非均勻反應堆

非均勻反應堆是指核燃料和慢化劑分開布置的反應堆。如將棒狀或片狀燃料元件有規則地被液態慢化劑和冷卻劑所包圍。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。

基本介紹

• 中文名：非均勻反應堆
• 外文名：Non-homogeneous reactor
• 套用：核燃料
• 學科：核化學

概念

在這類反應堆中，核燃料芯塊密封在包殼中，冷卻劑在包殼外流動，不與芯塊直接接觸。這類反應堆的化學問題主要是冷卻劑的化學穩定性和輻射化學穩定性以及它對包殼材料、結構材料和慢化劑的化學作用。裂變產物和腐蝕產物的化學行為與安全有關，也是重點研究的課題。

非均勻反應堆系統的溫度穩定性

當沒有控制系統時 , 反應堆的不穩定性按過渡過程的時間常數大小可以分為三類：氙中毒的不穩定性(10⁴- 10⁵秒)；溫度不穩定性 ( 30-3000秒)；空泡形成的不穩定性 (1-10秒 )。考慮溫度的不穩定性時，由於氙的時間常數比溫度的時間常數大得多，可以不考慮氙中毒引起的反應性的變化；同時由於空泡的時間常數比溫度時間常數小得多，可以認為它是準靜止的。因此，在進行溫度不穩定性分析時，可以不考慮氙中毒和空泡對反應性的影響。

圖 1 四個溫度係數反饋迴路系統方塊圖

眾所周知，早在1954年W.K.Ergen和A.M.Weinberg就研究了均勻堆的穩定性問題，考慮了反應性溫度係數的非線性效應。但是他們在研究中都作了一些簡化的假設。波波夫（V.M.Popov)比他們更普遍地考慮了溫度和反應性之間的非線性關係，並考慮了六組緩發中子用A.M.Lyapunov第二法給出反應堆內部（溫度）穩定性的條件，但他給出的條件對於反應堆設計實際意義不大。在上述研究中，大多數隻考慮鈾和減速劑兩種反應性溫度係數對功率的影響。應綜合考慮鈾、覆蓋層、冷卻劑、減速劑四種反應性溫度係數對功率的影響。

將非均勻堆分成燃料元件、覆蓋層、冷卻劑和減速劑四個區域。可以近似地考慮把結構材料和減速劑合在一起。當功率改變時，反應堆的溫度發生變化，而溫度變化反過來又使反應性變化，從而又使功率變化。因此，溫度對反應性的影響是一種反饋作用。見圖一。

可以把反應堆的輸出用功率水平來表示。當功率水平增加時引起鈾發熱，因為燃料原件溫度升高。然後其把熱量傳給覆蓋層，短時間後覆蓋層溫度升高，再把熱量傳給冷卻劑，再傳給減速劑。這裡可不考慮鈾直接加熱減速劑的熱量，因為這部分熱量是比較小的，對石墨反應堆而言大約是5%。當燃料原件、覆蓋層、冷卻劑和減速劑的溫度變化時，它們的反應性就有變化。這些反應性變化的總和，定義為反應堆的總溫度係數。當溫度變化時，各個區域的物理量發生變化。一般來說，主要是截面變化和發生熱膨脹現象。燃料溫度變化引起鈾、鈾合金或其氧化物（UO₂）的中子吸收截面變化（都卜勒效應），熱膨脹則可略去不計。覆蓋層、冷卻劑和減速劑的溫度變化也引起吸收截面的變化和熱膨脹現象，從而引起快中子和熱中子的泄露。如果反應堆尺寸小，則泄露較多，因而反射層的溫度變化可能使中子泄露發生變化，影響反應性。如果反應堆尺寸大，則泄露效應可以略去不計。

非均勻反應堆釋熱燃料棒傳熱數值研究

反應堆堆芯按照燃料和慢化劑的分布形式，可分為均勻和非均勻兩大類。在均勻堆中，燃料和慢化劑均勻混合在一起。在非均勻堆中，把燃料集中製成塊狀，按一定的幾何形式放置在慢化劑中，構成所謂柵格結構的堆芯。常見的柵格結構有：正方形柵格、六角形柵格以及平板柵格。為簡化計算，通常把實際的正方形或六角形柵元等效成圓柱柵元。

圖1/2 圓柱體和六稜柱燃料棒幾何形狀及格線分布

以先進型壓水堆AC-600為原型，在非結構化格線中採用有限容積法對燃料元件(單根燃料棒)的熱環境進行數值模擬。燃料棒依照柵格單元形狀選取圓柱體及六稜柱兩種幾何模型。幾何尺寸圓柱體為L：30mm，R：5mm，六稜柱。此時六稜柱燃料棒的當量直徑與圓柱體燃料棒的直徑相同。由於圓柱體堆及六稜柱堆的幾何尺寸、堆內熱中子分布和物理邊界具有周向對稱性，故可選取一半的模型進行研究，幾何模型及格線分布分別如圖1和圖2所示。

在非結構化格線中，採用有限容積的方法，數值計算核反應堆內單根燃料棒的傳熱狀況。選取圓柱體及邊長為六稜柱兩種幾何模型，此時六稜柱當量直徑同圓柱體燃料棒相同。比較計算結果得出，在釋熱率分布相同的情況下，幾何模型的選取不會對燃料棒內部溫度場分布形式產生影響，但是會改變其溫度最高值，由於數值計算所得最高溫度將會影響研究人員對核燃料棒安全性的判定，因此在這裡選取當量直徑相同的情況比較合適。