黃國(guó)慶，嚴(yán)慧娟，賴 偉，陳永忠

（中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

0 引言

釷基熔鹽堆（TMSR）核能系統(tǒng)項(xiàng)目是中科院先導(dǎo)研究專項(xiàng)之一，其研究目標(biāo)是研發(fā)第4 代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)，掌握相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的開(kāi)環(huán)模式下的釷鈾燃料循環(huán)[1]。作為6 種第四代反應(yīng)堆候選堆型之一，TMSR 具有良好的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可持續(xù)性和防核擴(kuò)散性。

反應(yīng)堆物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)換料裝料及首次臨界時(shí)的中子注量率，并由此推導(dǎo)臨界質(zhì)量，進(jìn)行控制棒價(jià)值刻度等。由于初始裝料及首次臨界過(guò)程中，中子注量率極低，利用堆外中子注量率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很難測(cè)量出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的中子注量率的變化，所以一般在堆芯內(nèi)安裝物理啟動(dòng)中子探測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)[2]。同樣為了進(jìn)行物理啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，TMSR 也在堆內(nèi)設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立的物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。其最大的難點(diǎn)在于TMSR 屬于高溫反應(yīng)堆，其堆芯溫度高達(dá)650℃。目前沒(méi)有成熟的商業(yè)化中子探測(cè)器可以在這樣高溫環(huán)境下工作，所以需要采用額外的冷卻措施，以保證探測(cè)器可以正常工作。

圖1 TMSR物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TMSR physical startup measurement system

1 系統(tǒng)概述

反應(yīng)堆初始裝料及首次臨界是反應(yīng)堆重要的物理實(shí)驗(yàn)之一，主要采用臨界外推法來(lái)得到反應(yīng)堆臨界質(zhì)量。首先確定一個(gè)安全的初始裝載量，然后逐步增加反應(yīng)堆的裝載，同時(shí)測(cè)量每種狀態(tài)下的中子注量率，繪出臨界外推曲線，從而得到反應(yīng)堆臨界時(shí)的裝載量，即臨界質(zhì)量。為了準(zhǔn)確地推導(dǎo)出臨界質(zhì)量，需要3 個(gè)探測(cè)器來(lái)相互校核，取其最保守的值作為結(jié)果。

TMSR 屬于第4 代先進(jìn)反應(yīng)堆，物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)將采用先進(jìn)的數(shù)字化系統(tǒng)，包括3 套中子探測(cè)器、高壓電源、前置放大器、信號(hào)處理器、顯示處理計(jì)算機(jī)、冷卻孔道等。整個(gè)TMSR 物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示。

首先，中子探測(cè)器將中子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，送入信號(hào)處理器，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和數(shù)字化處理，計(jì)算出中子注量率等物理參數(shù)；最后，通過(guò)數(shù)字通訊接口RS485 送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)，并可以將整個(gè)測(cè)量結(jié)果等數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸麄€(gè)反應(yīng)堆的控制網(wǎng)內(nèi)。由于物理啟動(dòng)中子探測(cè)器處溫度高達(dá)650℃，需要額外增加冷卻孔道，以保證探測(cè)器正常工作。

圖2 物理啟動(dòng)探測(cè)器布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical startup detector layout

2 探測(cè)器布局

首次臨界實(shí)驗(yàn)時(shí)，中子探測(cè)器所測(cè)量的中子N 主要由兩部分組成：

式（1）中，S 為中子源的強(qiáng)度，l 為代時(shí)間，keff 為有效增殖因數(shù)，A、B 為常數(shù)，由反應(yīng)堆、中子源和探測(cè)器的相對(duì)位置決定。式（1）中第一項(xiàng)為中子源直接貢獻(xiàn)的中子，第二項(xiàng)為經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆增值后的中子。所以需要選擇好中子源、探測(cè)器和反應(yīng)堆三者的相對(duì)位置，所探測(cè)中子的主要部分是經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆增殖后的中子，以增加臨界外推曲線的可信程度[3,4]。

TMSR 10MW 固態(tài)反應(yīng)堆采用固態(tài)燃料球，F(xiàn)liBe 鹽為冷卻劑，石墨作為慢化劑。由于堆芯內(nèi)沒(méi)有空間，中子源及3 個(gè)中子探測(cè)器安裝在反應(yīng)堆石墨慢化層內(nèi)，如圖2 所示。其中，1#、3#孔道用于安裝物理啟動(dòng)中子探測(cè)器，孔徑為130mm，基本在中子源的相對(duì)位置，這樣保證中子探測(cè)器所探測(cè)中子的主要部分是經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆增殖后的中子。1#孔道內(nèi)上下相連安裝兩個(gè)中子探測(cè)器，3#孔道安裝一個(gè)中子探測(cè)器，3 個(gè)探測(cè)器相互獨(dú)立，相互校核，取其中最保守值，以保證臨界實(shí)驗(yàn)的安全。

3 探測(cè)器類型

由于凈堆首次裝料、首次臨界時(shí)，即使加入中子源，探測(cè)器處的中子注量率也相對(duì)較低，需要選用高靈敏探測(cè)器，靈敏度不小于20cps/nv。TMSR 考慮采用He3 正比計(jì)數(shù)管，其測(cè)量原理是利用入射中子與He3 產(chǎn)生反應(yīng)：

所產(chǎn)生的質(zhì)子和氚離子使探測(cè)器內(nèi)的氣體電離，在外電場(chǎng)的作用下，形成脈沖電流。單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)與入射的中子注量率成正比，通過(guò)計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)就可得到對(duì)應(yīng)的中子注量率，從而得到對(duì)應(yīng)的反應(yīng)堆功率。

由于物理啟動(dòng)中子探測(cè)器安裝在堆芯，輻射劑量大，探測(cè)器及電纜材料不適合使用有機(jī)材料，需要使用礦物絕緣電纜，并與探測(cè)器直接焊接在一起，以增加其可靠性。對(duì)于1#孔道，需要將兩個(gè)中子探測(cè)器加工成一個(gè)組件形式，兩個(gè)探測(cè)器形成一個(gè)整體，便于安裝。

4 電子學(xué)系統(tǒng)

TMSR 物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的前置放大器將安裝在堆倉(cāng)外，以縮短探測(cè)器與前置放大器之間的距離，減小信號(hào)干擾。對(duì)于He3 正比計(jì)數(shù)管，將采用脈沖計(jì)數(shù)處理電路。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行甄別處理，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行反符合處理。輸出脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)模塊，設(shè)定時(shí)間，進(jìn)行計(jì)數(shù)，多次平均，從而得到計(jì)數(shù)率。最后結(jié)果將通過(guò)數(shù)字總線RS485 傳輸?shù)教幚碛?jì)算機(jī)，進(jìn)行計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)等操作。

整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)包括3 套獨(dú)立的探測(cè)器信號(hào)處理電路，并集成3 套高壓模塊，給探測(cè)器提供高壓。測(cè)量時(shí)，根據(jù)探測(cè)器工作坪曲線要求，設(shè)置好高壓值和甄別閾值，所有測(cè)量將自動(dòng)完成，并在計(jì)算機(jī)上顯示和存儲(chǔ)。通過(guò)前面裝料測(cè)量所得的計(jì)數(shù)值，自動(dòng)繪制中子計(jì)數(shù)倒數(shù)外推曲線，自動(dòng)得到下次裝料值和臨界質(zhì)量等。整個(gè)系統(tǒng)還可以計(jì)算反應(yīng)堆的倍增周期，計(jì)算反應(yīng)性，用來(lái)刻度控制棒價(jià)值、反應(yīng)堆溫度系統(tǒng)等。

通過(guò)以太網(wǎng)通訊，處理計(jì)算機(jī)可以把各種測(cè)量結(jié)果傳輸給反應(yīng)堆控制系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)存于歷史服務(wù)器中，便于操作人員在中控室查看、參考。

5 探測(cè)器冷卻系統(tǒng)

物理啟動(dòng)中子探測(cè)器工作在高溫區(qū)域，溫度高達(dá)650℃，目前沒(méi)有這樣的商業(yè)化高溫探測(cè)器，直接可行的辦法就是對(duì)探測(cè)器進(jìn)行冷卻。由于TMSR 一大特點(diǎn)就是無(wú)水，所以將采用氣體對(duì)其冷卻。熱的傳遞方式有3 種：對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻效果，要減小環(huán)境熱量對(duì)探測(cè)器的傳遞，同時(shí)加大冷卻氣體帶走的熱量。

冷卻測(cè)量孔道采用多層結(jié)構(gòu)，最外層填加隔熱材料，減少熱的傳導(dǎo)和輻射，冷卻氣體從內(nèi)管吹入，從中間孔道吹出，從而帶走熱量，起到冷卻探測(cè)器的目的。整個(gè)測(cè)量孔道的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

比較目前市場(chǎng)上常用探測(cè)器的工作溫度，將目標(biāo)冷卻溫度定為100℃以下，通過(guò)ANSYS 軟件建模計(jì)算，分析了空氣、氮?dú)?、氬? 種氣體的冷卻效果。入口氣體溫度假設(shè)為30℃，3 種氣體的冷卻效果相差不大。當(dāng)通入3m/s（即508l/min）的氣體可以將探測(cè)器溫度冷卻到100℃以下，具體結(jié)果如圖4 所示。TMSR 采用氬氣作為覆蓋氣體，所以將采用氬氣來(lái)冷卻。

圖3 物理啟動(dòng)測(cè)量孔道結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of physical startup measurement hole

圖4 仿真建模計(jì)算結(jié)果Fig.4 Results of simulation and calculation

6 結(jié)語(yǔ)

釷基熔鹽堆（TMSR）核能系統(tǒng)作為第4 代核能系統(tǒng)，物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是其重要系統(tǒng)之一。它屬于非安全級(jí)設(shè)備，其基本原理和基本功能相對(duì)之前反應(yīng)堆并未發(fā)生變化，TMSR 將采用數(shù)字化處理技術(shù)，從而自動(dòng)完成以前復(fù)雜的臨界實(shí)驗(yàn)計(jì)算及推導(dǎo)，測(cè)量精度也大大提高。另外，TMSR物理啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是高溫問(wèn)題，其環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于探測(cè)器的工作溫度，直接可行的方法是對(duì)探測(cè)器進(jìn)行冷卻。