EJ T 745-2001 轻水堆核燃料衰变热功率的计算.pdf
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1、ICS 27. 120. t。”20 J 中华人民共和国核行业标准EJ/T 745-2001 代替E川、745-92轻水堆核燃料衰变热功率的计算Calculat i。n。fdecay heat p。werin the nuclear fue l。fI i ght water react。rs2001-11-15发布2002一02一01实施国防科学技术工业委员会发布EJ汀745一2001目次前言.III l范围2 术语和符号3 总述.4 衰变热功率的计算.目惊A(资料性目惊)衰变热功率讨算实例30 目惊B(资料性附哥一些参数的取值34EJ.汀745-2001目lj吕本标准是EJ/T745-92的
2、修订版本。町T745-92等效采用国际标准化II织的标准ISO10645-1992核能一轻水堆核燃料衰变热功率的讨算,而后者在编写时主要参考了美国国家标准ANSI/ANS5. 1一1979轻水堆衰变热功率自1979年以来,在制t堆衰变热功率计算方面又有了不少新的研究成果,计算方法也更加精确,因而ANSI/ANS5. 1一1979被修订为ANSI邮5.1-1剧。为了使我国在衰变热讨算方面与新技术和新芳法相适应,同时也考虑l佣7年对EJ.月745-92的复审结论(其结论为“修订汀,决定根据ANSI.朋5.1 -1994对EJ/T745-92进行修订修订后的本标准在技术上与A阳I丛NS5. 1一l四
3、4等效。较之于EJ/T745 -92,本标准在数据上有所改善,适用的衰变时间增加了-1量级。本标准保留了1992年版本中个别有用的而在A阳IA阳5.1-1剧中未包括的两点内容:第一点是保留了讨算其他铜系元素对衰变热功率贡献的方法(见标准正文4.6.2):第二点是保留了计算239lJ和四峭的贡酬才所用的系数R的获取芳法(见目惊B的剧。本标准从实施之日起,同时代替四厅745一1”2.本标准的目操A、阳悚B都是资料性附录。本标准由全国核能标准化技术委员会提出。本标准由核工业标准化研究所归口本标准起草单位:核工业标准化研究所。本标准主要起草人:王继东I I I EJ/T 745-2001 轻水堆核燃料
4、衰变热功率的计算1 范围本标准规定了反应堆核燃料衰变热功率的计算方法并提供了有关数据。本标准适用于以却U作为主要初始裂变核素,以238u作为主要可转换核素的轻水反应堆。适用的衰变时间为1010s。2 术语和符号2. 1 术语本标准采用下列术语。2. 1. 1 衰变热功率decay heat power 反应堆停堆以后核燃料中的裂变产物和活化产物发生放射性衰变释放热量的功率。2. 1.2 运行时间operating period 从新燃料装入堆芯到计算衰变热功率所考虑的停堆之间的总时间或其一部分。2. 1.3 总运行时间total operating period 从新燃料装入堆芯到计算衰变热功
5、率所考虑的停堆之间的总时间。总运行时间通常由若干运行时段组成。2. 1. 4 衰变时间decay time 停堆之后的时间延续,即从运行时间的终点到计算衰变热功率所考虑的时刻之间的总时间。衰变时间又称冷却时间。2. 1.5 直方功率时程图histogram for the power history 用以表明核燃料裂变功率随时间变化的直方图。在此种图中,每运行时段的功率及可裂变核素份额均以恒定值近似。2. 2 符号本标准所采用的符号说明如下。符号单位说明T s 运行时间(见术语2.1.2),既包括功率运行,也包括零功率。t s 衰变时间(见术语2.1.4)。C白s 无限长时间。为计算方便,取T
6、=l013s为无限长时间。1 指明可裂变核素种类的下标变量,i取l、2、3、4分别代表mu、239Pu、muHI Wpu, 乓(t) MeV/s 在裂变脉冲之后经I秒,可裂变核素i的一次裂变所产生的裂变产物的衰变热功率a裂变.dfl(t) MeV/s J;(t)的不确定度,l倍的标准差。裂变EJ/T 745-2001 续表符号单位说明F; (t, T) 且裂变Is在运行时间T秒内可裂变核素i以恒定裂变率裂变,停堆之后经t秒,折合每秒1次裂变其裂变产物的衰变热功率4 fj ( t, Q/ /). Qi 。pi ,tjpl 凡(t,MeV/s 裂变IsMeV 裂变MeV 裂变Fi(t,的不确定度,
7、l倍的标准差与核素i的次裂变相关的总可回收能量Qi的不确定度,1倍的标准差指明具有恒定功率的运行时段所用的下标变量MeV/s 在运行时段T。内核素I的平均裂变功率MeV/s I P1.的不确定度,1倍的标准差MeV/s l经运行时间T,停堆后t秒裂变产物的总衰变热功率(针对裂变产物中子俘获进行了校正)凡(t,MeV/s 经运行时间1停堆之后经t秒裂变产物的总衰变热功率(未针对中子俘获进行校正)凡(t, MeV/s i可裂变核索i对裂变产物衰变热功率凡(t,刀的贡献(未针对中子俘获进行技正)G( t) I l考虑裂变产物中子俘获的校正因子。 | i一个初始裂变原子的裂变数乓(T) I MeV/s
8、 可裂变核素i在f时刻的裂变功率P( r ) I Me v /s I r时刻的裂变总功率4P(r ) I MeV/s I P(T )的不确定度,1倍的标准差a Qi包括裂变碎片和中子的动能,瞬发y射线能,裂变产物衰变过程中的瞬发y、自射线能,燃料、冷却剂和结构材料俘获反应发出的y、自射线能3 总述3. 1 衰变热功率的组成本标准在计算衰变热功率时,主要考虑以下三部分贡献:a) 235U、239Ju、n町、和241p0裂变产物的衰变热功率(其他可裂变核素按mu处理):b)裂变产物俘获中子后的衰变热:c)铜系元素的衰变热。本标准不考虑结构材料活化产物的衰变热,也不计及缓发中子的裂变热。3.2关于衰
9、变热的空间分布本标准所计算的是局部衰变热功率,所依据的功率史是该局部区域的功率虫。反应堆停堆之后辐射谱会随时间有所改变,这可能使y射线能量沉积在空间分布上有所变化。由此导致的衰变热功率空间分布的变化不在本标准的考虑范围之内。3.3裂变产物标准衰变热数据本标准以两种方式提供裂变产物标准衰变热数据:第一种方式是在数据表中直接列出(见表1表8):第二种方式是给出基本参量值和指数拟合式(见表9表12)。表l表8中的数据可以由表9表12的拟合式加以校验。所提供的标准衰变热数据的依据,第一是23SU、239Pu和24pu为热中子裂变,mu为快中子裂变:第二是假设反应堆在停堆之前经历了两种极端运行时间之一。
10、这两种极端运行时间为:a) 具有大量裂变事件的裂变脉冲:b) 以恒定裂变率运行了无限长时间。2 EJ/T 745-2001 相应于裂变脉冲的数据用刀(t)代表,相应于无限长运行时间的数据用Fi(t,)代表。3.4衰变热功率计算结果的应用依据本标准所计算出的衰变热功率可用于轻水反应堆的设计、性能评价和支全评价,可作为各种计算方法所得结果进行比较的基础。4 衰变热功率的计算4. 1 计算步骤应按以下步骤计算衰变热功率:a) 首先计算出在不考虑中子俘获情况下裂变产物的衰变热功率凡(t,。b) 计算出(或查表查出)中子俘获校正因子G(t),以此校正因子乘以凡(t,得出在考虑中子俘获情况下裂变产物的衰变
11、热功率凡(t,刀。c) 钢系元素放射性衰变的贡献单独计算,其结果与凡(t,相加。凡(t,和凡(t,刀按式(1)和(2)计算:几(t,T)=P:(t, T)G(t)(l) 巧(t,T) 汇(t,T) . . (2) 式中i取1、2、3、4时分别代表mu(包括按mu处理的其他核素)热中子裂变、239pu热中子裂变、mu快中子裂变和24pu热中子裂变对衰变热功率的贡献。G(t)在4.4中有说明。4. 2 由兀(t)确定裂变产物衰变热功率及其不确定度核素i对衰变热功率的贡献按式(3)计算:,.T P,) 与(在加C言?与(肿T-T)dT 式中,积分变量T与运行时间T的起始点相同。f.(t)的拟合式在表
12、9表12下方给出。利用式(3)的结果和式(1)、(2)可以计算Pit,。pdi的不确定度用式(4)计算:(嘲2(八Hf仰)t;T)dTI问)J l飞l.+1 Ql1 ,. I 标准的使用者可根据反应堆的具体情况提供并论证所用的()i和A() i值(可参考附录B),凡的不确定度由式(5a)和(5b)给出:(号)件)+( ) (5a) 3 EJ/T 745-2001 叫汇IA巧,I(5b)LlP由标准的使用者提供并论证。4. 3 由Fi(t,)确定裂变产物衰变热功率及其不确定度当反应堆的运行史可由直方功率时程图表示时,衰变热功率及其不确定度可由F;(t,co)和AF;(t, )来计算。图1是直方功
13、率时程图的一个实例。假设该时程图中有N个运行时段,可裂变核素i在第个运行时段的功率为尺囚。核素i的衰变热功率可由式(6)、(7)、(8)计算:P;F;(t,乙)P(t,T) = ) Q -(6) 式中N-1 f1 =t,12 =t+f.,tN =f汇乙zf -(7) T艺乙F; (ta,乙)= F;(ta ,CX)-F;(ta 乙,).(8) 功率只4停堆2 3 刊忡忡加t 时间图1反应堆直方功率时程图实例Pd/ (t,的不确定度按式。)计算:4 EJ/T 745-2001 (等J(监J +I .Af;(t.乙)Qi ) Q,P;, (9) 式中M;(t,T) = M1(t,oo)-M;(t
14、+ T,oo) . (10) 直方功率时程图是实际功率时程图的近似表达形式。一般说,分割的运行时段越多,越逼近实际情况,究竟分割到什么程度才合适,可用如下方法来检验:把每个运行时段进而分割为两个时段(即运行时段数目加倍),再按式(6)(10)重新计算巧i平IL1J亏i如果马的变化小于Ap;i的一半,则认为直方功率时程图的时段分割是合适的。裂变产物总的衰变热功率及其不确定度按式(1)、(2)、(Sa)和(Sb)计算。4.4 裂变产物中子俘获的影响中子俘获校正因子G(t)按(11)式计算:G(t)=l .0+(3.24 106+5.23 1 o-wt)俨4lfJ(11) 该式适用于衰变时间tl04
15、s,G(t)可采用表(13)给出的上限值Gmax( t)。对于t运104s,G(t)也可以采用表13给出的上限值Gmax( t)来代替式(11)的计算值。代替式(11)和表(13)用于获取G(t)值的其他方法,只要证明合理,也是可以采用的。表13中G(t)的值是在以下条件下计算得出的:a) 利用ENDF/B一IV的截面数据,按典型的轻水堆谱取平均b) 停堆之前以恒定功率运行4年。c) 热中子通量密度th=l.75 1014n/cm2 s (相当于在0.0253eV中子能量时的有效哉面上有1014n/cm2 s的通量密度),超热中子通量密度epi=3l014n/cm2 s (阳是在能量范围为0.
16、625eV5.531oaev中的共振区总通量密度)。d) mu热中子裂变。这些条件超过了当前轻水堆的运行条件。若运行时间和中子通量密度低于上述值,利用表13给出的Gmex( t)值就会过高估计中子俘获的影响。若运行时间和中子通量密度超过了上述条忡,标准的使用者必须用计算的方法求出G(t)并论证其合理性。本标准没有考虑校正因子G(。对式(1)统计误差的贡献。这是因为:在t104s时,G(t)仅仅是一个大约的上界。4.5 确定裂变产物衰变热功率及其不确定度的简化方法本节提供了确定裂变产物衰变热功率及其不确定度的简化方法。该方法假设在整个运行时间内功率恒定,且为最大值,即P(T)=P max,因而裂
17、变率为恒定值。该方法可为正常运行的轻水堆提供保守的衰变热功率计算结果。按照该方法,P可用式(12)计算(代替式(2): Pc/t,T)年凡山)一n(叫式中,凡a.Ct,co)是表5、6、7、8四种核素在同一衰变时间t时F(t,)的最大值(或由表5 EJ/T 745一20019、10、11、12所给出的指数拟合式计算出的同一衰变时间的最大值):凡in( t冗)是表5、6、7, 8四种核素在同一衰变时间t+T时F()的最小值(或由表9、10、11、12所给出的指数拟合式计算出的同一衰变时间的最小值)。G是与23su一次裂变相关联的可回收能。由式(12)的结果,再利用式(1)便得到了针对中子俘获校正
18、后的衰变热功率凡,凡的不确定度按式(13)计算:(等r(告r问axf土问inf. (川式中L1Pmax = L1 P( r ) , L1凡田和A凡in是凡M和凡in的不确定度。4. 6 铜元素放射性衰变的贡献4. 6. 1 239U和239Np的贡献可裂变核素每秒1次裂变导致mu和239Np对衰变热功率的贡献技式(14)、(15)计算:凡(t,T)= EuRl- exp(-A,T)exp(-l1t) . (I 凡tT)=E岭R击h寸xpexp(-A.21)古1-exp式中tF239U的衰变热贡献,(MeV/s)(裂变Is);FNp_239Np的衰变热贡献,(MeV/s)(裂变Is);Eu-23
19、9U的平均衰变能,Eu=0.474MeV:ENp一239峭的平均衰变能,ENP=0.419MeV;4 ) R一一每秒1次裂变在l秒钟内所产生的239u原子数目,R的计算以停堆时堆芯材料组成为依据。R的值由标准的使用者自行确定,如果无法确定,可以用附录B中B.5所提供的公式估算出近似值:l一239u的衰变常数,1=4川10-4s飞2一239Np的衰变常数,2=3.4110-6s九这两种重元素的衰变热功率之和由式(16)计算:胆(T、eefr -式中Pmax是运行时间内反应堆的最大功率:Q.JJ是每次裂变释放的有效能量,按停堆时核燃料的成分计算。所计算出的pdHE值应加到裂变产物衰变热功率上。4.
20、6.2 其他铜系元素放射性衰变对衰变热功率的贡献其他钢系元素(即239u和239Np除外)对衰变热功率的贡献PdA(t,较之于pdHE要小得多,一般说可以忽略,如果要计算,可用下式:P“= A(t)P:(t,T). (17) 6 EJ/T 745-2001 当满足下述边界条件且A(t)采用了表14所给的值时,则用本式计算出的结果将偏保守(数值偏高)。a) 235U的初始富集度(质量百分数):1.9%运ao%4.1%;b)燃耗(MWd/kgU):BU三12.5句:c) 功率密度(kW/kgU):S二三5句。所计算出的马A( t,值应与马(乙刀和马HE相加。7 EJ/T 745-2001 表123
21、5LJ脉冲热裂变标准衰变热数据衰变时间衰变热功率不确定度(JCT) 不确定度相对值t jt) L1 jt) (s) (MeV/s裂变)(MeV/s/裂变)(百分数)1. OE+OO 8.219E-01 1. 282E-01 15.6 1. 5E+OO 6.677E-Ol 0.661E-01 9.9 2.0E+OO 5.600E-01 0.386E-01 6.9 4.0E+OO 3.413E-01 0. 147E-Ol 4.3 6.0E+OO 2.447E-01 0.086E-01 3.5 8.0E+OO 1. 882E-01 0.058E一013. 1 1. OE+Ol 1. 513E-01
22、0.048E-01 3.2 l. SE+Ol 9.956E-02 0.259E-02 2.6 2.0E+Ol 7.341E-02 0. 176E-02 2.4 4.0E+Ol 3.544E-02 0.071E甲022.0 6.0E+Ol 2.322E-02 0.044E-02 l. 9 8.0E+Ol 1. 685E-02 0.032E-02 l. 9 1. OE+02 1. 295E-02 0.023E-02 l. 8 1. 5E+02 7.866E-03 0. 149E-03 l. 9 2.0E+02 5.480E-03 0. 104E-03 l. 9 4. OE+02 2. 383E-0
23、3 0.045E-03 1. 9 6.0E+02 1. 581E-03 0.028E-03 l. 8 8.0E+02 1. 195E-03 0.023E-03 1. 9 1. OE+03 9.587E-04 0. 173E-04 1. 8 1. 5E+03 6.345E-04 0. 114E-04 1. 8 2. OE+03 4.648E-04 0.084E-04 l. 8 4.0E+03 l. 977E-04 0.038E-04 1. 9 6.0E+03 1. 152E-04 0. 021E-04 l. 8 8.0E+03 7. 891E-05 0. 142E-05 1. 8 1. OE+0
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