劉　鋒，張　巍，章秩烽，劉　洋，劉東海，李開健

ADS啟明星1號(hào)次臨界度測(cè)量研究

劉鋒，張巍，章秩烽*，劉洋，劉東海，李開健

（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）

次臨界反應(yīng)堆的反應(yīng)性測(cè)量問題，一直是實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆物理中的一個(gè)難題，且近年來越來越迫切。文章針對(duì)ADS次臨界系統(tǒng)的特征，提出了用脈沖源法結(jié)合源倍增法測(cè)量系統(tǒng)次臨界度的新思路，并在ADS啟明星1號(hào)次臨界實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)幾組不同次臨界度的測(cè)量結(jié)果來看，與理論計(jì)算結(jié)果偏差一般在600 pcm左右，確認(rèn)了該方法的有效性。

次臨界反應(yīng)堆；次臨界度；脈沖源法；源倍增法

對(duì)于次臨界反應(yīng)堆的次臨界度測(cè)量問題，一直是實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆物理中的一個(gè)難題，在深次臨界下有效增殖因子eff很難測(cè)準(zhǔn)。隨著加速器驅(qū)動(dòng)的潔凈核能系統(tǒng)（ADS）在國際核能界研究熱潮的興起，相關(guān)次臨界參數(shù)測(cè)量研究也引起廣泛重視。由于ADS不能達(dá)到臨界，所以沒有一個(gè)準(zhǔn)確的參考點(diǎn)，理論計(jì)算方法無法保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，精確地測(cè)量次臨界反應(yīng)性變得尤為重要?；诖闻R界堆加速器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和脈沖運(yùn)行兩種工作模式，采用脈沖源法測(cè)量系統(tǒng)的次臨界度較為方便。本文在傳統(tǒng)脈沖源測(cè)量方法基礎(chǔ)上，結(jié)合了源倍增法，提出了一種測(cè)量次臨界反應(yīng)性的新思路，并在啟明星1號(hào)次臨界實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了良好結(jié)果。

1　實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理

從點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)，即可推導(dǎo)得到次臨界狀態(tài)下的基波瞬發(fā)中子衰減常數(shù)的表達(dá)式[1]，

其中：

——反應(yīng)性；

——緩發(fā)中子有效份額；

Λ——中子代時(shí)間。

當(dāng)變化不大時(shí)，假設(shè)Λ近似相等，則有

次臨界狀態(tài)下，引入外中子源，由源倍增公式[2]和反應(yīng)性的定義式可以得到

其中：

0——系統(tǒng)內(nèi)無任何裂變材料時(shí)，有源狀態(tài)下的探測(cè)器計(jì)數(shù)率；

——系統(tǒng)內(nèi)裝載裂變材料后，有源狀態(tài)下的探測(cè)器計(jì)數(shù)率。

如果分別在兩個(gè)差別不大的次臨界狀態(tài)下，利用脈沖源法測(cè)量得到瞬發(fā)中子衰減常數(shù)，利用源倍增法測(cè)量有源穩(wěn)態(tài)情況下的中子計(jì)數(shù)率，則可計(jì)算出第二個(gè)次臨界狀態(tài)下以為單位的反應(yīng)性。

脈沖源法測(cè)量瞬發(fā)中子衰減常數(shù)時(shí)，可以采用加速器中子源、高壓倍加器或者小型化的中子管，使其工作在脈沖模式，選擇合適的脈沖頻率和采集頻率，將每個(gè)周期內(nèi)的測(cè)量結(jié)果疊加累積，即可得到瞬發(fā)中子衰減曲線，繼而擬合得到值[4]，如圖1所示。擬合公式為公式（7）。

脈沖頻率的選擇是使在每個(gè)測(cè)量周期=1/內(nèi)，瞬發(fā)中子成分全部衰減掉，而緩發(fā)中子不衰減。一般先估算得到的參考值，然后選擇=ln2/×，取值范圍為5～10。

測(cè)量有源穩(wěn)態(tài)情況下的中子計(jì)數(shù)率時(shí)，需要穩(wěn)定中子源。可以選擇加速器或中子管，使其工作在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式，即可提供穩(wěn)定的中子源。這在ADS的工程化應(yīng)用過程中，是比較方便、實(shí)際的選擇。外中子源也可選擇一個(gè)同位素中子源，如Am-Be中子源、252Cf中子源，通過衰變或者核反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的外源中子。在裝置首次裝料的臨界外推過程中，即可方便的測(cè)量得到不同次臨界度下的中子計(jì)數(shù)率值。

2　實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程在ADS啟明星1號(hào)次臨界實(shí)驗(yàn)裝置[5]上進(jìn)行，如圖2所示。堆芯六角形區(qū)為快區(qū)，裝滿天然鈾燃料元件，六角形外為熱區(qū)，裝載3%富集度UO2燃料元件。中子探測(cè)器選擇3He正比計(jì)數(shù)管，布置在堆芯元件區(qū)最外圈。

圖2　啟明星1號(hào)軸向橫切面與徑向橫切面示意圖

本次實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量有源穩(wěn)態(tài)情況下的中子計(jì)數(shù)率時(shí)，因次臨界外推需求，固采用同位素中子源252Cf，通過跑兔系統(tǒng)每次吹入中子源區(qū)特定位置。外推過程中利用源倍增法測(cè)量得到四種不同裝載量下的值，如表1所示。脈沖源法測(cè)量實(shí)驗(yàn)選擇D-T中子管，將中子源區(qū)跑兔管取出，放入D-T中子管。脈沖頻率設(shè)定為=200 s-1，探測(cè)器采集頻率設(shè)定為=2×105s-1。每次中子管脈沖模式下啟動(dòng)30 min左右，對(duì)應(yīng)四種裝載量下的測(cè)量曲線如圖3所示。對(duì)瞬發(fā)中子衰減曲線按照公式（7）進(jìn)行擬合。為了避免高次諧波的影響，選擇1～3 ms時(shí)間段曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果為1，然后以1.1～3.1 ms時(shí)間段曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果為2，依此類推，直到擬合完2～4 ms時(shí)間段曲線得到結(jié)果11。最后將擬合結(jié)果1～11取平均值即為最終結(jié)果。最終實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表1所示。根據(jù)公式（6）即可計(jì)算得到以為單位的反應(yīng)性。

表1　實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與反應(yīng)性計(jì)算結(jié)果

圖3　快區(qū)第6圈處不同裝載量下瞬發(fā)中子衰減曲線

3　結(jié)果分析

利用MCNP計(jì)算不同裝載量下的eff和值[6]，得到不同裝載量下反應(yīng)性的理論計(jì)算結(jié)果，見表2所示。由實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)值eff，與理論計(jì)算eff進(jìn)行比較，結(jié)果見表3所示。

表2　理論計(jì)算參數(shù)

表3　實(shí)驗(yàn)值與理論值比較

通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的比較可以發(fā)現(xiàn)，在深次臨界下該方法測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果偏差一般在600 pcm左右。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，誤差來源有以下幾方面：瞬發(fā)中子衰減常數(shù)擬合值、有源穩(wěn)態(tài)下的中子計(jì)數(shù)率、不同次臨界下代時(shí)間Λ的近似。這幾個(gè)參數(shù)對(duì)擾動(dòng)的敏感性均比較強(qiáng)。增加中子管的測(cè)量時(shí)間，即增加脈沖注入堆芯數(shù)，即可使衰減曲線更加平滑，擬合誤差更小。增加有源穩(wěn)態(tài)下探測(cè)器的采集周期和采樣數(shù)，可有效降低中子計(jì)數(shù)率的誤差。公式推導(dǎo)中忽略了代時(shí)間的變化，也會(huì)對(duì)結(jié)果引入一定誤差。

4　結(jié)論

本文應(yīng)用源倍增法和脈沖源法相結(jié)合的新思路對(duì)次臨界反應(yīng)堆啟明星1號(hào)的次臨界度進(jìn)行了測(cè)量，通過與理論計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，結(jié)果偏差較小，證明了該方法的有效性。該方法在ADS工程化應(yīng)用測(cè)量研究上，提供了一種可行性高的次臨界度測(cè)量方案，不需使用復(fù)雜的測(cè)量工具，只依靠ADS的脈沖中子源和堆上探測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)。

［1］ 羅璋琳，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，2011：122-123．

［2］ 劉鋒，史永謙，朱慶福，等．ADS啟明星1#次臨界反應(yīng)堆緩發(fā)中子有效份額的測(cè)量［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2016，50（8）：1445-1448．

［3］ 阮可強(qiáng)．核臨界安全［M］．北京：原子能出版社，2001：53-54．

［4］ 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，2011：172-173．

［5］ 史永謙，夏普，羅璋琳，等．ADS次臨界實(shí)驗(yàn)裝置-啟明星1#［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2005，39（5）：447-450．

［6］ Svetozar M，Jan H，Gabriel F．MCNP5 delayed neutron fraction calculation in training reactor VR-1［J］．Journal of Electrical Engineering，2008，59（4）：221-224．

Study on the Sub-criticality Measurement for the ADS Venus 1#

LIU Feng，ZHANG Wei，ZHANG Zhifeng*，LIU Yang，LIU Donghai，LI Kaijian

（China Institute Of Atomic Energy，P.O.Box 275-45，Beijing 102413，China）

The reactivity measurement of the subcritical reactor has always been a difficult problem in experimental reactor physics, and it has become more and more urgent in recent years. In view of the characteristics of the ADS subcritical system, a new idea of measuring the subcritical degree of the system by pulse source method combined with source multiplication method is put forward in this paper, and a measurement experiment is carried out on the subcritical device of the ADS Venus 1#. According to the measurement results of several groups of different sub-criticality, the deviation from the theoretical calculation results is generally around 600 pcm, confirming the effectiveness of this method.

Subcritical Reactor; Sub-criticality; Pulse source method; Source multiplication method

TL375.1

A

0258-0918（2022）02-0262-04

2020-12-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91126005）資助

劉 鋒（1988—），男，河北無極人，助理研究員，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆物理實(shí)驗(yàn)與核臨界安全方面研究

章秩烽，E-mail: 1664157986@qq.com