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核二三事 | 反应堆的释热原理

核二三事 | 反应堆的释热原理 武昌造船
2019-09-05
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导读:反应堆的释热原理



◎作者丨军工二部  谢苗苗



核安全是新时代国家安全的重要组成部分,核安全文化是核能与核技术利用实践经验的总结,是核安全大厦的基石,培育和建立核安全文化则是发展核事业的必然要求。


本期向大家介绍:反应堆的释热原理



在反应堆活性区内,如果有足够的燃料和足够高的燃料富集度,反应堆所能够达到的中子通量是非常高的,因此堆内能够产生的核裂变数也是非常大的,即从核的角度,堆芯内产生的裂变功率可以非常大,但是,反应堆内裂变产生的热量必须及时排出,否则堆芯的稳定会快速升高到堆芯材料允许使用的温度以上,使堆芯熔化。因此,一个反应堆能产生多少功率,是受热工条件限制的,而不是受核方面约束的。为了保证反应堆的运行安全,就必须保证在任何工况下都能及时有效地输出堆芯热量。



反应堆的热源来自核裂变过程产生的热量,每次铀核裂变大约产生200MeV能量。这些能量约86%以上是在裂变的瞬时马上释放出来的,其余是在几秒至几年不等的时间以衰变的形式释放出来。然而,对于一个以额定功率长时间运行的反应堆,裂变产物和中子俘获物的衰变功率已基本达到平衡因此取裂变能和衰变能的稳定值作为释热计算依据。核裂变的产生的能量可以分成以下三类:

①裂变瞬间产生的能量,它包括裂变碎片的动能、新生裂变中子的动能、裂变瞬间的γ射线能,这部分能量大约占总裂变能的86%;

②裂变后的缓发能量,包括裂变产物的β衰变能和γ衰变能,以及缓发的中子和中微子的能量,这部分能量大约占总裂变能的10.5%;

③过剩的中子引起的(n,γ)反应,反应后生产的瞬发和缓发β衰变能、γ衰变能,这部分能量大约占总裂变能的3.5%。

在反应堆内,裂变能分布与时间和空间有关,裂变碎片的能量全部在产生裂变的燃料内转变成热量;裂变中子的能量大部分传递给燃料元件外面的慢化剂;裂变产物衰变时所发生β射线,其能量基本上都在燃料中转换成热能;Γ射线的能量一部分被燃料所吸收,一部分被结构材料、慢化剂和热屏蔽所吸收,这些能量最终转换成热能释放出来。

在燃料元件内产生的热量主要来源于裂变碎片的动能和对β射线的吸收。在燃料元件之外的结构部件中,释热主要是由于吸收γ射线和中子。γ射线来源包括:裂变瞬时放出的γ射线,裂变产物衰变时释放的γ射线和堆芯材料吸收中子产生(n,Γ)反应释放的γ射线,另外中子在慢化过程中也会产生热量。

以上是反应堆正常运行时的释热原理。当反应堆运行段停堆后,其功率不会立刻降到零,而是在开始时以很快的速度下降,在达到一定值后,就以较慢的速度下降。反应堆在停堆以后继续产生的功率虽然只有稳态功率的百分之几但是其绝对值却仍是一个不小的数值。

由此可知,反应堆停堆后仍然存在比较大的衰变功率特别是刚一停堆的短时间内,堆内仍然具有很大释热能力,此时如果反应堆的燃料元件得不到很好的冷却,堆芯产生的余热就完成可以将反应堆烧毁。为此在失去主循环泵动力的情况下,动力反应堆一般都有多重的冷却措施,以保证堆芯的安全。


END


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【1】核二三事 | 核动力装置的安全保障措施
【2】核二三事 | 压水堆结构
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【5】核二三事 | 我国为国际核安全做出的贡献



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