提高HFETR局部快中子注量率方法研究

徐濤忠　向玉新　楊文華　劉水清　張平　康長虎　陳啟兵

【摘 要】在6種第四代國際先進堆堆型中，有4種是快堆能譜，而驗證新堆型結構材料是否可用，必須在較高的快中子注量率下進行中子輻照，因此本文對在HFETR內布置高裂變密度輻照裝置來提高局部孔道快中子注量率方法進行了研究。本文設計的輻照裝置能夠提高HFETR內大于0.1MeV中子注量率30%以上，達到7.28E14n/cm2·s。

【關鍵詞】快中子；能譜；輻照裝置

【Abstract】In the fourth generation of international advanced reactors， four reactor types are fast reactor spectrum reactor ，although there are six reactor types. And structural material is vertified available or not after irradiation by higher fast neutron spectrum，so this paper studys the method of raising local fast neutron flux by assigning high fission density device. Irradiation rig designed in this paper raises the neutron flux（>0.1MeV） thirty percent，achieving 7.28E14n/cm2·s.

【Key words】Fast neutron； Spectrum； Irradiation rig

0 引言

第四代國際先進堆6種堆型中有4種是快堆能譜[1]，而驗證快堆結構材料是否可用，必須在較高的快中子注量率下進行中子輻照，另外提高快中子注量率可以縮短材料輻照時間，對于新堆的研發具有重大意義。綜上所述，對提高HFETR局部模擬快中子注量率方法進行研究，摸清HFETR快中子注量率水平具有重要意義。

通過在堆芯內放置高裂變密度裝置或高性能元件，可以獲得比堆芯內快中子注量率更高的快中子注量率，這種裝置至少通常至少滿足以下條件：（1）裝置內裂變密度高于堆芯燃料元件區的裂變密度；（2）裝置與堆芯各部件在機械結構上匹配，可布置在堆芯柵板位置上；（3）滿足熱工水力要求，保證裝置本身及堆芯的安全。

HFETR柵格為正三角點陣，柵元為正六邊形，因此堆內可布置占一個柵元，外徑不大于Ф6.3cm的小裝置，HFETR通常的輻照裝置呈圓筒形，因此該裝置采用平板或漸開線燃料元件會使裝置設計比較復雜，而套管、元件棒或十字形棒狀元件易于設計出結構符合HFETR柵元的輻照裝置。

1 計算程序簡介及方法

1.1 計算程序

本文采用MCNP-4C程序進行幾何結構描述和能譜計算。

1.2 計算方法

首先利用CELL程序做高裂變密度輻照裝置的微觀截面，然后燃料管理程序計算特定堆芯裝載下的臨界棒位，利用MCNP程序計算輻照樣品的能譜分布。

2 能譜分析

2.1 裝置結構及芯體材料選型

在反應堆堆芯及提棒方式等固定的情況下，輻照裝置的結構形狀及芯體成分為影響裝置內快中子注量率的主要因素。因此，一方面，需要論證燃料元件的形狀對局部快中子能譜的影響，另一方面，在保證燃料元件結構一致的情況下，研究那種芯體材料對快中子注量率的影響；根據文獻[2]可知，若輻照裝置芯體材料及U-235裝量一致，十字形棒狀元件比套管型元件及棒狀元件更能提高局部孔道的快中子注量率，因此該輻照裝置選取十字形棒狀元件（見圖1）。基于此本文研究了研究堆U3Si2-Al材料，U3O8-Al材料，UMo-Al合金材料[3]對中子能譜的影響，見圖2。由圖2可知，不同材料對高裂變密度輻照裝置內快中子能譜的影響很小，考慮到UMo-Al合金抗輻照性能更好，本文采用UMo-Al合金進行研究。綜上可知，選用芯體成分為UMo-Al合金的十字形棒狀元件易于提高局部快中子能譜，其結構及布置形式見圖1。

參照俄羅斯PIK研究堆燃料元件設計參數，來進行高裂變密度輻照裝置概念設計，燃料棒芯體采用UMo-Al合金，其中Mo含量7%，235U富集度為20%，單個十字棒U-235裝量為13.01g，圖1（a）為小輻照孔道的高裂變密度輻照裝置，外套管和內套管分別為Φ63×1.5mm和Φ24×2mm，中心為Φ20mm的輻照孔道；兩套管之間裝有62根十字形棒，各燃料棒的橫向中心間距為5.65mm，縱向間距為5mm。把內套管拆除并在該位置添加19根十字形棒，就得到裝有81根十字形棒的裝置。HFETR為正六邊形的柵元，每個柵元周圍有6個與之尺寸和結構都相同的柵元。因此，6個內裝81根十字形棒的裝置圍成一圈，中間就或得一個Φ63輻照孔道，成為大的高裂變密度輻照裝置。

2.2 HFETR高裂變密度輻照裝置內中子注量率

假定HFETR在堆芯功率為80MW的情況下，分別計算了兩種布置形式下的快中子注量率。在材料輻照中，材料對不同能量的中子敏感程度不同，通常以0.1MeV或1MeV作為材料輻照損傷的分界能。

圖3為中心孔道不帶高裂變密度輻照裝置（見圖3-a），中心孔道帶高裂變密度輻照裝置（見圖3-b），外圍孔道帶高裂變密度輻照裝置（見圖3-c），外圍及中心孔道帶高裂變密度輻照裝置（見圖3-d）下的幾何模型。

分析可知：1）中心柵元不帶高裂變密度輻照裝置時，輻照樣品內能量大于0.1MeV或1MeV的中子注量率分別為5.38 E+14n/cm2·s和2.78 E+14n/cm2·s。

2）中心柵元帶高裂變密度輻照裝置時，輻照樣品內能量大于0.1 MeV或1MeV的中子注量率分別為7.12E+14n/cm2·s和3.73E+14n/cm2·s，與不帶高裂變密度輻照裝置相比分別提高了32.4%及34.2%。

3）外圍六個柵元帶高裂變密度輻照裝置時，輻照樣品內能量大于0.1 MeV或1MeV的中子注量率分別為6.02E+14n/cm2·s和3.04E+14n/cm2·s。與不帶高裂變密度輻照裝置相比分別提高了11.8%及9.35% 。

4）外圍及中心位置七個柵元帶高裂變密度輻照裝置時，輻照樣品內能量大于0.1 MeV或1MeV的中子注量率分別為7.28E+14n/cm2·s和3.71E+14n/cm2·s。與不帶高裂變密度輻照裝置相比分別提高了35.3%及33.4%。

因此，在相同堆芯裝載的相同柵元里，高裂變密度輻照裝置可提高材料輻照能力30%以上，>0.1MeV的中子注量率為7.28E+14n/cm2·s，對于中國快堆而言，其>0.1MeV的中子注量率約為2E+15n/cm2·s[4]。其快中子注量率（>0.1MeV）為中國實驗快堆快中子注量率的36.4%。

3 熱工水力計算

3.1 燃料棒的釋熱

高裂變密度輻照裝置內能量沉積形式主要有材料與中子的作用、材料與光子的作用和核反應過程中產生的新核的衰變。以上布置方式下高裂變密度輻照裝置內單個棒的最大功率可達40kW，燃料棒的軸向功率密度分布按余弦分布。

3.2 熱工分析

HFETR燃料元件設計流速下，高裂變密度輻照裝置冷卻劑流速為9.63m/s，同時假定高裂變密度輻照裝置的入口壓力和進口水溫分別為1.4MPa 和45℃。

利用ANSYS/CFX程序計算在HFETR設計流速下高裂變密度輻照裝置內燃料棒包殼溫度分布見圖4，燃料棒芯體溫度分布見圖4。由圖4～5可見，燃料棒包殼表面的最高溫度為193.6℃，位于軸向離入口585mm處，芯體最高溫度為215℃，位于軸向離入口585mm處。溫度均小于燃料棒運行限制溫度195℃，能保證反應堆及裝置的熱工安全。

4 結論

采用蒙特卡羅計算表明，十字形燃料棒比套管形和圓柱形燃料棒更有利于提高快中子注量率，該高裂變密度輻照裝置內能量大于0.1MeV和1MeV的快中子注量率可達到7.28E+14n/cm2·s和3.71E+14n/cm2·s，比堆芯相同位置不放置高裂變密度輻照裝置時的快中子注量率提高30%以上，其快中子注量率（>0.1MeV）約為中國實驗快堆快中子注量率的36.4%。

【參考文獻】

[1]葉奇蓁，等.中國電氣工程大典，第六卷，核能發電工程[M].中國電力出版社.

[2]張平，徐濤忠，等.HFETR裂變中子轉換器設計[J].原子能科學與技術，2013，47（6）：998-991.

[3]孫榮先，解懷英.研究堆燃料的發展現狀與前景[J].核動力工程2011，45（7）：847-850.

[4]陳曉亮，等.中國實驗快堆中子能譜測量實驗研究[J].原子能科學技術，2013，47[增刊]：52：55.

[責任編輯：朱麗娜]