啟明星Ⅱ號中子吸收體反應性價值測量

陳效先，王 璠，周 琦，朱慶福

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

針對我國重金屬鉛-鉍冷卻先進核能系統的研發及工程化設計驗證[1-2]，中國原子能科學研究院自主研制了啟明星Ⅱ號雙堆芯零功率裝置，一個堆芯為由中心中子源驅動的水冷(熱譜)堆芯，另一個為中心中子源驅動的鉛冷(快譜)堆芯，這兩個堆芯具備驗證加速器驅動的次臨界系統(ADS)次臨界反應堆物理設計中所使用的計算程序和核數據的要求[3-4]。該裝置集成化高，具有固有安全性、堆芯靈活多變、控制簡單、設備運行可靠等特點。本文在鉛冷(快譜)堆芯進行不銹鋼中子吸收體價值測量研究，對ADS次臨界反應堆設計中使用的理論計算程序和核數據進行驗證。

1 實驗原理

在鉛冷堆芯中，采用不銹鋼元件作為中子吸收體。利用反應堆功率上升的周期法測量不銹鋼元件的反應性價值[5-6]。

1.1 周期法測量反應性價值原理

當反應堆內加入一個恒定的反應性時，根據點堆動力學方程[7-8]可得到反應性特征方程為：

(1)

其中：ρ0為加入反應堆的恒定反應性；Λ為反應堆內的中子代時間；ω為特征方程的特征值；βi和λi分別為緩發中子的有效份額和先驅核衰變常量；i為第i組緩發中子。

當加入的反應性使反應堆處于超臨界狀態時，反應堆功率按特征值發生變化，而在特征值中的瞬變項衰減后反應堆功率將按一穩定的周期(即漸進周期T)發生變化，那么反過來測量漸進周期T就可由特征方程計算出加入的恒定反應性ρ0。用漸進周期T更換1/ω，由式(1)可得到倒時方程：

(2)

其中，βeff，i為第i組有效緩發中子份額。

漸進周期T是反應堆功率上升e倍所用的時間，在進行實驗時，測量較為方便的是功率上升1倍所用的時間即倍周期Td，使用倍周期Td代替漸進周期T，則式(2)可變為用倍周期表示的倒時方程：

(3)

對于式(3)中的參數，Λ和βeff，i可用理論方法計算得到，λi對于給定的反應堆易裂變材料是已知參數，可查表給出。則根據式(3)，就可通過功率測量裝置指示儀表進行倍周期Td的測量，得到反應性。

1.2 不銹鋼元件反應性價值測量方法

通過測量反應堆內某一位置處有或無不銹鋼元件的反應性，兩次反應性的差值即為該位置的不銹鋼元件的反應性價值。每次測量的反應性通過功率增長的倍周期推算得出。

由于不銹鋼元件為中子吸收體[7-8]，其在堆內為負的反應性價值，因此需根據之前的臨界裝載量，尋找一合適的堆芯裝載狀態，使得反應堆在有無不銹鋼元件時，均處于25～200 s之間的某個周期，以便于周期法測量。

2 實驗裝置及測點布置

2.1 鉛冷堆芯簡介

啟明星Ⅱ號零功率裝置的鉛冷堆芯使用235U富集度為20%和90%的兩種燃料元件作為核燃料。燃料元件由平臺支撐，富集度為90%的燃料靠內、富集度為20%的靠外，以同心圓的排布方式圍繞堆芯中心的中子源區排列15圈，其中12圈內的元件插入模擬鉛冷卻的堆芯內，3圈內的元件插入模擬水冷卻的聚乙烯內。在鉛冷堆芯的內4圈為富集度為90%的燃料，共101根；外8圈為富集度為20%的燃料，共382根。在鉛堆芯外3圈聚乙烯內有565個空位可插入富集度為20%的燃料元件，最外圈的燃料元件數可根據實驗要求而變化。所以堆芯可分為3區，第1區為鉛冷卻劑所裝的4圈富集度為90%的燃料元件(101根)，第2區為鉛冷卻劑所裝的8圈富集度為20%的燃料元件(382根)，第3區為聚乙烯所裝的3圈富集度為20%的燃料元件。活性區中子源區為圓桶狀的空腔結構，頂部設有頂蓋以防止物體跌入，堆芯反射層由3部分組成，下反射層為300 mm厚的石墨，側反射層為800 mm厚的石墨，上反射層為191.5 mm厚的金屬鈹和聚乙烯。反應堆的安全棒與調節棒布置在石墨反射層內，分別使用碳化硼和鎘作為中子吸收體，均為棒狀結構。鉛冷堆芯的整體示意圖如圖1所示。

2.2 鉛冷堆芯燃料元件

鉛冷堆芯的平面布置如圖2所示。燃料元件為235U富集度為20%的U3O8粉末裝在鋁包殼內，每根元件裝載燃料(22.5±0.1) g，密度為4.47 g/cm3，活性區長度為400 mm，直徑為4 mm，鋁包殼外徑為6 mm。為防止U3O8粉末從鋁包殼內意外泄漏，在鋁包殼外包裹1層外徑為7 mm、壁厚為0.3 mm的Zr-4合金管進行封裝。為減少燃料元件頂端的中子泄漏，在燃料元件的上端還需增加聚乙烯材料作為反射層，封裝后的燃料元件橫截面如圖3所示。

圖1 鉛冷堆芯整體示意圖Fig.1 Overall schematic diagram of lead-cooled core

圖2 滿裝載下鉛冷堆芯燃料排布方式Fig.2 Arrangement of lead-cooled core fuel under full load

圖3 富集度為20%的燃料元件示意圖Fig.3 Scheme of fuel component with enrichment of 20%

2.3 不銹鋼元件

不銹鋼元件作為中子吸收體，其外部結構尺寸與圖3所示的燃料元件相同，內部為實心不銹鋼材料。

圖4 不銹鋼元件的測量位置Fig.4 Measurement position of stainless steel component

不銹鋼元件的測量位置如圖4所示，分別選在堆芯第5、7、9、12～14圈的基準線第1根燃料元件位置，共6處。在實驗測量時，將基準線上的元件拔出，測量元件拔出后和在拔出位置加入不銹鋼元件的反應性價值。

3 實驗測量結果與分析

利用周期法得到6個不同位置處有無不銹鋼元件時的反應堆功率上升的倍周期[9-10]，利用倒時方程(式(3))制作的周期-反應性表得出所測周期對應的反應性，從而推算出該位置處的不銹鋼元件反應性價值，實驗結果列于表1。

使用蒙特卡羅程序MCNPX對所測量6個位置的不銹鋼元件反應性價值進行了理論計算[11-16]，理論計算結果與實驗測量的反應性價值比較如圖5所示。

由圖5可見，測量結果與理論結果符合良好，雖然第14圈位置偏差較大，接近10 pcm，但其余均不大于5 pcm。由于單個不銹鋼元件的反應性價值較小，盡管最大偏差為10 pcm，但此計算結果對驗證理論計算程序和核數據已足夠精確。

表1 不銹鋼元件反應性價值Table 1 Reactivity value of stainless steel component

圖5 不銹鋼元件的反應性價值比較Fig.5 Reactivity value comparisonof stainless steel component

4 結論

利用周期法對啟明星Ⅱ號零功率裝置的鉛冷堆芯內不同位置不銹鋼吸收體反應性價值進行測量，吸收體的反應性價值隨元件與中心徑間距離的增加而降低，同時利用MCNPX程序進行了反應性價值計算，實驗測量結果與理論計算的反應性價值接近，變化趨勢相互吻合。本文實驗結果驗證了ADS次臨界反應堆物理設計中使用的計算程序和核數據。