[科普中国]-衰变热

原理

衰变热是指放射性核素衰变时所产生的热。其量用放出粒子的能量，单位为eV（电子伏）或MeV（兆电子伏）表示。例如核素铀-238发射α粒子，产生能量为4.18 MeV，相当于6.697×10-13J。

当所有的控制棒完全插入抑制核反应的时候，核反应被关闭，裂变反应基本上被终止，热量水平以最快的速度下降，几乎降低到原有水平的7%。能量水平不是降低到零，因为裂变产生的放射延迟会产生一些热量。裂变产物除了热量还有一些电磁辐射，如γ射线、β粒子和α粒子。衰变辐射也能释放部分热量，这种热量被称为衰变热。只有当放射性同位素持续衰变，越来越多的放射性同位素处于稳定状态并停止产生电磁辐射能，衰变热才能彻底停止。

危害核电厂反应堆停堆后，功率在初期以很快的速度下降，而后以较慢的速度下降。虽然停堆后继续释放的功率只有稳态功率的百分之几，但这些热量如果不能及时地从堆芯输出，就有可能烧毁堆芯。

福岛核事故中，核电站失去电力供应，导致冷却系统失灵，无法控制核燃料的衰变热，几小时内氢气不断聚集并发生爆炸，反应堆发生部分熔毁，导致放射性物质泄漏，给人类生存的环境及人体健康造成危害。

反应堆停堆后的功率由两部分构成，一部分是剩余裂变产生的功率，另一部分是裂变碎片和中子俘获产物衰变时放出的射线所产生的功率。在停堆几十秒之后，裂变热变得很小，衰变热成为堆芯余热的主要贡献者。1

影响因素衰变热的大小与核素本身( 如总质量、衰变能量、衰变常数) 、富集度、燃耗、比功率等因素有关。

燃耗对衰变热的影响燃耗步的划分在衰变热包络计算中至关重要，决定着衰变热最大值的准确选取。核素衰变常数、衰变类型、积存量等因素均会对衰变热产生影响，在不同的停堆时间，衰变热主要贡献核素是不同的，且各核素随富集度的变化存在差异，这可能导致停堆后不同时间衰变热随富集度的增加呈现出交替增大、减小的趋势。

衰变热随着比功率的增大而增大。在燃耗深度相同的情况下，比功率越小，反应堆等效满功率运行时间越长，反应堆运行期间核素衰变的时间越长，在停堆以后，核素放出的热量就越小; 反之，比功率越大，停堆之后核素放出的热量越大。因此，反应堆停堆后的衰变热随着比功率的增大而增大。

在停堆较长时间之后，辐照时间步长对衰变热的计算无影响。因此，辐照时间步长不是影响衰变热计算的主要因素。衰变时间步长对某一燃耗下衰变热输出结果影响不大，但对于燃耗包络计算法得到的衰变热来讲，在两种衰变时间步长情况下，衰变热差别较大，最大差值为 5.68%。1