1、反应堆的中毒效应反应堆的中毒效应本科教学（48小时）2022-12-50哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟135Xe135I衰变衰变衰变衰变裂变裂变吸收吸收46.中毒效应中毒效应毒物的影响毒物的影响随着反应堆的运行，反应堆中的裂变产物也随之积累。在这些裂变产物中，有些产物对中子的吸收截面较大，并且其份额也较大。这些裂变产物对中子的吸收会导致中子的有效利用系数降低，从而对反应堆反应性造成影响。2022-12-51哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟46.中毒效应中毒效应2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟2现考虑一个以235U为燃料的均匀热中子反应堆，其有效增殖系数为：
2、KefffpPL作为近似，可以认为裂变毒物只是通过改变热中子利用系数f而影响反应堆的增殖系数Keff，对、p和PL没有影响。46.中毒效应中毒效应2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟3设有毒物和无毒物时，反应堆的热中子利用系数为f和f，显然有：FaFMaaFaFMPaaaff 46.中毒效应中毒效应2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟4若假设有毒物和无毒物时反应堆的有效增殖系数为K和K，从而有：显然有：N(P2)；从而NXe 0，即135Xe的浓度会先增加；经过一段时间，功率降低导致的135I的产生率降低的效应逐渐体现出来，使得Nd逐渐减小，降低到和N相
3、匹配的水平：Nd(P2)N(P2)。47.135Xe中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟47功率提升时功率提升时当反应堆的功率P提升（P1P2）时：中子通量增加；由于N与密切相关，从而立即增加；由于Nd对并不敏感，此时有：Nd(P1)N(P2)；从而NXe 21015a，其可视为是稳定的。48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟5948.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟60简化处理简化处理为了简化计算，需要对149Sm的衰变链进行简化：149Nd的裂变产额为0.0113，半衰期为2h，
4、相对149Pm的半衰期（54h）较短。可以忽略149Nd的中间作用，认为149Pm是在裂变时直接产生的。从而可得：PmNd0.011348.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟61149Pm的动力学方程的动力学方程.产生项：产生项：149Pm的产生是通过裂变直接产生，具体表达式为：.消耗项：消耗项：149Pm的消耗则主要是通过-衰变，变为149Sm：N2PmNPm1FPmfN 48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟62.动力学方程动力学方程从而149Pm的动力学方程为：FPmPmfPmPmdNNdt 48.149S
5、m中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟63149Sm的动力学方程的动力学方程.产生项产生项149Sm的产生是通过149Pm衰变产生的。其产生率的具体表达式为：N1PmNPm.消耗项消耗项149Sm的半衰期T1/2 21015a，可以认为其是稳定的。从而149Sm的消耗项的表达式为：2SmSmaNN48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟64.149Sm的动力学方程的动力学方程从而149Sm的动力学方程为：SmSmPmPmaSmdNNNdt48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟65方程的
6、求解与分析方程的求解与分析 平衡平衡149Sm中毒中毒当反应堆达到稳定时，有：00FPmPmfPmPmtSmSmPmPmaSmtdNNdtdNNNdt 48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟66从而可得：149Sm所具有的毒性为：FPmfSmSmaFPmfPmPmNNFSmSmPmfaaSmSmFFFaaaqN48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟67反应堆启动时的反应堆启动时的149Sm浓度浓度虽然平衡时的149Sm的浓度与反应堆内中子通量密度水平没有关系。但是达到149Sm平衡所需的时间与的水平是密切相关的
7、。对于149Sm而言，其达到平衡149Sm中毒的时间较长，一般需要几百个小时以上。48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟68当反应堆启动后，堆芯功率水平立即达到一个稳定水平，即在t0时有：NPm(0)NSm(0)0根据以上初值条件，求解动力学方程可得：1SmaPmFSmPmfttPmaSmSmSmSmaPmaPmaeeNt48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟69其所具有的毒性为：1SmaPmSmSmaaSmSmFFaaFSmPmfttPmaSmSmFaPmaPmaqNttee48.149Sm中毒中毒2022-
8、12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟70停堆后的停堆后的149Sm浓度浓度如果假设停堆时，堆芯的149Pm和149Sm的浓度分别为：那么根据动力学方程，可求得其浓度在反应堆停堆后的变化：0000PmPmSmSmNNNN 001PmtSmSmPmNNNte48.149Sm中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟71停堆后，149Sm往堆芯引入的负反应性为：可见，停堆后149Sm的浓度将逐渐增加，达到一个最大值。此时如果再次启堆，则149Sm的浓度会立即减小，直到达到平衡的149Sm浓度。001PmSmSmaatSmSmSmPmFFaaNNNtte 48.149S
9、m中毒中毒2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟7249.其它裂变毒物其它裂变毒物2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟73在反应堆的裂变产物中，除了135Xe和149Sm的吸收截面特别大以外，还有许多裂变产物的吸收截面相对比较小。但是由于它们随着运行时间的增加，其浓度不断积累，。这些裂变产物为非饱和性（或者永久性）的裂变产物。非饱和性裂变产物的核素种类很多，大约有300多种不同核素的各种放射性及稳定性同位素，计算其浓度以及对反应性的影响是非常复杂的。49.其它裂变毒物其它裂变毒物2022-12-5哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟74在实际的计算中，采取的措施是：将除了135Xe和149Sm以外的其它所有的非饱和性同位素归并为一组，用一个假想的裂变产物同位素(FP)来代替；设其裂变产额为1，其吸收截面可由经验给出。其计算方法同135Xe和149Sm的处理相同，计算结果表明：非饱和性同位素的浓度随反应堆积分中子通量密度的增加而增加；当反应堆运行时间较长时，燃料内非饱和性裂变产物核素的浓度和由其引起的负反应性都比较大。
