基本介紹
- 中文名：反應堆穩定性
- 外文名：reactor stability
一座反應堆受到某種擾動後，偏離其原來的平衡狀態，而趨向於新的平衡狀態的屬性。保證反應堆具有自穩定性，是核電廠安全設計原則之一。在反應堆發展過程中，曾由於設計不當，發生過反應堆功率共振的不穩定性問題。例如，美國的實驗性快中子增殖反應堆EBR-Ⅰ，由於機械設計上的原因，產生了由燃料棒彎曲引起瞬時正反應性反饋和由上部結構板彎曲和膨脹引起的滯後負反應性反饋，從而引起反應堆功率共振，導致反應堆堆芯燒毀。在美國的實驗性沸水反應堆EBWR上，也曾出現過類似的功率共振現象。
對於壓水堆核電廠，為了保證反應堆具有自穩定性，功率係數必須是負的，即要求燃料反應性溫度係數是負的，還要求自熱態零功率至滿功率，慢化劑反應性溫度係數不出現正值。對於具有負的反應性反饋特性的反應堆，當反應性有一正擾動時，堆的功率上升，通過負的反應性溫度反饋，給反應性正擾動以反向補償，反之亦然。
上述第一種負反饋的機理是這樣的，功率變化引起燃料溫度變化，燃料溫度變化繼而引起中子共振吸收率的改變，從而產生反應性反向補償，這種效應稱為都卜勒效應，燃料反應性溫度係數的絕對值大小表征了都卜勒效應的強弱。由於燃料溫度變化對功率變化的回響是瞬時的，所以都卜勒效應是瞬發的。對於壓水堆，以低富集度的鈾(U富集度約為3%~4%)作核燃料，因此都卜勒效應總是負的。第二種負反饋機理是，由功率變化引起慢化劑密度變化，繼而使慢化劑吸收中子能力和慢化中子能力發生變化，從而產生反應性反向補償。由於熱量從燃料到冷卻劑(也是慢化劑)有一熱傳遞過程，所以這種反向補償效應對擾動來說有一時間滯後。為了使慢化劑反應性溫度係數是負的，在壓水堆核電廠的設計中採取了一些相應措施：一是堆芯結構選取欠慢化的緊柵格；二是冷卻劑中的可溶硼濃度必須加以限制，一般在1300×10~1400×10以下。除了在核設計方面做了上述考慮外，在反應堆的機械和結構上也做了相應的考慮。因此，目前的壓水堆核電廠具有良好的自穩定性能。
另外，在大型核電廠的核設計中，還須考慮對氙致功率振盪所具有的穩定性。由於裂變產物碘、氙和功率擾動的相互作用，使功率峰在反應堆堆芯內有規律地移動，形成功率振盪。如果振盪是發散的，並且不及時地加以控制，則會危及反應堆堆芯安全。氙致功率振盪方式有徑向、軸向和方位角方向上振盪。在核設計中，選取恰當的反應堆堆芯高度—直徑比以及使反應堆具有良好的負反應性反饋效應，都會對功率振盪起阻尼作用。一般來說，徑向功率振盪不易發生，方位角方向上振盪只有在控制棒作違禁移動的激勵下才能發生，發生可能性較大的是軸向功率振盪。由於氙致功率振盪的過程是很緩慢的，利用反應堆內、外探測器監測以及控制棒移動，能有效地加以控制和抑制。
