压水堆氙平衡时间研究

压水堆氙平衡时间研究

沈兴亮 [1]、宋扬 [2]

摘要：压水堆核电厂在调试或运行期间，功率的变化会导致裂变产物浓度的变化，进而导致裂变产物引入反应性的变化，最终会影响堆芯内总反应性的变化，需要改变硼浓度或控制棒棒位抵消该影响。裂变产物中氙引入的反应性（氙毒）相当可观，氙浓度依赖于堆芯功率（中子通量）、碘浓度与氙存在量，其中，碘浓度是堆芯功率与时间的函数。通过计算氙浓度的变化率即氙产生速率与消失速率之差，得出氙浓度随时间变化的规律，进而得出氙浓度变化引入的氙毒随时间的变化。根据堆芯状态及预测的氙毒变化规律，在设当的工况下进行瞬态试验或重新临界，增强对堆芯的控制能力并保证核安全性。

关键词：氙毒；氙平衡时间；氙平衡反应性

0. 前言

压水堆的堆芯在裂变过程中，将形成很宽的裂变产物谱（大约有200种核素），这些裂变碎片又经过β衰变产生新的同位素。裂变过程中所生成的裂变碎片及其衰变产物都称为裂变产物。许多裂变产物都具有很大的热中子吸收截面，这些核素称为裂变毒物。其中氙毒是所有裂变产物中最重要的Xe-135的热中子吸收截面非常大，在中子能量为 0.025eV 时，氙-135 的微观吸收截面约为 2.7×10⁶靶左右。而在中子能量为 0.08eV 处存在较大的共振峰，所以在热能区内它的平均吸收截面约为 3×10⁶靶。氙-135在裂变反应中的直接裂变产额大约为0.228%，但它的先驱核碘-135的直接裂变产额却很高，它们经β衰变后就形成氙-135。

0. 氙平衡对调试试验的影响

由于1）氙毒的产生的消失与裂变密切相关，即与反应堆中子通量密切相关；2）氙和碘的半衰期比较长（数小时）。因此当反应堆功率发生变化，氙毒随即发生变化，并且氙毒的变化滞后于功率变化。通常当功率稳定后，氙毒还会持续发生变化，经过数小时甚至数十小时，氙毒才能重新达到稳定。氙毒重新达到稳定的状态称为氙平衡。

在反应堆首次临界后至反应堆100%FP功率平台全部调试试验完成，需经历10%FP、30%FP、50%FP、75%FP、87%FP和100%FP等多个功率平台，在某些功率平台还有各种瞬态试验，功率的变化非常复杂，导致氙毒的变化也非常复杂，通常需要反应堆物理人员使用数值方法求解方程计算。某些试验对氙毒的变化情况要求非常严格，需要在试验过程中氙毒变化引入的反应性尽可能的小。因此这些试验通常在反应堆功率稳定运行一定的时间之后进行，在反应堆功率稳定期间不能进行其他可能造成功率变化的操作。

目前，国内大多数核电厂无氙平衡计算软件，调试阶段对反应堆氙平衡状态的判定，一般俊采用稳定运行48小时的经验值。通过理论计算不难发现，48小时完全可以满足氙平衡的要求。但是，此方法没有考虑反应堆实际情况，反应堆功率变化量不同，升功率速率不同，氙平衡所需的时间一般也不相同。对于某些工况来说，48小时明显超过了氙平衡所需的必要时间。因此，对氙平衡所需时间进行研究是有必要的。

0. 停堆后反应堆中氙的变化

如果反应堆连续平稳运行多日堆内已经建立了氙平衡浓度。在反应堆停堆后，中子通量近似地降为零，裂变直接产生的 Xe-135 也近似为零。但是堆内的I-135 仍然在继续衰变成 Xe-135，而 Xe-135 又不能吸收中子来消失，它只能通过βˉ衰变来消失。另外，Xe-135 的半衰期大于 I-135 的半衰期，所以在停堆后的一段时间里，Xe-135的浓度将要增加。但是，在停堆后，没有新的 I-135 产生，Xe-135 的浓度不会无限地增加，当达到某一数值后，Xe-135 的浓度将逐渐地减小。如果在停堆后还存在大量的氙-135情况下重新启动反应堆，那么由于中子通量的突然增加导致氙-135 将大量地消耗，氙浓度也将很快地下降，因而氙中毒将迅速地减小。实时上在核电厂调试阶段，甩负荷后应在保证安全的前提下尽量尽早进行达临界操作，避免进入碘坑而出现大量稀释的情况。

0. 氙平衡时间及反应性的计算

Xe浓度的变化依赖于Xe的存在量、中子通量水平和I -135的浓度。反应堆中Xe的产生有两个渠道：1. 直接核裂变产生；2. 由I-135的衰变产生，I-135 浓度是时间和中子通量（功率）水平的函数。Xe的消失有两个途径：1. 衰变；2. 发生(n, γ)反应。而I-135的产生只有一个途径，即直接衰变产生。见下图：

图1 氙变化过程

因此，氙与碘浓度根据其变化过程得到平衡方程为：变化率=生产率-损失率。

（1）

（2）

（3）

对上述公式进行数值处理，针对不同的工况（低功率提升到高功率，不同功率平台停堆，瞬态阶跃试验）设定初始条件，按氙浓度变化后引入95%反应性的时间作为氙平衡时间，并使用不同的功率变化速率3%FP/h-5%FP/min得出氙平衡时间和功率变化速率的关系。

0. 结果及分析

根 据某电厂1号机组第二循环燃料棒组数据，通过求解氙浓度及反应性计算公式得出：氙毒引入95%反应性时的氙平衡时间：

图2 氙毒引入95%反应性需要的时间

图2 某核电厂物理热工人员必读数据

由图1及图2对比可知，各功率平台的氙毒反应性变化趋势一致，由于堆芯燃料棒组参数的不同，数值有偏差但不大。将升功率速率的倒数作为自变量，氙平衡时间作为因变量，可得氙平衡时间与升功率速率的线性关系式：

T

T：氙平衡所需的时间；

r：升功率速率。

表1 部分功率平台变化曲线

0. 总结

总的来说，在实际操作过程中，根据首循环的燃料棒组参数，及具体的功率变化过程，方便起见，使用氙平衡Excel计算模板可以快速得到氙平衡时间作为试验参考，同理，在瞬态试验过程或者机组重新达临界过程，均可计算出氙毒引入的反应性，同时给出稀释或硼化量参考数值。

参考文献

[1] 曹欣荣。核反应堆物理基础。原子能出版社，2011年1月，126-127。

[2] 郑福裕。核反应堆物理基础。原子能出版社，2010年9月，83-90。

作者简介：

沈兴亮，男，工程师，中国核电工程有限公司华东分公司，浙江嘉兴海盐，主要从事核电站物理热工和核岛工艺调试。

宋扬，男，工程师，中国核电工程有限公司华东分公司，浙江嘉兴海盐，主要从事核电站物理热工和工艺调试