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。
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。
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
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。
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)。
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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