朱慶福，周 琦，夏兆東，劉 洋，張 巍，羅皇達(dá)， 陳曉亮，王 璠，陳效先，劉 鋒，劉東海

(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)

啟明星Ⅱ號雙堆芯零功率裝置[1]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)的鉛堆堆芯的零功率裝置。其中，鉛堆堆芯側(cè)重于開展重金屬冷卻反應(yīng)堆及加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS)等先進(jìn)核能系統(tǒng)的中子物理特性實驗研究，獲取鉛基快堆堆芯物理參數(shù)、重要材料的反應(yīng)性價值以及ADS反應(yīng)堆靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)，為鉛基反應(yīng)堆、ADS等新型核能系統(tǒng)的工程設(shè)計與建設(shè)提供實驗數(shù)據(jù)支撐。

反應(yīng)堆物理啟動試驗對于不同的反應(yīng)堆目的都是相同的，為了驗證理論計算和是否達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，一般包括首次臨界試驗、零功率或低功率運(yùn)行試驗和過渡到功率運(yùn)行[2]。在整個物理啟動過程中，所有的重要安全系統(tǒng)設(shè)備、儀器儀表都將經(jīng)受考驗，所有與運(yùn)行和試驗相關(guān)的規(guī)程和細(xì)則都將得到驗證，所采用的操作規(guī)程均需按照有關(guān)核安全法規(guī)和導(dǎo)則制定，在試驗中確保安全第一的原則[3]。

對于零功率裝置，首次物理啟動主要內(nèi)容是首次安全順利地完成裝料，達(dá)到臨界。國內(nèi)尚未開展鉛基快堆的首次物理啟動試驗，缺乏相關(guān)實驗數(shù)據(jù)參考。根據(jù)鉛堆堆芯理論計算結(jié)果，達(dá)到臨界需要的燃料元件數(shù)量超過1 000根，且不同區(qū)域燃料元件的價值差別很大。

為安全可靠地完成鉛堆堆芯首次物理啟動，根據(jù)鉛堆堆芯的特點(diǎn)，本文評估啟動中子源與探測器的選取，考慮不銹鋼模擬元件的影響，制定分區(qū)外推的裝料方案，完成鉛堆堆芯的裝料與首次達(dá)臨界以及反應(yīng)性測量。

1 鉛堆堆芯的主要特點(diǎn)

鉛堆堆芯沿徑向由內(nèi)到外分別是中子源區(qū)、一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)和石墨反射層[4]。中子源區(qū)用于裝載啟動中子源、ADS散裂靶樣品或反應(yīng)性檢驗樣品；一區(qū)介質(zhì)材料為金屬鉛，可裝載4圈共101根富集度90%的金屬鈾燃料元件(A型燃料元件)；二區(qū)介質(zhì)材料為金屬鉛，可以裝載8圈共565根富集度20%的U3O8燃料元件(B型燃料元件)；三區(qū)介質(zhì)材料為聚乙烯，可以裝載3圈共380根富集度20%的U3O8燃料元件(B型燃料元件)，石墨反射層中布置了安全棒、調(diào)節(jié)棒和中子探測器。三區(qū)一共可裝載15圈同心圓排列的燃料元件，共計1 046根，柵格排布如圖1所示。

A型燃料元件的活性區(qū)材料為富集度90%的金屬鈾，密度大，含235U質(zhì)量多，B型燃料元件的活性區(qū)材料為富集度20%的U3O8粉末，密度小，含235U質(zhì)量少，結(jié)合三區(qū)的介質(zhì)材料及在堆芯中所處的位置判斷，不同區(qū)域燃料元件的價值差別較大；一區(qū)和二區(qū)沒有慢化材料，裂變截面小，啟動中子源與探測器的選取應(yīng)確保裝料全過程特別是初期的中子計數(shù)率不小于2 s-1，避免監(jiān)測盲區(qū)；首次物理啟動之前，鉛堆堆芯的1 046個孔道由外形尺寸與燃料元件相同的316L不銹鋼模擬元件占位，裝料時將對應(yīng)位置的模擬元件卸出，裝入燃料元件，由于不銹鋼的鐵、鉻、鎳等核素會對中子散射和吸收，裝料過程燃料的增加將導(dǎo)致中子倍增狀態(tài)發(fā)生變化，模擬元件的減少對于中子散射和吸收的作用同樣也在改變，會同時影響外推過程的中子計數(shù)率，這些特點(diǎn)在制定首次物理啟動試驗方法時得到了考慮。

圖1 鉛堆堆芯三區(qū)柵格排布示意圖Fig.1 Diagram of three zones in lead core

2 首次物理啟動試驗方法

2.1 啟動中子源與探測器的選取與驗證

為保證啟動過程監(jiān)督反應(yīng)堆的中子計數(shù)率不小于2 s-1，選用252Cf作為啟動中子源，當(dāng)前的中子發(fā)射強(qiáng)度為1.22×107s-1。啟動監(jiān)督中子探測器采用兩根獨(dú)立的BF3正比計數(shù)管，中子靈敏度為(14.9±0.6) s-1/(cm-2·s-1)。為避免探測器的空間效應(yīng)對外推曲線產(chǎn)生影響[5]，將啟動中子源布置在中子源區(qū)的正上方，啟動監(jiān)督中子探測器對稱布置在石墨反射層中，如圖2所示。

不裝載核燃料元件時，啟動監(jiān)督中子計數(shù)率最小，利用從英國引進(jìn)的蒙特卡羅程序MONK的固定源模式，采用CENDL-3.1核截面數(shù)據(jù)[6]，根據(jù)啟動中子源與啟動監(jiān)督中子探測器的參數(shù)，對計數(shù)率進(jìn)行了計算，統(tǒng)計粒子數(shù)為5.76×105，統(tǒng)計相對誤差為4.89%，不裝載核燃料元件時中子計數(shù)率為(584.5±28.6) s-1。同時，在不裝載核燃料元件的條件下，實際測量了啟動監(jiān)督的兩根中子探測器的中子計數(shù)率，分別為(587.6±23.5) s-1和(655.1±26.2) s-1，平均值為(621.4±24.9) s-1，中子計數(shù)率的計算值與測量值相對偏差為6.3%，數(shù)值均大于技術(shù)要求的2 s-1，證明啟動中子源與探測器選取的合理性，以及MONK程序計算模型的準(zhǔn)確性。

圖2 啟動中子源與啟動監(jiān)督中子探測器的位置Fig.2 Position of initial neutron source and start-up monitoring neutron detector

2.2 核燃料元件裝載方案

鉛堆堆芯核燃料元件由于235U富集度、裝載量和所處的中子能譜環(huán)境差異，其反應(yīng)性價值差異很大，使用MONK程序和CENDL-3.1核截面數(shù)據(jù)對裝載過程keff的變化進(jìn)行了計算，統(tǒng)計粒子數(shù)為1×107，keff的統(tǒng)計誤差1σ為25 pcm，計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同位置的燃料元件價值差異很大。一區(qū)燃料元件富集度相對較高，芯塊密度大，燃料元件價值大于300 pcm/根；二區(qū)富集度相對較低，燃料元件價值為10～20 pcm/根，三區(qū)的中子能譜較軟，價值基本一致，燃料元件價值為54～60 pcm/根。臨界時燃料元件數(shù)量在1 020根左右。

如果鉛堆堆芯3個區(qū)域的燃料元件價值差別不大，采用“1/2”原則向臨界趨近是合理的，但實際情況是3個區(qū)域的燃料元件價值呈現(xiàn)高、低、中分布。為確保裝料外推的安全，必須考慮分區(qū)外推方案，避免跨二區(qū)到三區(qū)外推時高估臨界元件數(shù)量，裝入過多的燃料元件。

圖3 燃料元件裝載過程keff的變化Fig.3 Change of keff in fuel element loading process

2.3 試驗元件對裝料外推的影響

首次物理啟動前，鉛堆堆芯3個區(qū)域可裝載燃料元件的1 046個孔道由外形尺寸與燃料元件相同的316L不銹鋼模擬元件占位，裝料時將對應(yīng)位置的模擬元件卸出，裝入燃料元件。不銹鋼模擬元件會對中子起到散射和吸收的作用，裝料外推將不銹鋼模擬元件替換為燃料元件，中子倍增狀態(tài)發(fā)生了變化，對于中子散射和吸收的作用同樣也在改變。為此，使用MONK程序的固定源模式，采用CENDL-3.1核截面數(shù)據(jù)，對裝料外推過程啟動監(jiān)督中子計數(shù)率進(jìn)行了模擬計算，用于裝料外推的參考，中子計數(shù)率計算結(jié)果的統(tǒng)計相對誤差小于5%(1σ)。

2.4 超臨界過渡點(diǎn)的參考

當(dāng)裝料外推到逼近臨界即將向超臨界過渡時，利用啟動中子源與跑兔系統(tǒng)[7]進(jìn)行跳源法次臨界度測量[8]。當(dāng)實驗人員在堆廳完成某一步燃料元件裝載時，鉛堆堆芯的啟動中子源回到中子源儲罐，當(dāng)實驗人員完成裝載離開堆廳后，啟動中子源由壓縮空氣驅(qū)動進(jìn)入中子源區(qū)頂部，待中子計數(shù)率穩(wěn)定后，實驗人員讀取數(shù)值進(jìn)行外推計算。當(dāng)裝料外推到接近或大于keff為0.996的淺次臨界狀態(tài)，跳源法的測量相對偏差在0.1%左右[9]。

3 首次物理啟動試驗

3.1 裝料方案

根據(jù)“1/2”裝料原則、分區(qū)外推以及對稱性等原則，開展裝料外推的具體步驟如下。

1) 一區(qū)滿裝載101根，根據(jù)圖4所示燃料元件裝載方案，裝載完后keff為0.720 15。從安全性考慮，首次裝載數(shù)量為38根，小于101根的1/2(50.5根)，第2次裝載數(shù)量為28根，兩次裝載總數(shù)量小于101根的3/4(75.75根)，由此繼續(xù)外推，直到一區(qū)裝載完成。

圖4 燃料元件裝載方案Fig. 4 Loading pattern of fuel element

2) 開始二區(qū)裝載時，重新進(jìn)行外推。二區(qū)滿裝載565根，根據(jù)圖4的結(jié)果，裝載完后keff為0.794 02。從安全性考慮，首次裝載數(shù)量為100根，小于565根的1/2(282.5根)，第2次裝載數(shù)量為62根，兩次裝載總數(shù)量小于565根的3/4(423.75根)，由此繼續(xù)外推，直到二區(qū)裝載完成。

3) 開始三區(qū)裝載時，同樣重新進(jìn)行外推。三區(qū)滿裝載380根，臨界計算354根臨界，從安全性考慮，首次裝載數(shù)量為40根，遠(yuǎn)小于354根的1/2(177根)，第2次裝載數(shù)量也為40根，兩次裝載總數(shù)量小于354根的3/4(265.5根)，由此繼續(xù)外推，直到向超臨界過渡。

為保證外推過程的準(zhǔn)確性，每一根燃料元件都進(jìn)行編號，在添加每一圈燃料元件時均采取均勻?qū)ΨQ的方式，同時從每一圈的4個起始點(diǎn)逆時針進(jìn)行添加，減小空間效應(yīng)的影響，如圖4所示。

3.2 外推結(jié)果

每次對計數(shù)率進(jìn)行測量時，充分等待計數(shù)率穩(wěn)定后再進(jìn)行讀取，每次測量時間為5 s，共讀取10次，舍棄最大值與最小值，得到中子計數(shù)率的測量值。利用中子計數(shù)率進(jìn)行裝料外推，裝料操作有18步，兩臺啟動監(jiān)督系統(tǒng)的計數(shù)率與計算值的對比如圖5所示。由圖5可見，外推過程中中子計數(shù)率測量值與計算值符合一致，中子計數(shù)率的計算結(jié)果能對裝料外推起到指導(dǎo)作用。

圖5 外推過程中子計數(shù)率測量值與計算值的對比Fig.5 Comparison of neutron count measurement and calculation values in loading extrapolation

利用計數(shù)率倒數(shù)外推方法可確定分區(qū)外推的結(jié)果。在三區(qū)開展9步裝料，圖6示出中子計數(shù)率倒數(shù)與外推結(jié)果。由圖6可見，計數(shù)率倒數(shù)基本呈現(xiàn)偏安全的凹形曲線，外推結(jié)果不斷收斂，證明了啟動中子源與探測器的合理布置避免了空間效應(yīng)的影響，在次臨界度較深的裝料階段，三區(qū)外推過程中中子計數(shù)率倒數(shù)與外推結(jié)果的理論計算值與測量值符合較好[10]。隨著逼近臨界，計算值外推結(jié)果與測量值外推結(jié)果的差異達(dá)到10.3根，主要是因為計算模型與實際情況之間存在偏差，體現(xiàn)在模擬元件、石墨反射層與三區(qū)聚乙烯的組裝狹縫寬度以及石墨反射層裝配空隙等方面。這些偏差將影響外源倍增計算值與實際值的偏差，且越接近臨界，由于源倍增的系數(shù)越大[11]，影響效果越大，此時主要以測量值為準(zhǔn)。

圖6 三區(qū)外推過程中中子計數(shù)率倒數(shù)與外推結(jié)果Fig.6 Reciprocal of neutron count and extrapolation result in zone 3 loading extrapolation

三區(qū)燃料元件裝載到341根之后，改用功率測量系統(tǒng)的電流值繼續(xù)外推，每次沿4個基準(zhǔn)點(diǎn)逆時針同時添加1根燃料元件，完成6次裝料外推后，向超臨界過渡。

3.3 向超臨界過渡與內(nèi)插臨界實驗

根據(jù)HAD202/02的要求[12]，向超臨界過渡時一次添加反應(yīng)性不能超過400 pcm。從安全性考慮，每次添加1根燃料元件，按照計算結(jié)果引入的反應(yīng)性不大于60 pcm。因此，當(dāng)外推結(jié)束后，三區(qū)裝載為365根燃料元件時，添加3根燃料元件，向超臨界過渡。利用啟動中子源點(diǎn)火，然后吹回儲罐，觀察中子計數(shù)率的變化，三區(qū)裝載量為368根，無源時中子計數(shù)率處于緩慢上升狀態(tài)，表明堆芯處于較長倍增周期的超臨界狀態(tài)。

利用周期法測量反應(yīng)性[13]，根據(jù)內(nèi)插法確定臨界元件數(shù)量與燃料元件價值。首先測量三區(qū)裝載量為368根元件時的較長倍增周期，根據(jù)周期-反應(yīng)性表，可得到第1個反應(yīng)性，然后再添加1根元件，測量較短的倍增周期，得到第2個反應(yīng)性，實驗測量結(jié)果列于表1。

由表1可見，三區(qū)的燃料元件數(shù)量從368根增加到369根時，反應(yīng)性變化了89.4 pcm，與燃料元件價值50～60 pcm的計算結(jié)果存在較大偏差，分析原因主要是不銹鋼模擬元件的影響。三區(qū)的中子能譜較軟，不銹鋼模擬元件對中子的吸收作用增大，體現(xiàn)出較大的負(fù)反應(yīng)性。裝載燃料元件時，拔出的模擬元件相當(dāng)于同時引入了另一部分正反應(yīng)性，因此出現(xiàn)反應(yīng)性變化量大于燃料元件價值的現(xiàn)象。

表1 內(nèi)插臨界實驗的測量結(jié)果Table 1 Measurement result in interpolation critical experiment

3.4 反應(yīng)性價值測量

繼續(xù)利用周期法對模擬元件與燃料元件的價值進(jìn)行測量[14]，在臨界狀態(tài)下，利用逆動態(tài)法和落棒法對安全棒的反應(yīng)性進(jìn)行測量[15]，測量結(jié)果列于表2。

由表2可見：模擬元件、燃料元件、安全棒的反應(yīng)性測量值與計算值符合較好，偏差不大于10 pcm/根，調(diào)節(jié)棒偏差相對較大，但未超過10%；安全棒價值(絕對值)大于1 000 pcm，滿足核安全導(dǎo)則的要求；對模擬元件和燃料元件反應(yīng)性的獨(dú)立測量和計算，證明三區(qū)第3圈裝料時，拔出1根模擬元件同時插入1根燃料元件將整體引入接近90 pcm的反應(yīng)性。為減少模擬元件對實驗的影響，后續(xù)實驗采用鋯合金模擬元件代替不銹鋼模擬元件。單根元件計算結(jié)果存在一定的偏差，主要是物理計算時低估了三區(qū)剩余孔道內(nèi)不銹鋼模擬元件的影響，由于不銹鋼模擬元件會吸收三區(qū)燃料元件附近的中子，從而降低了燃料元件的價值，導(dǎo)致實驗結(jié)果偏小。

表2 模擬元件、燃料元件、安全棒、調(diào)節(jié)棒的反應(yīng)性結(jié)果對比Table 2 Comparison of reactivity result of simulation element, fuel element, safety rod and adjust rod

4 結(jié)論

啟明星Ⅱ號鉛堆堆芯首次物理啟動是完成鉛堆堆芯的裝料與達(dá)到臨界，掌握堆芯安全特性的重要階段。對燃料元件價值進(jìn)行了分析計算，提出了均勻裝料、分區(qū)外推的裝料方案；對啟動中子源與探測器的選取進(jìn)行了計算與實驗論證，確保了外推過程的安全性與準(zhǔn)確性；對臨界裝載方案、模擬元件、燃料元件、安全棒、調(diào)節(jié)棒的價值進(jìn)行了測量，為后續(xù)實驗運(yùn)行提供了重要的實驗參數(shù)與臨界裝載方案。