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        壓水堆裂變產(chǎn)物釋放的動(dòng)力學(xué)模型及其應(yīng)用的初步探討

        2019-11-12 07:49:54章安龍
        中小企業(yè)管理與科技 2019年30期
        關(guān)鍵詞:芯塊包殼冷卻劑

        章安龍

        (大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司技術(shù)部,廣東 深圳518124)

        1 引言

        裂變產(chǎn)物釋放的動(dòng)力學(xué)模型,主要用于描述裂變產(chǎn)物從產(chǎn)生至消失的規(guī)律,模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單求解方便。當(dāng)燃料包殼的完整性良好時(shí),冷卻劑中的裂變產(chǎn)物來(lái)自于粘附鈾的貢獻(xiàn);當(dāng)燃料棒上出現(xiàn)缺陷之后,棒內(nèi)積存的裂變產(chǎn)物會(huì)釋放到冷卻劑中。這兩種釋放機(jī)制造成的長(zhǎng)短半衰期同位素的活度值相對(duì)大小是不一致的,這就為評(píng)價(jià)燃料包殼的完整性提供了參考指標(biāo)。本文首先介紹了裂變產(chǎn)物釋放的動(dòng)力學(xué)模型,之后對(duì)燃料可靠性的計(jì)算方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

        2 裂變產(chǎn)物釋放的動(dòng)力學(xué)模型

        在燃料包殼沒(méi)有缺陷時(shí),一回路冷卻劑中通常也能測(cè)到一定量的碘,其來(lái)自粘附鈾的貢獻(xiàn)。燃料芯塊中的裂變產(chǎn)物通過(guò)芯塊中的氣孔擴(kuò)散到芯塊與包殼的間隙內(nèi),在燃料包殼出現(xiàn)缺陷后,芯塊與包殼間隙內(nèi)的裂變產(chǎn)物通過(guò)破口擴(kuò)散到冷卻劑中。

        冷卻劑中的裂變產(chǎn)物因衰變而消失,RCV 系統(tǒng)(化學(xué)與容積控制系統(tǒng))[1]的除鹽床凈化作用及容控箱滯留效應(yīng)同樣會(huì)影響裂變產(chǎn)物的活度。某些核素(如Xe-135)的熱中子吸收截面很大,其也會(huì)因吸收熱中子而快速消失。上述過(guò)程如圖1所示。

        圖1 冷卻劑活度的形成機(jī)制簡(jiǎn)圖

        用數(shù)學(xué)公式可以表示為:

        其中:

        式(1)、式(2)、式(3)是動(dòng)力學(xué)模型的基本方程。

        本文的研究對(duì)象I-131 等的熱中子吸收截面可以忽略不計(jì),vi<<λi。冷卻劑活度,其中,Ai是冷卻劑中裂變產(chǎn)物i 的活度;MC是冷卻劑質(zhì)量。則穩(wěn)態(tài)時(shí):

        式(4)是動(dòng)力學(xué)模型方程導(dǎo)出的冷卻劑中裂變產(chǎn)物形成的基本方程,將冷卻劑活度的來(lái)源分為兩部分,公式右邊左半部分代表燃料芯塊缺陷、右半部分代表粘附鈾。

        3 冷卻劑中I-131、I-134 的活度

        3.1 完整堆芯與FRI 指標(biāo)

        完整堆芯的εi=0,考慮一種遲滯效應(yīng),根據(jù)式(4)可以得到I-131 活度與I-134 活度的比值:

        從式(5)可以看出,比值的大小與粘附鈾的絕對(duì)值沒(méi)有關(guān)系,其取決于I-131、I-134 的產(chǎn)額以及冷卻劑的凈化速率。穩(wěn)態(tài)時(shí)A131對(duì)應(yīng)于固定的A134,一旦二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)偏離,則表征燃料包殼可能出現(xiàn)缺陷。

        I-134 的半衰期很短,假設(shè)其全部來(lái)自于粘附鈾的貢獻(xiàn)。用這種處理方法,來(lái)自燃料缺陷的I-131 活度:(A131)-K(A134)。裂變產(chǎn)物的產(chǎn)生量與功率成線性關(guān)系,裂變產(chǎn)物的釋放率隨功率成指數(shù)增加,可以用經(jīng)驗(yàn)公式修正低功率對(duì)裂變產(chǎn)物的影響。綜上,用于評(píng)價(jià)燃料包殼完整性的FRI 指標(biāo)(燃料可靠性指標(biāo))為:

        3.2 缺陷堆芯

        燃料棒缺陷有可能導(dǎo)致I-131 及I-134 活度出現(xiàn)大幅度上漲,圖2為核電廠實(shí)際的運(yùn)行情況。

        圖2 缺陷燃料棒的冷卻劑活度

        是破口逃逸速率,與破口大小有關(guān),同位素的ε 是相同的。作出與ε 的關(guān)系圖,如圖3所示。破口很小時(shí),ε 很小,短周期核素在釋放前就已經(jīng)衰變掉,表現(xiàn)為的值很大,隨著破口的惡化,ε 增大的值迅速降低,更多的短周期核素釋放出來(lái)。但是當(dāng)破口惡化到一定程度時(shí)(即增大到一定程度),短周期核素釋放趨于平緩,破口已經(jīng)不是限制裂變產(chǎn)物釋放的主要因素。

        圖3 活度比與逃逸率關(guān)系圖

        4 結(jié)論

        冷卻劑中裂變產(chǎn)物的來(lái)源分為粘附鈾和燃料缺陷兩大類,裂變產(chǎn)物釋放動(dòng)力學(xué)模型的方程為式(1)、式(2)、式(3),對(duì)三個(gè)方程式從不同角度求解,有助于對(duì)燃料包殼的完整性實(shí)施評(píng)價(jià)。

        粘附鈾在完整的堆芯中能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的碘,燃料出現(xiàn)缺陷會(huì)導(dǎo)致冷卻劑活度上漲,同時(shí),碘同位素的活度比也會(huì)發(fā)生改變,這種活度比同時(shí)也是缺陷狀況變化的指征。

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