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        反應(yīng)堆中心孔道輻照材料的中子與γ釋熱研究

        2022-03-07 05:36:30于成波高燊甫孫世杰劉旭東
        核安全 2022年1期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼

        李 敏,于成波,廖 路,徐 濤,高燊甫,孫世杰,劉旭東

        (中國核動力研究設(shè)計院,成都 610213)

        國內(nèi)某堆是根據(jù)我國核動力技術(shù)發(fā)展及工程應(yīng)用需要建設(shè)的高性能、多用途、高安全性的高通量工程試驗堆[1-4]。該反應(yīng)堆可以設(shè)置多個不同類型的輻照孔道,在建成之后,可以承擔(dān)多種輻照任務(wù)。首爐堆芯為高熱中子堆芯,僅L12中心孔道為輻照孔道。首爐在正常運行工況時,孔道會根據(jù)任務(wù)需要而放置不同材料。因此,有必要計算中心孔道放置不同材料(包括水)時,在材料上的中子、γ的釋熱率。為熱工計算提供輸入?yún)?shù),從而確保堆芯裝載的安全性。

        MCNP是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LosAlamos National Laboratory)開發(fā)的基于蒙特卡羅方法的用于計算三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的γ、中子和電子粒子輸運問題的通用軟件包,被廣泛運用于核物理計算領(lǐng)域[5-8]。例如,被用于計算高通量工程試驗堆(HFETR)典型輻照孔道樣品精細中子通量密度譜[9]和堆芯內(nèi)的γ釋熱分布與φ63 輻照孔道γ釋熱分布[10]。本文基于MCNP程序,建立了某堆首爐高熱中子堆芯模型,計算了L12中心孔道輻照T6061鋁、不銹鋼、單晶硅、鋯合金和水等材料,材料軸向高度的平均中子與γ的釋熱率分布。這些結(jié)果為反應(yīng)堆及輻照材料上的熱工計算提供了參考及參數(shù)輸入。

        1 分析方法及模型建立

        1.1 分析方法

        圖1 MCNP程序使用步驟Fig.1 Use steps of MCNP program

        本次計算中,中子與γ的釋熱率選用柵元能量沉積卡F6來分析。F6卡可以用公式1.1來描述[11]。

        式中:

        Ht為柵元中的總能量沉積;

        ρ為柵元材料原子密度;

        m是柵元質(zhì)量;

        H(E)為碰撞數(shù);

        Ψ(為通Ψ量,σ為反應(yīng)截面。

        212 西南地區(qū)部隊官兵 55型人腺病毒中和抗體的研究 劉 媛,王文博,鄒自英,范泉水,馮子良,熊 杰

        由于F6卡只能得出歸一化值,實際值則需要乘上相應(yīng)的系數(shù),該系數(shù)由公式1.2得出。

        式中:

        P為反應(yīng)堆功率;

        Et為用MCNP計算得出的整個活性區(qū)吊籃內(nèi)的總能量沉積;

        Keff為此時的K有效值。

        源項選擇臨界源卡KCODE(kcode 20000 1.0 50 500),表示為每次迭代源大小是20000個中子,初始Keff=1,忽略前50次迭代,總共迭代500次。配合源點卡KSRC(ksrc -20.17 0 50)表示初始裂變源點坐標(biāo)為X=-20.17,Y=0,Z=50。

        物理模型的建立則需要運用相應(yīng)的卡片來減少工作量。本次計算用到的卡片包括Universe、LIKE、BUT、TRCL、LAT、FILL等卡。該類卡可實現(xiàn)重復(fù)結(jié)構(gòu)建模和堆芯裝載填充,能極大簡化建模過程。

        1.2 堆芯模型

        首爐裝載為高熱堆芯裝置,堆芯活性段高度為1000 mm,共有308個柵元,其中包括290個標(biāo)準(zhǔn)柵元及18個控制棒組件柵元。標(biāo)準(zhǔn)柵元中共有40根新燃料組件與其他相關(guān)組件呈規(guī)則的正三角形緊密排列。燃料組件由多層同心圓套管組成,外部為鋁包殼,中心為實心鋁棒。燃料元件的235U的富集度為19.75%。燃料組件占用的柵元中穿插著控制棒組件柵元,控制棒吸收體材料為Ag-In-Cd,長度為800 mm。其下部有長度為200 mm 的不銹鋼過渡段和長度為1000 mm 的鈹跟隨體。燃料組件邊緣分布有少量的鈷靶作為靶材和中子的吸收體,其鈷為鈷粒,裝填在T6061鋁環(huán)狀包殼中。除上述各組件和L12中心輻照孔道占據(jù)的柵元外,其余位置根據(jù)需要布置鈹組件或鋁組件。

        L12中心輻照孔道的內(nèi)徑為69 mm,其中放置著外徑為69 mm,內(nèi)徑為61 mm的輻照裝置,輻照裝置的材料是T6061鋁,如圖2所示。

        圖2 φ69輻照裝置Fig.2 φ69 irradiation device

        首爐裝載時,輻照裝置中會輻照某些材料,所以此計算考慮了材料為單晶硅、不銹鋼(06Cr18Ni11Ti)、T6061鋁、鋯合金(Zr-4)等的情況,也考慮了輻照裝置腔中全為水的情況。建模時,假設(shè)這些材料為圓柱狀,高為1000 mm,直徑為57 mm,放置在輻照裝置中,且正好處在堆芯活性區(qū)。同時為方便分析中子與γ在材料上的釋熱率分布,將材料每10 mm劃分為1段,共劃分為100段。如圖3所示。

        圖3 活性區(qū)內(nèi)的材料與輻照裝置Fig.3 Materials and irradiation device in the active zone

        2 計算結(jié)果

        2.1 中子釋熱率

        基于首爐裝載,計算了0~20 MeV能量區(qū)間內(nèi),中心孔道中不銹鋼、單晶硅和T6061鋁、鋯合金(Zr-4)與水上每一段的中子平均釋熱率,結(jié)果如圖4所示。

        圖4為0~20 MeV能量區(qū)間上的中子在樣品上的平均釋熱率,呈現(xiàn)邊緣低中間高的分布,但平均釋熱率最大值并不在活性區(qū)的中心[第50~51段之間(500 mm左右)],而是偏活性區(qū)中心的下方,第30~32段范圍內(nèi)(310 mm左右)。這是由于個別控制棒的棒位在活性區(qū)中部,上部的強吸收體吸收中子,下部的鈹跟隨體具有慢化能力,且具有光激中子效應(yīng),從而造成了中子通量分布的改變,最終導(dǎo)致了中子平均釋熱率在材料上分布的變化。

        圖4 中子平均釋熱率分布,a中材料為不銹鋼、單晶硅和T6061鋁;b中材料為鋯合金(Zr-4)、水Fig.4 Neutron average heat release rate distribution,the material in a is stainless steel,single crystal silicon and T6061 aluminum,and the material in b is zirconium alloy (Zr-4),water

        圖4中,中子在水中的平均釋熱率最大,其次是鋯合金、T6061鋁和單晶硅,最小的是不銹鋼。這是由于各能量區(qū)間中子與材料反應(yīng)的宏觀截面∑不同,導(dǎo)致了各材料上中子釋熱率的差異(具體中子在材料各元素上的微觀截面見ENDF/B)。由計算結(jié)果得出材料310 mm左右為中子最大釋熱率點,各材料上的最大釋熱如表1所示。

        表1 材料上的最大中子平均釋熱率Table 1 Maximum neutron average heat release rate on the materials

        2.2 γ釋熱率

        基于首爐裝載,同樣計算了0~200 MeV能量區(qū)間內(nèi),中心孔道中不銹鋼、單晶硅和T6061鋁、鋯合金(Zr-4)與水上每一段的γ平均釋熱率,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 γ平均釋熱率分布Fig.5 Distribution of average heat release rate of γ

        圖5所示,0~200 MeV能量區(qū)間上的γ在樣品上的平均釋熱率同樣呈現(xiàn)邊緣低、中間高的分布,平均釋熱率最大值也并不在活性區(qū)的中心,而是偏活性區(qū)中心的下方,第30~32段范圍內(nèi)(310 mm左右)。原因和中子的平均釋熱率相同。

        圖5所示的結(jié)果中,γ在不銹鋼上的平均釋熱率最大,其次是水、T6061鋁和單晶硅,最小的是鋯合金。這同樣由于各能量區(qū)間γ與材料反應(yīng)的宏觀截面∑不同導(dǎo)致了各材料上γ釋熱率的差異(具體γ在材料各元素上的微觀截面見ENDF/B)。材料上310 mm左右為γ最大釋熱率點,各材料上的最大γ平均釋熱率如表2所示。

        表2 材料上的最大γ平均釋熱率Table 2 Maximum average heat release rate of γ on the materials

        從整個計算結(jié)果可以看出,在孔道中的同一材料上,γ光子相較中子的釋熱占的比重更大,是材料發(fā)熱的主要因素。

        3 結(jié)論

        本文運用MCNP程序,計算了某堆首爐高熱堆芯布置下,L12中心孔道內(nèi)的輻照裝置中,輻照不銹鋼、單晶硅和T6061鋁、鋯合金(Zr-4)遇水時的中子及γ平均釋熱率,發(fā)現(xiàn)在活性區(qū)軸向高度0~1000 mm的各材料上,中子與γ的最大釋熱率點出現(xiàn)在軸向高度310 mm處,此處的中子與γ最大釋熱率見表1和表2。在同一材料上,相較于中子,γ光子的釋熱占比更重,是材料發(fā)熱的主要因素。0~20 MeV能量區(qū)間,中子在水中的平均釋熱率最大,其次是鋯合金、T6061鋁和單晶硅,最小的是不銹鋼。0~ 200 MeV能量區(qū)間,γ在不銹鋼上的平均釋熱率最大,其次是水、單晶硅和T6061鋁,最小的是鋯合金。這些結(jié)果為熱工計算提供了參數(shù)輸入,指出了中子及γ光子在不同材料上的釋熱率區(qū)別,對于核反應(yīng)堆的安全運行有重要意義。

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