反應堆柵元

在非均勻反應堆中，從反應堆柵格中分出具有代表性的基本單元加以研究，這些組成柵格的基本單位稱為“反應堆柵元”。

基本介紹

• 中文名：反應堆柵元
• 外文名：Reactor cell

簡介

在非均勻反應堆中，燃料、慢化劑、冷卻劑以及結構材料都是分開布置的。燃料元件按一定的集合形狀有規律地排列在慢化劑中，形成反應堆柵格結構。

由於燃料元件的布置很有規則，而且元件的數撞非常之多，少則數百根，多則數千根甚至上萬根。例如一個電功率為90萬千瓦的壓水堆有4萬多根燃料元件。因此，從柵格中劃分出具有代表性的基本單元來加以研究，這些組成柵格的基本單位稱為“柵元”，如正方形柵元和六角形柵元。

等效柵元

由於反應堆柵元由同樣份額的燃料元件、慢化劑、冷卻劑以及結構材料組成，所以各柵元的物理特性是相同的，只要對某一典型柵元計算出各種參數(如四因子等），就可以把它們認為是整個柵格的物理參數，於是就可以套用均勻堆理論了。實踐證明，這種近似處理方法是完全可行的。在設計中，對於圓柱形燃料元件，為簡化數學處理，通常用一個同體積的等效圓柱形柵元來代替實際柵元。這種近似稱為維格勒-賽茲（Wigner-Seitz)等效柵元近似，通過這樣的近似，便把問題轉化為一個一維問題，大大簡化了計算。實踐表明，只要合理地選擇柵元的邊界條件，這種近似的計算結果是令人滿意的。

柵元組成和等效柵元

設相鄰的兩根燃料元件的中心距為 ，則等效柵元的半徑 分別為：

正方形柵元：

六角形柵元：

柵元均勻化計算

非均勻反應堆是指核燃料和慢化劑分開布置的反應堆。到 1995年為止建成的各種反應堆大多數是非均勻反應堆、動力堆都是非均勻反應堆。非均勻堆的理論計算比均勻堆複雜，它的具體做法分3步：柵元均勻化計算、組件均勻化計算、堆芯的均勻化臨界計算。

其中柵元均勻化計算即對組件中各類柵元進行均勻化計算，例如燃料柵元和控制棒柵元等。首先，將單位柵格中包含的燃料棒、包殼和慢化劑分成不同的空間區域，並按面積等效成多層同心環組成的一維圓柱形幾何，即柵元。由於熱中子通量密度在燃料芯塊內強烈被吸收，熱中子通量密度在燃料芯塊內下沉，使得熱中子通量密度在柵元內分布非常不均勻，因而熱中子利用係數下降，逃脫共振俘獲機率增加。必須求出一個非均勻柵格中的局部通量分布計算反應堆的物性參數。

用遞推公式計算柵元有效共振積分

熱中子反應堆物理計算，特別是與反應堆的安全控制有關的燃料及其它吸收體多卜勒反應性溫度係數的計算，要求有較確的柵元有效共振積分或群截面。數值求解多區慢化方程的方法既可較精確地處理燃料共振峰密集及存在不同吸收體共振峰偶然重迭情況，又可較精確地處理柵元內空間非均勻效應，但這種方法較費時間。因此，通過推導了適用範圍廣泛的慢化源遞推公式，可精確處理多種吸收體的慢化源，也可精確處理各種慢化劑的慢化源。慢化源遞推公式可用於高能區單能級計算，能量變數的慢化源遞推公式則可用於包括較低能區在內的任意能區單能級和多能級計算，套用這些慢化源遞推公式既可大大節省計算時間又保證共振積分的精度。