郭和偉,朱養(yǎng)妮,張信一,王立鵬,姜奪玉,潘孝兵

(1. 西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安710049;2. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

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西安脈沖反應(yīng)堆調(diào)節(jié)棒微分價(jià)值理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究

郭和偉1,2,朱養(yǎng)妮2,張信一2,王立鵬2,姜奪玉2,潘孝兵2

(1. 西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安710049;2. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

摘要：利用MCNP程序計(jì)算了不同燃耗下脈沖堆調(diào)節(jié)棒的微分價(jià)值, 并采用周期法實(shí)驗(yàn)測量了調(diào)節(jié)棒的微分價(jià)值，對比了在不同燃耗下脈沖堆調(diào)節(jié)棒的微分價(jià)值實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值。結(jié)果表明：隨著脈沖堆燃耗的加深，調(diào)節(jié)棒在高度200 mm以下微分價(jià)值變化不明顯，在高度200～390 mm時(shí)，燃耗越深，微分價(jià)值越大，理論值與實(shí)驗(yàn)值符合很好。

關(guān)鍵詞：西安脈沖反應(yīng)堆；燃耗；微分價(jià)值；MCNP

到目前為止, 西安脈沖反應(yīng)堆[1-3]已安全運(yùn)行10余年，燃耗深度約為36個(gè)滿功率天(以36EFPD表示)。隨著燃耗的不斷加深，反應(yīng)堆的能譜、功率分布會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)棒微分價(jià)值[4-6]的變化。為了掌握調(diào)節(jié)棒微分價(jià)值隨燃耗的變化規(guī)律，更好地維護(hù)脈沖堆的安全運(yùn)行，必須定期對調(diào)節(jié)棒的微分價(jià)值進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量。本文主要針對調(diào)節(jié)棒(簡稱D棒)微分價(jià)值開展理論分析與實(shí)驗(yàn)研究, 探索調(diào)節(jié)棒微分價(jià)值隨燃耗加深的變化規(guī)律。

1理論計(jì)算方法及流程

西安脈沖反應(yīng)堆由5根穩(wěn)態(tài)控制棒和1根脈沖棒組成。本文采用MCNP程序主要對穩(wěn)態(tài)控制棒中的D棒在冷態(tài)臨界狀態(tài)下進(jìn)行分析和計(jì)算。D棒在脈沖反應(yīng)堆中位置如圖1所示。

圖1西安脈沖堆調(diào)節(jié)棒布置示意圖Fig.1Schematic of the adjuster rod for Xi’an Pulsed Reactor

2D棒微分價(jià)值實(shí)驗(yàn)測量

微分價(jià)值測量采用周期法[7-8]，即當(dāng)反應(yīng)堆達(dá)到臨界時(shí)，提升D棒引入一定量的正反應(yīng)性[9-10]，測量堆內(nèi)中子通量密度增長1倍時(shí)所需的時(shí)間，即為反應(yīng)堆的2倍周期。

本實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算D棒各測點(diǎn)的微分價(jià)值時(shí)，需要對D棒的對應(yīng)棒位進(jìn)行計(jì)算。如圖3所示，當(dāng)反應(yīng)堆處于冷態(tài)臨界狀態(tài)時(shí)，D棒由位置2提至位置1，此時(shí)測得D棒的平均周期為T，通過查閱西安脈沖堆反應(yīng)性與反應(yīng)堆倍增周期關(guān)系表，可以得出周期T所對應(yīng)的反應(yīng)性ρ。實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，D棒在提升之前，需要重新調(diào)整臨界，然后再開展下一段微分價(jià)值測量。D棒由hD2提升到棒位hD1，棒位變化設(shè)為ΔhD。

圖2D棒微分價(jià)值計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of calculating the differential worth of rod D

圖3棒位變化示意圖Fig.3The different position of rod D

(1)

ΔhD為D棒上提所引入反應(yīng)性ρ的有效距離。而D棒的微分價(jià)值αD為

(2)

式(2)中微分價(jià)值αD所對應(yīng)的D棒的位置為hD，則：

(3)

這樣可根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出一系列的(hD，αD)點(diǎn)，描繪出一條D棒的微分價(jià)值曲線。數(shù)據(jù)分別列于表1和表2中。

表1　　0EFPD下D棒微分價(jià)值實(shí)驗(yàn)值與理論值比對

表2　36EFPD下D棒微分價(jià)值實(shí)驗(yàn)值與理論值比對

3實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果比對分析

表1和表2分別給出了0EFPD下、36EFPD下D棒理論微分價(jià)值與實(shí)驗(yàn)微分價(jià)值的比對結(jié)果。其中理論計(jì)算的keff的標(biāo)準(zhǔn)偏差為8×10-5。由表1和表2可知，除了在棒位頂端和末端位置均出現(xiàn)較大的偏差以外，其余大部分偏差均在10%左右。D棒理論微分價(jià)值與實(shí)驗(yàn)微分價(jià)值在棒位頂端和末端位置均出現(xiàn)較大的偏差的原因：一是在調(diào)節(jié)棒頂端及末端位置時(shí)，調(diào)節(jié)棒的微分價(jià)值相對較小，測量和計(jì)算引入了較大的誤差；二是實(shí)驗(yàn)測量每次提升D棒時(shí)需要重新調(diào)整臨界，而理論計(jì)算沒有此過程。根據(jù)表1和表2中得到的D棒微分價(jià)值，利用式(2)，即可得到0EFPD、36EFPD下D棒理論計(jì)算積分價(jià)值分別為2 634.73 PCM，2 690.44 PCM，與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)積分價(jià)值2 733.7 PCM，2 624 PCM的偏差分別為-3.62%和2.5%，符合非常好。以上D棒微分價(jià)值的實(shí)驗(yàn)值與理論值的比對及其積分價(jià)值的實(shí)驗(yàn)值與理論值的比對，說明了理論計(jì)算方法是正確的，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合較好，該方法可以用于脈沖堆在深燃耗下的控制棒規(guī)律研究。

4不同燃耗微分價(jià)值理論計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算了堆芯在0EFPD、36EFPD、120EFPD下能譜變化。圖4給出了D棒及附近燃料棒示意圖。圖5為堆芯不同燃耗下的能譜圖，由圖5可知，在0EFPD、36EFPD、120EFPD下，脈沖堆能譜變化不明顯；圖6-圖8為1、2、3號燃料棒軸向中子通量密度變化情況，由圖6-圖8可知，D棒附近燃料棒中子通量密度發(fā)生了變化；圖9表示不同燃耗下D棒微分價(jià)值。隨著燃耗的加深，D棒在高度為0～200 mm時(shí)，其微分價(jià)值曲線變化不明顯，但在高度為200～390 mm時(shí)，微分價(jià)值曲線發(fā)生變化，且120EFPD下微分價(jià)值比36EFPD下微分價(jià)值大，36EFPD下微分價(jià)值大于0EFPD下的微分價(jià)值。在36EFPD，120EFPD下，D棒理論計(jì)算積分價(jià)值分別為2 690.44 PCM，2 733 PCM，與0EFPD下積分價(jià)值2 733.7 PCM的偏差分別為-1.5%和-0.025%。

5結(jié)論

針對西安脈沖堆的特點(diǎn)，本文建立了D棒微分價(jià)值理論計(jì)算方法，通過比對不同燃耗下D棒微分價(jià)值實(shí)驗(yàn)值與理論值，驗(yàn)證了理論計(jì)算的可行性，在此基礎(chǔ)上，利用該理論方法分析了0EFPD、360EFPD、120EFPD下的D棒微分價(jià)值的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著脈沖堆燃耗的加深，調(diào)節(jié)棒高度在0～200 mm時(shí)微分價(jià)值變化不明顯，在高度為200～390 mm時(shí)，燃耗越深，微分價(jià)值越大，此研究結(jié)果對判斷脈沖堆120EFPD后的D棒微分價(jià)值變化具有意義。

參考文獻(xiàn)

[1]楊岐, 卜永熙, 李達(dá)忠, 等. 西安脈沖反應(yīng)堆[J]. 核動力工程, 2002, 23(6): 1-7.(YANG Qi, PU Yong-xi, LI Da-zhong, et al. Xi’an pulsed reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2002, 23(6): 1-7.)

[2]陳立新, 陳偉, 張穎, 等. 西安脈沖堆穩(wěn)態(tài)堆芯脈沖運(yùn)行安全性分析及新堆芯布置方案設(shè)計(jì)[J]. 核動力工程, 2006, 27(增刊1): 9-12.(CHEN Li-xin, CHEN Wei, ZHANG Ying, et al. Safety analysis for Xi’an Pulsed Reactor in pulse operation mode with the core in steady arrangement and design project for the new core arrangement[J]. Nuclear Power Engineering, 2006, 27(Suppl.1): 9-12.)

[3]陳立新, 趙柱民, 袁建新, 等. 脈沖堆穩(wěn)態(tài)堆芯脈沖運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2009, 43(增刊): 240-243.(CHEN Li-xin, ZHAO Zhu-min, YUAN Jian-xin, et al. Experimental study on pulsed reactor with steady core arrangement at pulse operation mode[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2009, 43(Suppl.): 240-243.)

[4]謝仲生, 吳宏春, 張少泓. 核反應(yīng)堆物理分析[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2004: 210-217.(XIE Zhong-sheng, WU Hong-chun, ZHANG Shao-hong. Physical Analysis of Nuclear Reactor[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2004: 210-217.)

[5]羅璋林, 史永謙, 潘澤飛. 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆物理導(dǎo)論[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2011: 90-95.(LUO Zhang-lin, SHI Yong-qian, PAN Ze-fei. Physical Introduction of Experimental Reactor[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2011: 90-95.)

[6]陳儀煜, 楊勇, 剛直, 等. 中國實(shí)驗(yàn)快堆安全棒和補(bǔ)償棒價(jià)值理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2013, 47(增刊): 92-94.(CHEN Yi-yu，YANG Yong，GANG Zhi, et al. Measurement and analysis of CEFR safety and shim rod worth[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(Suppl.): 92-94.)

[7]史永謙. 核反應(yīng)堆中子學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京: 中國原子能出版社, 2011: 141-146.(SHI Yong-qian. Experimental Technology of Neutronics for Nuclear Reactor[M]. Beijing: Atomic Energy of China Press, 2011: 141-146.)

[8]尹延鵬, 邱東, 鄭春. 漸進(jìn)周期法測量反應(yīng)性等待時(shí)間分析[J]. 核動力工程, 2010, 31(3): 30-33.(YIN Yan-peng, QIU Dong, ZHENG Chun. Waiting time analysis for asymptotic-period measurement of reactivity[J]. Nuclear Power Engineering, 2010, 31(3): 30-33.)

[9]梁淑紅, 劉振華, 閻鳳文. 三角波振蕩反應(yīng)性測量技術(shù)研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2011, 45(7): 801-804.(LIANG Shu-hong, LIU Zhen-hua, YAN Feng-wen. Study on triangular wave technique for reactivity measurement[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2011, 45(7): 801-804.

[10]胡赟, 陳曉亮, 喻宏, 等. 中國實(shí)驗(yàn)快堆壓力和流量反應(yīng)性效應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2013, 47(增刊): 103-106. (HU Yun, CHEN Xiao-liang, YU Hong, et al. Experimental study of China experimental fast reactor pressure and coolant flow rate reactivity effect[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(Suppl.): 103-106.)

收稿日期：2015-06-09；修回日期：2016-03-18

作者簡介：郭和偉(1984- )，男, 湖北孝感人，助理研究員, 博士研究生, 主要從事核技術(shù)及應(yīng)用研究。 E-mail:guohewei@nint.ac.cn

中圖分類號：TL411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)020201(6)

Calculation and Experiment of Differential Worth of Adjuster Rod for Xi’an Pulsed Reactor

GUO He-wei1,2,ZHU Yang-ni2,ZHANG Xin-yi2，WANG Li-peng2,JIANG Duo-yu2,PAN Xiao-bing2

(1. School of Nuclear Science and Technology, Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,China;. State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

Abstract：In this paper, Monte Carlo N-Particle(MCNP) program is used to calculate and analyze the differential worth of the adjuster rod(rod D) for Xi’an Pulsed Reactor with various burnup, and period method is used to measure the differential worth of rod D experimently.The experimental values of the differential worth of rod D are compared with theorical ones. The results indicate that the differential worth of rod D does not change significantly when the height of rod is less than 200 mm, and while the height of rod D is 200-390 mm, the deeper the burnup is, the greater the differential worth will be.

Key words：Xi’an Pulsed Reactor;burnup;differential worth；MCNP