朱慶福，周 琦，梁淑紅，張 巍，劉 洋，夏兆東，楊歷軍，權(quán)艷慧，羅皇達(dá)，劉東海，王 璠，呂 牛，尹生貴

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

零功率裝置指的是運(yùn)行功率在千分之一瓦到幾十瓦之間的研究試驗(yàn)反應(yīng)堆，它的主要用途是獲取新的知識(shí)，對(duì)于反應(yīng)堆研發(fā)有著非常重要的作用。任何一種新堆型的堆芯物理設(shè)計(jì)，都需要在零功率裝置上進(jìn)行研究和優(yōu)化，了解其中子堆物理參數(shù)，掌握慢化劑、反射層和結(jié)構(gòu)材料在反應(yīng)堆中的中子學(xué)特性，驗(yàn)證反應(yīng)堆測量與控制設(shè)備的原理和性能。目前世界各國的零功率裝置占研究堆的比例超過30%，各國均加大投入針對(duì)各類新型核能系統(tǒng)研制零功率裝置，開展前期的基礎(chǔ)性研究。

20世紀(jì)90年代，中國原子能科學(xué)研究院針對(duì)新型核能系統(tǒng)之一的加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ADS)，建成了快熱耦合的啟明星1#次臨界零功率裝置[1]。目前，啟明星1#及我國現(xiàn)有的零功率裝置已無法滿足新時(shí)期下我國新型核能系統(tǒng)(如重金屬冷卻反應(yīng)堆、ADS和其他新堆型創(chuàng)新性研發(fā))對(duì)基礎(chǔ)性零功率實(shí)驗(yàn)的要求。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)ADS專項(xiàng)的支持下[2]，中國原子能科學(xué)研究院針對(duì)我國重金屬冷卻先進(jìn)核能系統(tǒng)研發(fā)及工程化設(shè)計(jì)驗(yàn)證，研制了啟明星Ⅱ號(hào)雙堆芯零功率裝置[3]，獲取了ADS金屬散裂靶與反應(yīng)堆耦合特性，重金屬冷卻劑中子物理特性，緩沖區(qū)材料、結(jié)構(gòu)材料和吸收材料的反應(yīng)性效應(yīng)，以及環(huán)形燃料[4]的中子物理特性參數(shù)等，驗(yàn)證了中子截面數(shù)據(jù)、堆芯物理設(shè)計(jì)方法以及反應(yīng)堆監(jiān)測技術(shù)，檢驗(yàn)了燃料元件、重金屬冷卻劑、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料和中子吸收材料的反應(yīng)性價(jià)值。啟明星Ⅱ號(hào)為支持我國重金屬冷卻反應(yīng)堆工程化設(shè)計(jì)及新型核能系統(tǒng)的集成研發(fā)提供了綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本文對(duì)啟明星Ⅱ號(hào)雙堆芯零功率裝置的總體設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹。

1 啟明星Ⅱ號(hào)簡介

啟明星Ⅱ號(hào)是一座擁有兩種堆芯——以水為介質(zhì)的水堆堆芯和以鉛為介質(zhì)的鉛堆堆芯、以控制棒進(jìn)行調(diào)節(jié)的立式雙層小型多功能臨界裝置。兩種堆芯分工不同，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了控制方式的通用性和集成性，由一套儀控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，通過選擇開關(guān)控制切換，不同時(shí)運(yùn)行。

啟明星Ⅱ號(hào)的水堆堆芯擁有同心圓和方形兩種類型的柵格排布方案，主要側(cè)重于原理性驗(yàn)證及熱中子能譜環(huán)境下的基準(zhǔn)性實(shí)驗(yàn)研究，開展了關(guān)鍵裂變產(chǎn)物核素、重要結(jié)構(gòu)材料、特殊用途材料等樣品的堆內(nèi)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M并獲取了乏燃料密集貯存的臨界數(shù)據(jù)，為環(huán)形燃料先導(dǎo)組件入堆考驗(yàn)構(gòu)建了相似的環(huán)形燃料組件+實(shí)心燃料組件的零功率堆芯，下一步將為環(huán)形燃料的工程應(yīng)用開展全堆芯環(huán)形燃料組件的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也具備改變?yōu)榱切位蚱渌囟ǚ桨傅哪芰Α?/p>

啟明星Ⅱ號(hào)的鉛堆堆芯目前只有同心圓柵格，內(nèi)部沒有慢化劑，燃料元件以同心圓柵格排列，之間為固態(tài)的金屬鉛或鉛鉍合金，構(gòu)建了鉛基快堆特有的材料與能譜環(huán)境，主要側(cè)重于重金屬冷卻反應(yīng)堆及ADS等先進(jìn)核能系統(tǒng)的中子物理特性實(shí)驗(yàn)研究，開展了鉛基快堆關(guān)鍵物理參數(shù)測量、重要結(jié)構(gòu)材料與吸收體材料的堆內(nèi)檢驗(yàn)，還利用中子管與散裂靶樣品構(gòu)建了ADS靶-堆耦合系統(tǒng)，獲取了特殊的ADS反應(yīng)堆靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物理參數(shù)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)測量方法與安全監(jiān)測技術(shù)，即將為鉛鉍反應(yīng)堆、ADS等新型核能系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與建造提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

啟明星Ⅱ號(hào)的主要參數(shù)列于表1。啟明星Ⅱ號(hào)在反應(yīng)堆大廳的布局如圖1所示。

2 水堆堆芯

水堆堆芯擁有同心圓柵格和方形柵格兩類柵格排布方案，采用多種富集度、成分和結(jié)構(gòu)的氧化鈾燃料元件，以不銹鋼柵格板支撐和定位燃料元件，以水作為慢化劑和反射層，以金屬鎘棒作為控制棒吸收體，以不銹鋼圓桶作為堆芯容器。兩種柵格的堆本體示意圖如圖2所示。

表1 啟明星Ⅱ號(hào)的主要參數(shù)Table 1 Main parameter of Venus-Ⅱ

2.1 燃料元件、試驗(yàn)元件和占位元件

同心圓柵格排布方案只使用B型燃料元件(235U富集度為20%的U3O8實(shí)心元件)。方形柵格排布方案使用3種不同的燃料元件，分別為C型燃料元件(235U富集度為3%的UO2實(shí)心元件)、F型燃料元件(235U富集度為4.95%的UO2環(huán)形元件)和G型燃料元件(235U富集度為4.95%的含釓UO2環(huán)形元件)，其中G型燃料元件按燃料芯塊中Gd2O3含量的不同分為G1、G2和G3 3種，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、8%和10%。

圖1 啟明星Ⅱ號(hào)在反應(yīng)堆大廳的布局Fig.1 Layout of Venus-Ⅱ in reactor hall

a——同心圓柵格；b——方形柵格圖2 水堆堆芯兩種柵格的堆本體示意圖Fig.2 Diagram of reactor body of water core for two lattices

方形柵格排布方案還使用6種類型的試驗(yàn)元件，包含Ag、Sm、Gd、Nd、Mo和Rh 6種元素天然豐度的金屬單質(zhì)樣品，用于燃耗信任制研究中重要裂變產(chǎn)物的反應(yīng)性價(jià)值的實(shí)驗(yàn)測量與核數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，簡稱D1、D2、D3、D4、D5和D6型試驗(yàn)元件。

為了防止誤插元件，同時(shí)具備改變柵格中慢化劑份額的能力，方形柵格排布方案使用鋁棒作為占位元件或擠水棒，簡稱為E型占位元件。

水堆堆芯使用的各種元件主要參數(shù)列于表2。

表2 水堆堆芯使用的各種元件參數(shù)Table 2 Various rod parameters used in water core

a——同心圓柵格排布方案；b——方形柵格排布方案，柵距為12.6 mm； c——方形柵格排布方案，柵距為15.0 mm；d——方形柵格排布方案，柵距為23.6 mm圖3 水堆堆芯4種柵格排布方案Fig.3 Four lattice arrangements in water core

2.2 柵格排布方案

在同心圓柵格排布方案中，B型燃料元件以同心圓的方式圍繞堆芯中心的中子源區(qū)排布，共14圈，燃料元件的柵距約為14.5 mm。

在方形柵格排布方案中，堆芯中心沒有中子源區(qū)，根據(jù)柵距可分為12.6、15.0和23.6 mm 3種排布方案，其中柵距為12.6 mm和15.0 mm的排布方案使用C型燃料元件，柵距為23.6 mm的排布方案使用C型、F型和G型3種燃料元件。3種排布方案都使用D型試驗(yàn)元件和E型占位元件。

水堆堆芯兩類4種柵格排布方案的示意圖如圖3所示。

2.3 反應(yīng)性控制系統(tǒng)

水堆堆芯每種柵格排布方案使用對(duì)應(yīng)的反應(yīng)性控制系統(tǒng)，每套反應(yīng)性控制系統(tǒng)包含兩個(gè)獨(dú)立的安全棒和兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)棒，棒體采用金屬鎘作為中子吸收體填充于不銹鋼管內(nèi)。吸收體的長度與活性段的長度一致。通過棒體頂部的電磁離合器吸合在橋架和滑座上，滑座在滾珠絲杠、聯(lián)軸器和電機(jī)的帶動(dòng)下上下移動(dòng)，當(dāng)停堆信號(hào)發(fā)出時(shí)，電機(jī)和電磁離合器斷電，依靠自身重力就能確保控制棒落入堆芯，實(shí)現(xiàn)安全停堆[5]。同心圓柵格排布方案的安全棒采用多根鎘棒并排組成的板狀結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)棒采用單根鎘棒結(jié)構(gòu)，方形柵格排布方案的安全棒和調(diào)節(jié)棒均為單根鎘棒結(jié)構(gòu)。每根安全棒的反應(yīng)性價(jià)值大于1%Δk/k，每根調(diào)節(jié)棒的反應(yīng)性價(jià)值在0.2%Δk/k左右。

水堆堆芯的堆芯容器還設(shè)置了DN100 mm的緊急排水閥門，停堆信號(hào)發(fā)出后會(huì)立即打開將堆芯容器內(nèi)的水排至水箱，實(shí)現(xiàn)安全停堆。

3 鉛堆堆芯

鉛堆堆芯只有同心圓柵格一種排布方案，使用兩種高富集度的燃料元件，以固體金屬鉛模擬鉛冷卻劑，以金屬鈹、聚乙烯和石墨作為反射層，以碳化硼和金屬鎘作為控制棒吸收體。鉛堆堆芯堆本體示意圖如圖4所示。

圖4 鉛堆堆芯的堆本體示意圖Fig.4 Diagram of reactor body for lead core

3.1 燃料元件與柵格排布

鉛堆堆芯使用A型燃料元件(235U富集度為90%的金屬鈾實(shí)心元件)和B型燃料元件(235U富集度為20%的U3O8實(shí)心元件，即水堆堆芯同心圓柵格排布方案所使用的燃料元件)兩種燃料元件。A型燃料元件的芯塊直徑為9 mm，活性段為400 mm，以不銹鋼為包殼材料。B型燃料元件的活性段直徑為4 mm，活性段長度為400 mm，以鋁作為內(nèi)包殼材料，以Zr-4作為外包殼材料。兩種燃料元件以同心圓柵格圍繞著堆芯內(nèi)部的中子源區(qū)排布，共15圈，按照排布的燃料元件、介質(zhì)材料及端部反射層可分為三區(qū)：一區(qū)排布了4圈A型燃料元件，元件之間的介質(zhì)材料為金屬鉛，端部反射層為金屬鈹；二區(qū)排布了8圈B型燃料元件，元件之間填充的介質(zhì)材料為金屬鉛，端部反射層為聚乙烯；三區(qū)排布了3圈B型燃料元件，元件之間填充的介質(zhì)材料為聚乙烯，端部反射層為聚乙烯。鉛堆堆芯的柵格排布如圖5所示。

圖5 鉛堆堆芯三區(qū)柵格排布示意圖Fig.5 Diagram lattice arrangement of three zones in lead core

3.2 反射層系統(tǒng)和鉛本體

鉛堆堆芯的中子能譜較硬，在有限的燃料條件下為實(shí)現(xiàn)臨界必須盡可能減少堆芯中子的泄漏，設(shè)計(jì)了較為復(fù)雜的反射層系統(tǒng)，由燃料元件內(nèi)部的反射層、頂部反射層、底部反射層和側(cè)反射層等部分組成。為減少中子從燃料元件端部的泄漏，在A型和B型燃料元件活性區(qū)的上、下兩端均設(shè)置了金屬鈹和聚乙烯芯塊。在A型燃料元件上方，設(shè)置了厚為191.5 mm的金屬鈹頂部反射層，在B型燃料元件上方，設(shè)置了同樣厚度的聚乙烯頂部反射層。在堆芯的側(cè)面，設(shè)置了800 mm厚的石墨反射層，在堆芯的底部，設(shè)置了300 mm厚的石墨反射層，如圖6所示。

為模擬重金屬冷卻劑的材料環(huán)境，鉛堆堆芯布置了1塊固態(tài)的金屬鉛本體。鉛本體內(nèi)徑為66 mm、外徑為445 mm、高為428.5 mm，內(nèi)部開有1個(gè)直徑為66 mm、101個(gè)直徑為11 mm和565個(gè)直徑為7.4 mm的通孔，用于排布一區(qū)和二區(qū)的燃料元件。

圖6 鉛堆堆芯反射層系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of reflector system for lead core

3.3 反應(yīng)性控制系統(tǒng)

鉛堆堆芯的反應(yīng)性控制系統(tǒng)布置在側(cè)反射層的石墨中，而不是堆芯內(nèi)部，使得堆芯保持整體性，減少中子的泄漏。每套反應(yīng)性控制系統(tǒng)包含兩個(gè)獨(dú)立的安全棒和兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)棒，安全棒棒體采用圓柱棒結(jié)構(gòu)，利用316L不銹鋼作為外包殼，采用圓環(huán)狀碳化硼作為吸收體，內(nèi)部填充為聚乙烯以提高安全棒的反應(yīng)性價(jià)值。調(diào)節(jié)棒采用金屬鎘作為中子吸收體填充于不銹鋼管內(nèi)。鉛堆堆芯反應(yīng)性控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理與水堆堆芯完全一致，每根安全棒的反應(yīng)性價(jià)值大于1%Δk/k，每根調(diào)節(jié)棒的反應(yīng)性價(jià)值在0.2%Δk/k左右。鉛堆堆芯在石墨底反射層中心位置(即堆芯正下方)設(shè)置了直徑為240 mm、厚為300 mm的安全塊，安全塊價(jià)值大于1%Δk/k，當(dāng)停堆信號(hào)發(fā)出后，依靠自身重力就能立即下落，利用中子泄漏的原理實(shí)現(xiàn)安全停堆。

4 零功率實(shí)驗(yàn)

4.1 水堆堆芯零功率實(shí)驗(yàn)

水堆堆芯可利用添加元件和改變調(diào)節(jié)棒棒位等方式達(dá)到臨界，采用252Cf中子源作為啟動(dòng)中子源，起到點(diǎn)火作用，避免啟動(dòng)試驗(yàn)初期中子計(jì)數(shù)監(jiān)測上的盲區(qū)，在同心圓柵格排布方案上實(shí)現(xiàn)了首次臨界，裝載B型燃料元件955根。在水堆同心圓柵格排布方案上，開展的臨界實(shí)驗(yàn)包括燃料元件價(jià)值測量[6]、調(diào)節(jié)棒價(jià)值測量、散裂靶樣品反應(yīng)性價(jià)值測量等內(nèi)容，次臨界實(shí)驗(yàn)包括跳源法、落棒法、脈沖中子源法、噪聲分析法等次臨界度測量實(shí)驗(yàn)。理論計(jì)算使用了引進(jìn)于英國的蒙特卡羅程序MONK，使用ENDF/B-Ⅶ點(diǎn)截面數(shù)據(jù)，臨界計(jì)算時(shí)設(shè)置每代粒子數(shù)為1×105個(gè)，有效代數(shù)為100代，統(tǒng)計(jì)偏差1σ為0.000 25。水堆堆芯臨界附近keff與調(diào)節(jié)棒價(jià)值實(shí)驗(yàn)測量與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖7所示。臨界裝載和控制棒價(jià)值實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符合。

經(jīng)過技術(shù)改造，水堆堆芯完成了同心圓柵格排布方案到方形柵格排布方案的過渡，并在方形柵格(柵距為23.6 mm)的排布方案上實(shí)現(xiàn)了臨界。使用相同的252Cf中子源作為啟動(dòng)中子源，由于方形柵格堆芯內(nèi)部沒有中子源區(qū)，因此在堆芯中心的正上方安裝了固定橫桿，用于布置252Cf中子源。方形柵格的臨界裝載方案共裝載F型環(huán)形燃料元件96根，C型燃料元件172根。在方形柵格排布方案上，已開展了C型燃料元件價(jià)值測量、F型和G型環(huán)形燃料元件價(jià)值測量、調(diào)節(jié)棒價(jià)值測量、D型試驗(yàn)元件價(jià)值測量、中子能譜測量和中子通量密度分布測量等實(shí)驗(yàn)，后續(xù)將在另外兩種柵距的方形柵格上開展臨界實(shí)驗(yàn)。

圖7 水堆堆芯臨界附近keff(a)與調(diào)節(jié)棒價(jià)值(b)實(shí)驗(yàn)測量與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental measurement and theorectic calculation for keff (a) and adjusting rod worth (b) in water core

4.2 鉛堆堆芯零功率實(shí)驗(yàn)

鉛堆堆芯可利用添加元件和改變調(diào)節(jié)棒棒位等方式達(dá)臨界。采用與水堆堆芯共用的252Cf中子源作為啟動(dòng)中子源，在同心圓柵格排布方案上實(shí)現(xiàn)了首次臨界，臨界裝載方案為一區(qū)101根A型燃料元件、二區(qū)565根B型燃料元件和三區(qū)319根B燃料型元件。在鉛堆堆芯上開展的臨界實(shí)驗(yàn)包括燃料元件價(jià)值測量，調(diào)節(jié)棒價(jià)值測量，散裂靶樣品[7]、結(jié)構(gòu)材料樣品和中子吸收體樣品反應(yīng)性價(jià)值測量等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。理論計(jì)算使用了與水堆實(shí)驗(yàn)相同的MONK程序、核數(shù)據(jù)庫和計(jì)算參數(shù)，統(tǒng)計(jì)偏差1σ為0.000 25。鉛堆堆芯臨界附近keff與調(diào)節(jié)棒價(jià)值實(shí)驗(yàn)測量與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖8所示。臨界裝載的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符合，但控制棒價(jià)值理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的絕對(duì)值存在一定偏差，主要原因可能是調(diào)節(jié)棒材料參數(shù)(如吸收體)與設(shè)計(jì)值存在偏差，目前正在通過尺寸、密度與化學(xué)成分分析確定偏差來源。

在鉛堆堆芯的中子源區(qū)安裝了由鎢鐵鎳合金、鉛鉍合金及不銹鋼等材料組成的ADS散裂靶模擬樣品，利用氘氚中子管中子源來模擬ADS的散裂中子源，針對(duì)ADS反應(yīng)堆次臨界度測量與在線監(jiān)督，開展了跳源法[8]、斷束法、落棒法、脈沖中子源法[9]、噪聲分析法等次臨界測量實(shí)驗(yàn)，以及裂變率[10]、中子能譜和中子通量密度分布測量[11]等ADS堆芯物理特性參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，取得了大批重金屬冷卻ADS反應(yīng)堆靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 鉛堆堆芯臨界附近keff(a)與調(diào)節(jié)棒價(jià)值(b)實(shí)驗(yàn)測量與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Fig.8 Comparison of experimental measurement and theorectic calculation for keff(a) and adjusting rod worth (b) in lead core

5 結(jié)論

啟明星Ⅱ號(hào)是中國原子能科學(xué)研究院針對(duì)我國新型先進(jìn)核能系統(tǒng)基礎(chǔ)性研發(fā)及工程化設(shè)計(jì)驗(yàn)證而研制的雙堆芯零功率裝置。啟明星Ⅱ號(hào)的水堆堆芯和鉛堆堆芯使用了多種類型的核燃料，能夠構(gòu)建多種柵格類型、中子能譜和材料環(huán)境等條件的堆芯方案，配備了多套非能動(dòng)安全停堆系統(tǒng)，具有較高的安全性。在啟明星Ⅱ號(hào)上開展了多項(xiàng)反應(yīng)堆物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測量值與理論計(jì)算值符合較好，驗(yàn)證了多種實(shí)驗(yàn)測量方法。啟明星Ⅱ號(hào)上開展的各項(xiàng)基礎(chǔ)性零功率實(shí)驗(yàn)，將有力推動(dòng)我國輕水堆的技術(shù)創(chuàng)新、重金屬冷卻反應(yīng)堆工程化設(shè)計(jì)以及新型核能系統(tǒng)的集成研發(fā)。