中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆某輻照實(shí)驗(yàn)組件燃耗分布測(cè)量

陳效先，陳曉亮，趙階成，李 海，梁 松，胡 曉，段馨竹，章秩烽

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造和調(diào)試的第一座鈉冷快中子反應(yīng)堆，其熱功率為65 MW，電功率為20 MW[1]。CEFR于2010年首次達(dá)到臨界，2011年完成40%功率并網(wǎng)發(fā)電，目前正在進(jìn)行滿(mǎn)功率發(fā)電前的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。CEFR最大中子通量密度為3.15×1015cm-2·s-1，最大快中子通量密度為2.15×1015cm-2·s-1，CEFR是一座優(yōu)良的輻照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可開(kāi)展燃料、材料輻照考驗(yàn)，同位素生產(chǎn)等多種輻照實(shí)驗(yàn)。

目前在CEFR中已開(kāi)展了快堆結(jié)構(gòu)材料、同位素生產(chǎn)研究等輻照實(shí)驗(yàn)。為了解CEFR堆芯不同位置的輻照性能，驗(yàn)證快堆堆芯燃耗計(jì)算程序，對(duì)CEFR某一燃料實(shí)驗(yàn)組件進(jìn)行相對(duì)燃耗分布測(cè)量，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為后續(xù)在CEFR中開(kāi)展各種類(lèi)型的輻照實(shí)驗(yàn)，確定乏燃料組件燃耗奠定基礎(chǔ)。

1 測(cè)量介紹

1.1 相對(duì)燃耗測(cè)量原理

燃耗測(cè)量對(duì)于驗(yàn)證堆芯燃料管理和設(shè)計(jì)，確定燃料組件的燃料損傷或燃料特性等方面均有十分重要的意義[2-4]。對(duì)反應(yīng)堆的乏燃料組件或燃料實(shí)驗(yàn)組件的燃耗測(cè)量已逐步發(fā)展了多種方法，一般分為無(wú)損方法和破壞性方法[5-8]。無(wú)損方法就是通過(guò)γ掃描等非破壞性的方法對(duì)燃料元件中裂變產(chǎn)物進(jìn)行相對(duì)或絕對(duì)活度測(cè)量，通過(guò)組件在堆內(nèi)的輻照功率史，確定燃料組件的燃耗[9-12]。其中通過(guò)測(cè)量燃料中裂變產(chǎn)物活度，如137Cs活度，來(lái)確定實(shí)驗(yàn)組件相對(duì)燃耗就是一種常見(jiàn)的無(wú)損測(cè)量方法[13-15]。雖然快堆中子能譜相比熱堆有較大差異，但各種裂變材料生成137Cs的裂變產(chǎn)額仍較高，在快堆中仍可采用137Cs活度來(lái)確定燃料組件的燃耗分布。

組件燃耗可由式(1)來(lái)確定：

(1)

在相對(duì)燃耗分布測(cè)量中，對(duì)137Cs活度測(cè)量處于相同的測(cè)量條件下，式(1)中的γ射線(xiàn)的探測(cè)效率、自吸收修正均為同一值，因此組件不同位置處的燃耗就正比于不同位置測(cè)量得到的137Cs γ射線(xiàn)的活度。

1.2 輻照實(shí)驗(yàn)組件

輻照實(shí)驗(yàn)組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。輻照實(shí)驗(yàn)組件由操作頭、上過(guò)渡接頭、燃料元件棒、六角管、下過(guò)渡接頭及管腳構(gòu)成。輻照實(shí)驗(yàn)組件內(nèi)部由7根燃料元件棒構(gòu)成。輻照實(shí)驗(yàn)組件可在CEFR初始檢驗(yàn)熱室開(kāi)展組件解體的操作。組件解體后，可將燃料元件棒從六角管中取出，開(kāi)展外形尺寸檢查、表面檢查及相對(duì)燃耗分布測(cè)量等工作。

圖1 輻照實(shí)驗(yàn)組件的結(jié)構(gòu)Fig.1 Irradiation test subassembly structure

1.3 相對(duì)燃耗測(cè)量裝置

CEFR設(shè)置有初始檢驗(yàn)熱室，可開(kāi)展組件解體、表面檢查、外形尺寸測(cè)量等工作。熱室內(nèi)還安裝有開(kāi)展元件相對(duì)燃耗分布測(cè)量的裝置，測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)量裝置主要由軌道小車(chē)、準(zhǔn)直器及高純鍺探測(cè)器構(gòu)成。從解體的輻照組件中取出待測(cè)的燃料元件棒，固定在軌道小車(chē)上。軌道小車(chē)可在傳動(dòng)履帶的帶動(dòng)下在水平方向上平行移動(dòng)。在熱室屏蔽墻中設(shè)置有準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器中準(zhǔn)直孔的一端正對(duì)軌道小車(chē)上的燃料元件棒，另一端正對(duì)高純鍺探測(cè)器。

圖2 相對(duì)燃耗分布測(cè)量裝置示意圖Fig.2 Scheme of relative burn-up distribution measuring equipment

2 測(cè)量過(guò)程

輻照后的實(shí)驗(yàn)組件經(jīng)清洗后轉(zhuǎn)運(yùn)至熱室，利用熱室的切割裝置將實(shí)驗(yàn)組件兩端解體，取出其中的燃料元件棒。利用機(jī)械手將燃料元件棒固定在軌道小車(chē)上。

由于輻照實(shí)驗(yàn)組件輻照時(shí)間較短，燃耗較淺，為提高探測(cè)器的有效計(jì)數(shù)，減少測(cè)量時(shí)間，將準(zhǔn)直孔狹縫截面調(diào)整至2 mm ×7 mm，并將高純鍺探測(cè)器緊貼準(zhǔn)直孔的一端。

燃料元件棒活性區(qū)尺寸為80 cm，為確保燃耗測(cè)量均勻，設(shè)置40個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每2 cm設(shè)置1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。軌道小車(chē)設(shè)置有標(biāo)尺，通過(guò)小車(chē)控制系統(tǒng)可使燃料元件棒待測(cè)位置與準(zhǔn)直孔對(duì)齊。

利用高純鍺探測(cè)器測(cè)量由燃料元件棒發(fā)出并經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直孔的137Cs的活度，即可得到該位置的相對(duì)燃耗。為保證137Cs活度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)偏差小于2%，測(cè)量過(guò)程中需要137Cs 662 keV光峰面積大于4 000個(gè)計(jì)數(shù)。

選擇實(shí)驗(yàn)組件內(nèi)兩個(gè)典型位置的燃料元件棒，即4#及6#燃料元件棒，對(duì)其活性段的相對(duì)燃耗分布進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果及討論

圖3示出4#及6#燃料元件棒在不同軸向位置處的相對(duì)燃耗分布。由圖3可看出，4#及6#燃料元件棒不同位置的相對(duì)燃耗分布較為連續(xù)，未出現(xiàn)銳利的峰值，表明燃料元件棒內(nèi)部芯塊成分及位置分布較為均勻。相對(duì)燃耗分布并不對(duì)稱(chēng)，這主要是由于CEFR內(nèi)燃料區(qū)設(shè)置有高度不一致的上轉(zhuǎn)換區(qū)及下轉(zhuǎn)換區(qū)導(dǎo)致的。燃料元件棒燃耗分布曲線(xiàn)的峰值相對(duì)平坦，峰值出現(xiàn)在活性區(qū)中心偏向下轉(zhuǎn)換區(qū)的位置，這與實(shí)驗(yàn)組件所在位置的中子通量密度分布有關(guān)。

圖3 燃料元件棒不同位置的相對(duì)燃耗Fig.3 Relative burn-up in different positions of fuel element rods

在圖3的某些測(cè)點(diǎn)位置，相對(duì)燃耗出現(xiàn)了局部漲落，這可能是由于該位置恰好處于燃料元件棒中兩個(gè)芯塊的接觸位置，導(dǎo)致燃耗相比其他位置存在一定的差異。

兩根燃料元件棒雖處于實(shí)驗(yàn)組件的不同位置，但相對(duì)燃耗分布基本一致，表明在實(shí)驗(yàn)組件內(nèi)部不同位置，軸向功率分布差異不大。理論模擬采用MCNP和ORIGEN2的耦合程序Mx_o進(jìn)行三維燃耗計(jì)算，Mx_o的數(shù)據(jù)庫(kù)文件Mx_o_Data0、Mx_o_Data1、Mx_o_Data2分別對(duì)應(yīng)ORIGEN2文件中3種核素的分類(lèi)，即活化產(chǎn)物、錒系核素與裂變產(chǎn)物。通過(guò)程序計(jì)算CEFR滿(mǎn)功率運(yùn)行1個(gè)周期冷卻2 a后的相對(duì)燃耗[15]。

由圖3可看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算結(jié)果在大部分區(qū)域符合較好，在上轉(zhuǎn)換區(qū)及下轉(zhuǎn)換區(qū)某些位置兩者出現(xiàn)一定偏差，可能是由于理論計(jì)算中用于燃耗計(jì)算的組件柵元高度設(shè)置較大，未能體現(xiàn)柵元中中子能譜變化較大的情況，中子能譜的變化會(huì)導(dǎo)致137Cs裂變產(chǎn)額發(fā)生變化。

燃耗分布測(cè)量中的主要誤差包括軌道小車(chē)定位的誤差及137Cs活度測(cè)量的誤差。由于軌道小車(chē)在測(cè)試中出現(xiàn)故障，未能采用定位較準(zhǔn)確的自動(dòng)運(yùn)行方式，采用了誤差較大的手動(dòng)定位方式，通過(guò)對(duì)某一位置多次重復(fù)定位測(cè)量，處理得到小車(chē)定位不準(zhǔn)導(dǎo)致的相對(duì)誤差在10%左右。137Cs活度測(cè)量也會(huì)對(duì)結(jié)果引入一定誤差，這主要是由γ峰面積的統(tǒng)計(jì)誤差導(dǎo)致的。在實(shí)際測(cè)量中，137Cs 662 keV光峰面積的計(jì)數(shù)均在4 000以上，確保其統(tǒng)計(jì)誤差均在2%以?xún)?nèi)。綜合上述誤差來(lái)源，該實(shí)驗(yàn)組件燃耗分布測(cè)量的相對(duì)誤差在10.2%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)論

本工作在CEFR上建立了開(kāi)展輻照實(shí)驗(yàn)組件相對(duì)燃耗分布測(cè)量的系統(tǒng)，對(duì)CEFR首個(gè)出堆的實(shí)驗(yàn)組件進(jìn)行了相對(duì)燃耗分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算結(jié)果符合較好，實(shí)驗(yàn)組件燃耗分布測(cè)量的相對(duì)誤差在10.2%以?xún)?nèi)。