論，可認(rèn)為停堆后，堆芯內(nèi)的中子通量密度立即變?yōu)?，裂變反應(yīng)立即停止。 從停堆開始計(jì)時(shí)，則初始條件為：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,26,停堆后， 135I與135Xe的動(dòng)力學(xué)方程變?yōu)椋?根據(jù)初值條件，可以求得上面方程的解：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,27,如果反應(yīng)堆在停堆前較長一段時(shí)間內(nèi)處于穩(wěn)定運(yùn)行工況，那么在停堆時(shí)135I與135Xe的濃度為：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,28,從而停堆后，135Xe向堆芯引入的負(fù)反應(yīng)性隨時(shí)間的變化為： 由此可見，在停堆后，堆芯135Xe的濃度將首先達(dá)到一個(gè)最大值，然后再逐漸減小。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,29,這是因?yàn)橐环矫?，在停堆后?135Xe通過135I的衰變產(chǎn)生，然后通過自身的衰變消失； 由于135Xe的半衰期要比135I的半衰期長，因而其在停堆后首先會(huì)增加； 與之對應(yīng)的，堆芯的剩余反應(yīng)性首先減小。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,30,另一方面，在停堆后： 135I無法繼續(xù)產(chǎn)生，但是卻在逐漸消耗； 因此135Xe濃度不會(huì)無限制的增長下去，其在達(dá)到一個(gè)最大值后，將會(huì)逐漸減少； 從而堆芯的剩余反應(yīng)性也將在達(dá)到一個(gè)最小值后逐漸增加。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,31,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,32,從上圖可以看出，在停堆后，由于135Xe中毒往堆芯引入的負(fù)反應(yīng)性的最大值，是與停堆前的功率水平相關(guān)的： 功率水平越高，則能達(dá)到的負(fù)反應(yīng)性越大； 反之則越小。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,33,碘坑及其影響 碘坑發(fā)生的條件 停堆后： 135Xe的濃度顯示增加到一個(gè)最大值，然后逐漸減??； 剩余反應(yīng)性隨時(shí)間的變化剛好相反，首先減小到一個(gè)最低值，然后逐漸增大。 這種現(xiàn)象稱為碘坑。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,34,當(dāng)反應(yīng)堆停堆后，135Xe的濃度的變化為： 如果要想不發(fā)生碘坑現(xiàn)象，那么只要保證停堆后，135Xe的濃度不增加即可，即：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,35,根據(jù)前面的結(jié)果可得： 上式整理可得：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,36,從而只要保證： 便可以保證在任何時(shí)刻都有：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,37,整理可得： 從而只要停堆時(shí)的堆芯中子通量密度滿足上述條件時(shí)，便不會(huì)發(fā)生碘坑現(xiàn)象。亦即，如果要發(fā)生碘坑現(xiàn)象，就必須有：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,38,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,39,碘坑的影響強(qiáng)迫停堆時(shí)間 當(dāng)反應(yīng)堆停堆后，堆芯內(nèi)的135Xe濃度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值。其可能使反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性在一段時(shí)間內(nèi)小于0。 這意味著在這段時(shí)間內(nèi)，即使將堆內(nèi)的所有的控制毒物全部移出堆外，反應(yīng)堆也無法達(dá)到臨界。 這段時(shí)間稱為強(qiáng)迫停堆時(shí)間。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,40,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,41,碘坑最大值時(shí)間 如果認(rèn)為在反應(yīng)堆停堆后，中子通量密度立即將為0，那么在停堆后，135Xe隨時(shí)間的變化規(guī)律為： 對上式求導(dǎo)，并使其為0，即：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,42,上式中的tmax便是停堆后達(dá)到最大135Xe濃度時(shí)間tmax，可求得其大小為 ： 或者也可以寫為：,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,43,功率變化過程中的135Xe中毒 功率降低時(shí) 為了方便討論，現(xiàn)在記： 當(dāng)135Xe的濃度達(dá)到平衡時(shí)，顯然有： NXeNdN 0,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,44,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,45,當(dāng)反應(yīng)堆的功率P降低（P1P2）時(shí)： 中子通量降低； 由于N與密切相關(guān)，從而立即減?。?而與Nd對并不敏感，此時(shí)有：Nd(P1) N(P2)； 從而NXe 0，即135Xe的濃度會(huì)先增加； 經(jīng)過一段時(shí)間，功率降低導(dǎo)致的135I的產(chǎn)生率降低的效應(yīng)逐漸體現(xiàn)出來，使得Nd逐漸減小，降低到和N相匹配的水平：Nd(P2)N(P2)。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,46,功率提升時(shí) 當(dāng)反應(yīng)堆的功率P提升（P1P2）時(shí)： 中子通量增加； 由于N與密切相關(guān)，從而立即增加； 由于Nd對并不敏感，此時(shí)有：Nd(P1) N(P2)； 從而NXe 0，即135Xe的濃度會(huì)先降低； 經(jīng)過一段時(shí)間，功率提升導(dǎo)致的135I的產(chǎn)生率增加的效應(yīng)逐漸體現(xiàn)出來，使得Nd逐漸增加，提高到和N相匹配的水平：Nd(P2)N(P2)。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,47,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,48,135Xe振蕩 135Xe振蕩 .正的階躍 如果引入正的反應(yīng)性，那么有： 中子通量密度增加； 135Xe通過吸收反應(yīng)的消耗率增加； 135Xe通過135I衰變的產(chǎn)生率還維持在較低的水平上； 135Xe的濃度減?。?47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,49,對熱中子的吸收減弱，即f（熱中子有效利用系數(shù)）上升； 從而Keff增加，亦即增加； 進(jìn)一步增加。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,50,.負(fù)的階躍 如果引入負(fù)的反應(yīng)性，那么有： 中子通量密度減小； 135Xe通過吸收反應(yīng)的消耗率減少； 135Xe通過135I衰變的產(chǎn)生率還維持在較高的水平上； 135Xe的濃度增加；,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,51,對熱中子的吸收加強(qiáng)，即f（熱中子利用系數(shù)）降低； 從而Keff減小，亦即減??； 進(jìn)一步減少。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,52,但上述過程并不會(huì)一直持續(xù)下去。原因有： 135I的產(chǎn)生率在經(jīng)過一段時(shí)間后，也將調(diào)整到相應(yīng)的水平上； 由于中子通量密度形成了梯度，因此會(huì)導(dǎo)致中子有通量密度高的地方流向低的地方。 以上的分析綜合起來的結(jié)果就是 ： 發(fā)生擾動(dòng)后，堆芯內(nèi)某個(gè)局部區(qū)域的135Xe的濃度可能會(huì)先升高（或降低），在升高到一定程度后，然后降低（或升高）； 中子通量密度、功率密度的變化則和其相反。 從而在反應(yīng)堆內(nèi)形成了一個(gè)135Xe濃度、中子通量密度和功率密度的空間振蕩。簡稱為135Xe振蕩。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,53,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,54,135Xe振蕩發(fā)生的條件 一般來說，135Xe振蕩只有在一定的條件下才會(huì)發(fā)生。只有當(dāng)以下兩個(gè)條件同時(shí)滿足的時(shí)候 ： 堆芯的尺寸超過30倍徙動(dòng)長度； 堆芯的熱中子通量密度大于1013-2s-1。 135Xe振蕩才成為一個(gè)值得認(rèn)真考慮的問題。 135Xe振蕩的周期一般約為1530h。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,55,135Xe振蕩的危害 135Xe振蕩會(huì)造成以下危害： 135Xe振蕩使得堆芯內(nèi)的功率密度發(fā)生振蕩，有可能使得堆芯局部溫度過高，超過設(shè)計(jì)限值。 135Xe振蕩會(huì)使堆芯的溫度分布產(chǎn)生交替的變化，從而加劇材料的溫度應(yīng)力的變化，使得材料過早損壞。,47.135Xe中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,56,135Xe振蕩的監(jiān)測 在135Xe振蕩過程中，堆芯的局部的135Xe濃度會(huì)發(fā)生變化，但是整個(gè)堆芯的135Xe的變化不大。 135Xe振蕩對Keff和總的反應(yīng)性的影響是不顯著的。所以很難從總的反應(yīng)性測量中來發(fā)現(xiàn)135Xe振蕩。 只有從局部的功率密度和中子通量密度的變化中才能發(fā)現(xiàn)135Xe振蕩。,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,57,149Sm的動(dòng)力學(xué)方程 149Sm的性質(zhì) 149Sm對反應(yīng)堆的影響僅次于135Xe。其對0.0253eV的中子的吸收截面為40800b。 149Sm具有以下特點(diǎn)： 149Sm的產(chǎn)生只有通過其它元素衰變產(chǎn)生一條路徑； 149Sm的消耗只有通過發(fā)生吸收反應(yīng)一條路徑； 149Sm的半衰期T1/2 21015a，其可視為是穩(wěn)定的。,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,58,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,59,簡化處理 為了簡化計(jì)算，需要對149Sm的衰變鏈進(jìn)行簡化： 149Nd的裂變產(chǎn)額為0.0113，半衰期為2h，相對149Pm的半衰期（54h）較短。 可以忽略149Nd的中間作用，認(rèn)為149Pm是在裂變時(shí)直接產(chǎn)生的。 從而可得： PmNd0.0113,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,60,149Pm的動(dòng)力學(xué)方程 .產(chǎn)生項(xiàng)： 149Pm的產(chǎn)生是通過裂變直接產(chǎn)生，具體表達(dá)式為： .消耗項(xiàng)： 149Pm的消耗則主要是通過-衰變，變?yōu)?49Sm： N2PmNPm,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,61,.動(dòng)力學(xué)方程 從而149Pm的動(dòng)力學(xué)方程為：,48.149Sm中毒,2019/10/5,哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李偉,62,149Sm的動(dòng)力學(xué)方程 .產(chǎn)生項(xiàng) 149Sm的產(chǎn)生是通過149Pm衰變產(chǎn)生的。其產(chǎn)生率的具體表達(dá)式為： N1PmNPm .消耗項(xiàng) 149Sm的半衰期T1/2 21015a，可以認(rèn)為其是穩(wěn)定的。從而149Sm的消耗項(xiàng)的表達(dá)式為：