核反应堆动力特性及稳定性1

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1、第四代核反应堆动力特性及稳定性分析摘要引言动态特性和稳定性是工程装备的主要技术性能，他们反映了经济性、安全性和可操作性。许多系统的具有动态的表现。虽然有一些系统在操作在静态模式下，但它们在某一瞬态时刻具有动态的行为。如核反应堆，在整个寿命期内，它是工作在稳态条件下。但是当受到一些扰动时，反应堆就会出现一些瞬态的行为。为此，研究和理解它的一些动力学行为对安全分析和运行是非常有必要的。稳定性是工程系统的另一个重要特性。顾名思义，它表征了系统的稳定度。如果一个系统受到外部扰动，系统应该返回到初始的稳定状态，也可以说是抗干扰性。相反地，不稳定的系统会产生一个偏离初始的状态。在一个既定的需求

2、条件下进行优化设计的系统，系统稳定性要高。特别是在核反应堆中，如果不稳定性不能被控制和降低，最终会导致反应堆的失败。因此分析和模拟反应堆的瞬态行为尤为重要。瞬态的行为通过时间尺度上的一些测量量来表征，通常是一个时间周期内一些瞬态参数的或参数发生一个重复振荡。该时间周期（时间尺度）远小于反应堆燃料循环时间，而远大于反应堆噪声变化的时间尺度。反应堆瞬态行为研究主要是分析在外部扰动下，反应堆状态的瞬时变化，反应堆功率随冷却温度、注入堆芯的流量、控制棒移动造成反应性改变等的变化情况。针对更洁净能源、核废料处理等提出的第四代核反应技术，虽然概念设计有多种，但其动态特性分析鲜有，本文在调研的基

3、础上总结了能源的需求背景，第四代核反应堆的设计背景以及一些对其特性进行分析和模拟的成果。1、第四代核反应堆需求背景与发展1.1核电需求背景随着人口的增长，能源需求也在不断增长。美国能源部统计能耗的增长率由20%（2010年）达到30%（2015年），电力储备能力、持续增长的能源危机是迫切需解决的问题。在美国，51%的电力靠煤炭资源，20%来自核动力，9%来自于水动力，2%来自于石油，15%源于天然气，3%来自于风能和太阳能。每种发电方式都有各自的优点和不足：煤炭发电成本较低，但是会对大气环境产生污染；天然气成本也较低，但供应波动较大。同时，燃烧气体也会产生污染；水动力不会有污染，但

4、就地开发利用也会破坏生态环境；石油发电也易产生污染并依赖于国外5供给；风能与太阳能无污染，能源无穷无尽，但是能量收集和储备“袖珍”，目前的技术不能解决所有的问题；核能不会污染，从经济上讲，在世界中核材料比较丰富，不需要国外供给，唯一的不足高含量的核废料需要仔细处理。总而言之，易处理、可持续、成本低、安全性好并能满足未来能源需求一种能源技术是世界科学所面临的一个课题，先进的核技术是目前有望实现这个目标的一个最好途径。衡量一个国家发展的标准之一就是有没有干净、可持续能源供给于不断增长的人口，在过去的几年，裂变燃料主要的能源，占据总能耗的86%（2006年的统计）。据国际能源局预估，在今

5、后的20多年内，裂变燃料能仍占据重要位置。对于大规模发电，环境的友好性、高能效、低成本以及可再生性是对能源技术发展的突出要求。基于此，核电仍发挥不可替代的作用。图1是不同国家核电的比率。图1不同国家核电所占的比重核能被作为一种电力资源，同时也为可持续能源发展提供了一种途径。随着对核废物管理上逐步重视和发展，如果采取更先进的技术，来自核反应过程的废物产量将更少。目前，核反应堆的建设扩张主要集中在亚洲，共有30个反应堆在建或已运行，其中在建的16座在发展中国家。中国有4座而且计划在今后的十年中将建成20多座。印度在建的有7座，计划在2020年增长7倍的数量。日本、巴基斯坦和朝鲜计划持续

6、扩展核动力。在亚太平洋区，越南计划在2015年开建第一座核反应堆，印度尼西亚计划在爪哇岛上建造2座1000兆瓦的反应堆，泰国和马来西亚也准备规划建设。综合考虑能源成本、发电、能量可靠性、环境污染以及更安全、先进核反应堆技术的发展，核动力仍是未来能源储备的最好选择。1.2先进核电技术的前景成本是衡量一个系统运行最重要的指标之一。尽管核电站建造成本很高，但5是换算到单位电力功率的成本远低于其他的方式。更重要的原因是核电成本稳定，而石油和天然气发电的成本逐年上升。（a）不同技术成本随年代变化曲线（美国）（b）不同发电技术的成本图1不同发电技术的成本从对环境的影响来说，燃烧化石燃料发电产生

7、严重的污染，排放在空气中的灰烬、重材料的尘粒、二氧化碳、二氧化硫、氮的氧化物、甲烷等使得周围环境吸纳更多的热量，从而导致温室效应。在美国，每年有24000人死于石化燃料的污染。据估计一个1000兆瓦媒电站放出的放射性物质是同等功率反应堆放出的100倍。环境保护协会人员调查发现，在生活在煤电站80公里人们每年累积0.03毫雷姆的辐射剂量，而在核反应堆周围仅有0.009毫雷姆。同烧煤发电和烧油发电不一样，核电站不会直接产生硫化物、氧化物和汞等致人伤命的物质。如果全世界16