充硼堆芯的臨界試驗研究

牛江++黃禮淵++代啟東

摘 要：該試驗基于臨界堆芯的充硼試驗，充硼試驗指的是向臨界堆芯中逐漸添加硼酸溶液，并通過提升某組控制棒來補償硼酸所引入的負反應(yīng)性，以使堆芯再次返回臨界狀態(tài)。在對該堆芯進行充硼試驗的過程中，針對多個臨界堆芯狀態(tài)的測點進行試驗，使堆芯硼濃度從零逐漸增加，并通過提升控制棒而維持堆芯在不同硼濃度情況下的臨界狀態(tài)，試驗時利用數(shù)字反應(yīng)性儀判定堆芯臨界狀態(tài)，記錄各臨界狀態(tài)下的硼濃度及臨界棒位，并將試驗結(jié)果與MCNP的計算結(jié)果相比較。

關(guān)鍵詞：臨界堆芯 充硼試驗 數(shù)字反應(yīng)性儀 MCNP

中圖分類號：TL48 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0045-04

Critical Experiment Research of Boron-filling Core

Niu Jiang Huang Liyuan Dai Qidong

（Reactor Engineering Research Division， Nuclear Institute of China， Cheng du Sichuan， 610041， China）

Abstract：The experiment is based on boron-filling experiment. Boron-filling experiment means adding boron solution into critical core， and elevating control rod to offset the negative reactivity which brought by boron， then making the core return to critical state. In the process of boron-filling experiment， research was carried out for multiple critical core. With increase of boron concentration， control rod was pulled out to make the core critical in different boron state. During the experiment， digital reactivity meter was used to judge whether the core was critical. Boron concentration and control rods critical position were recorded， then the experiment results were compared to MCNPs results.

Key Words：Critical core； Boron-filling experiment； Digital reactivity meter； MCNP

該試驗所使用的數(shù)字反應(yīng)性儀基于逆動態(tài)方法跟蹤堆芯在臨界狀態(tài)附近的動態(tài)反應(yīng)性，可通過在控制臺上微調(diào)控制棒，監(jiān)測反應(yīng)性儀可視化界面的反應(yīng)性曲線變化，最終確定堆芯處于臨界狀態(tài)（反應(yīng)性ρ=0）。數(shù)字反應(yīng)性儀采用γ補償電離室將中子計數(shù)轉(zhuǎn)換成電流信號進行記錄并處理。該試驗的目的是完成充硼試驗，在逐漸增加堆芯硼濃度的過程中，可利用數(shù)字反應(yīng)性儀給出不同硼濃度狀態(tài)下堆芯的臨界棒位。

1 方法原理

1.1 逆動態(tài)方法測量反應(yīng)性

該試驗主要利用數(shù)字反應(yīng)性儀對堆芯進行反應(yīng)性測量，而數(shù)字反應(yīng)性儀基于逆動態(tài)方法，逆動態(tài)方法的原理如下：

由點堆動力學(xué)方程（1）：

（1）

其中：N（t）為t時刻堆內(nèi)的平均中子密度，ρ（t）為t時刻的反應(yīng)性；β為緩發(fā)中子的總份額，為第i組緩發(fā)中子的份額；為中子代時間；為第i組衰變常數(shù)；Ci（t）為第i組緩發(fā)中子先驅(qū)核的濃度。

經(jīng)過一系列推導(dǎo)，可得出反應(yīng)堆剛啟動或已停止運行很長時間后的反應(yīng)性求解公式（2）：

（2）

公式（2）中的λi及βi為常數(shù)，時間t及τ為可控變量，中子密度N（t）為待測參數(shù)，因此，只要控制好時間變量，并測量中子密度N（t）隨時間的變化，即可得出單位為元（1個β）的反應(yīng)性。

該試驗中的數(shù)字反應(yīng)性儀基于逆動態(tài)方法來判定堆芯的臨界狀態(tài)，數(shù)字反應(yīng)性儀的探測器采集到中子計數(shù)時，將產(chǎn)生與中子計數(shù)成正比的電流信號，當產(chǎn)生的電流信號不隨時間發(fā)生變化時，即可確定堆芯此時已處于臨界狀態(tài)。

1.2 硼效應(yīng)

該試驗向堆芯中注入的硼溶液含10B，10B原子具有很大的熱中子反應(yīng)截面（如圖1所示），由于主要靠熱中子與裂變材料發(fā)生裂變反應(yīng)而產(chǎn)生能量，故向堆芯引入的10B吸收大量熱中子時，會降低熱中子與裂變材料的反應(yīng)幾率而引入負反應(yīng)性，即引入負反應(yīng)性效應(yīng)。

2 試驗實施

2.1 試驗裝置

該試驗裝置為零功率物理試驗堆芯，其由堆桶、核測系統(tǒng)、控制保護系統(tǒng)、棒控系統(tǒng)、劑量監(jiān)測系統(tǒng)、慢化劑回路系統(tǒng)及操縱臺等構(gòu)成。燃料組件的芯塊材料UO2，控制棒材料為鉿。如圖2所示，試驗堆芯包含九盒燃料組件，組件內(nèi)的控制棒包括S1、S2安全棒和C1、C2手動棒，組件由2 cm后的堆芯圍板包圍，圍板與堆桶之間充滿了水慢化劑。

2.2 試驗過程

該試驗過程的步驟是：（1）堆芯不含硼時，利用數(shù)字反應(yīng)性儀及堆上儀表監(jiān)測堆芯狀態(tài)，將S1、S2、C1均提升至堆頂，然后提升C2棒而使反應(yīng)堆達臨界；（2）向堆芯注入硼酸溶液，注入一定量硼酸溶液后，可引入負反應(yīng)性效應(yīng)而使堆芯處于次臨界狀態(tài)，此時可分段提升C2棒，使反應(yīng)堆再次返回臨界；（3）重復(fù)步驟（2），直至將C2棒提升至堆頂附近。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 堆芯建模

MCNP為美國Los Alamos國家實驗室（LANL）開發(fā)的一種三維多粒子輸運程序，其可用于模擬中子、光子、電子等輸運模型，尤其適用于反應(yīng)堆的臨界計算模型。MCNP程序可對燃料組件、堆內(nèi)結(jié)構(gòu)及反射層等進行精確建模，MCNP在反應(yīng)堆臨界計算中的應(yīng)用經(jīng)受了國內(nèi)外多次試驗驗證，其給出的有效增殖系數(shù)Keff得到了廣泛認可。

在利用MCNP對該試驗堆芯（如圖2所示）進行建模時，利用MCNP的柵元卡及曲面卡依次按照燃料柵元、燃料組件、堆芯、反射層、圍板、堆桶的順序進行精確描述，并設(shè)置控制棒的提升高度可調(diào)節(jié)。將試驗過程中每次充硼后的試驗臨界棒位及硼濃度作為輸入，寫入利用MCNP5所建立的模型之中，進行臨界計算，得出當前棒位下的有效增殖系數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

表1給出了根據(jù)各測點的實際臨界棒位和根據(jù)該棒位所計算出的增殖系數(shù)及計算偏差，可以看出，隨著硼濃度的增加，需要逐步提升C2棒來維持反應(yīng)堆臨界。圖3為各測點的計算增殖系數(shù)（Keff）變化圖，可看出整個充硼過程的增殖系數(shù)誤差控制在2‰（約200 pcm）以內(nèi)，圖4為各測點計算增殖系數(shù)（Keff）的計算偏差變化圖，最大計算偏差為1‰。由于數(shù)字反應(yīng)性儀基于逆動態(tài)方法判定堆芯達臨界時，控制臺上的周期表指向無窮大且功率表處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時，利用試驗臨界棒位及硼濃度作為輸入的蒙特卡洛程序計算結(jié)果也呈臨界狀態(tài)，故堆芯建模是準確的。

4 結(jié)語

在反應(yīng)堆堆芯充硼臨界試驗過程中，隨著硼濃度的增加，堆芯由臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)入次臨界狀態(tài)，故硼具有負反應(yīng)性效應(yīng)，需要通過提升控制棒而使堆芯再次達臨界。通過對堆芯進行多次充硼，最終將所有控制棒提出堆外，使反應(yīng)堆僅在硼溶液的作用下達臨界，此時，可排除控制棒棒間干涉對反應(yīng)性測量的影響。利用數(shù)字反應(yīng)性儀基于逆動態(tài)跟蹤方法判定反應(yīng)堆的臨界狀態(tài)，其臨界判定偏差很小，方法直接，能夠有效提高試驗效率，且對試驗過程中硼微積分價值、控制棒微積分價值等試驗數(shù)據(jù)測量精度的提高有很大幫助。通過將試驗結(jié)果與計算結(jié)果相比較，可以看出，數(shù)字反應(yīng)性儀適用于不同硼濃度的臨界堆芯。

參考文獻

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