西安脉冲反应堆调节棒微分价值理论计算及实验研究

郭和伟,朱养妮,张信一,王立鹏,姜夺玉,潘孝兵

(1. 西安交通大学 核科学与技术学院,西安710049;2. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)



西安脉冲反应堆调节棒微分价值理论计算及实验研究

郭和伟1,2,朱养妮2,张信一2,王立鹏2,姜夺玉2,潘孝兵2

(1. 西安交通大学 核科学与技术学院,西安710049;2. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)

摘要：利用MCNP程序计算了不同燃耗下脉冲堆调节棒的微分价值, 并采用周期法实验测量了调节棒的微分价值，对比了在不同燃耗下脉冲堆调节棒的微分价值实验值和理论计算值。结果表明：随着脉冲堆燃耗的加深，调节棒在高度200 mm以下微分价值变化不明显，在高度200～390 mm时，燃耗越深，微分价值越大，理论值与实验值符合很好。

关键词：西安脉冲反应堆；燃耗；微分价值；MCNP

到目前为止, 西安脉冲反应堆[1-3]已安全运行10余年，燃耗深度约为36个满功率天(以36EFPD表示)。随着燃耗的不断加深，反应堆的能谱、功率分布会发生相应的变化，从而导致调节棒微分价值[4-6]的变化。为了掌握调节棒微分价值随燃耗的变化规律，更好地维护脉冲堆的安全运行，必须定期对调节棒的微分价值进行理论计算和实验测量。本文主要针对调节棒(简称D棒)微分价值开展理论分析与实验研究, 探索调节棒微分价值随燃耗加深的变化规律。

1理论计算方法及流程

西安脉冲反应堆由5根稳态控制棒和1根脉冲棒组成。本文采用MCNP程序主要对稳态控制棒中的D棒在冷态临界状态下进行分析和计算。D棒在脉冲反应堆中位置如图1所示。

图1西安脉冲堆调节棒布置示意图Fig.1Schematic of the adjuster rod for Xi’an Pulsed Reactor

2D棒微分价值实验测量

微分价值测量采用周期法[7-8]，即当反应堆达到临界时，提升D棒引入一定量的正反应性[9-10]，测量堆内中子通量密度增长1倍时所需的时间，即为反应堆的2倍周期。

本实验中，计算D棒各测点的微分价值时，需要对D棒的对应棒位进行计算。如图3所示，当反应堆处于冷态临界状态时，D棒由位置2提至位置1，此时测得D棒的平均周期为T，通过查阅西安脉冲堆反应性与反应堆倍增周期关系表，可以得出周期T所对应的反应性ρ。实验测量时，D棒在提升之前，需要重新调整临界，然后再开展下一段微分价值测量。D棒由hD2提升到棒位hD1，棒位变化设为ΔhD。

图2D棒微分价值计算流程图Fig.2 Flow chart of calculating the differential worth of rod D

图3棒位变化示意图Fig.3The different position of rod D

(1)

ΔhD为D棒上提所引入反应性ρ的有效距离。而D棒的微分价值αD为

(2)

式(2)中微分价值αD所对应的D棒的位置为hD，则：

(3)

这样可根据测量结果计算出一系列的(hD，αD)点，描绘出一条D棒的微分价值曲线。数据分别列于表1和表2中。

表1　　0EFPD下D棒微分价值实验值与理论值比对

表2　36EFPD下D棒微分价值实验值与理论值比对

3实验及理论计算结果比对分析

表1和表2分别给出了0EFPD下、36EFPD下D棒理论微分价值与实验微分价值的比对结果。其中理论计算的keff的标准偏差为8×10-5。由表1和表2可知，除了在棒位顶端和末端位置均出现较大的偏差以外，其余大部分偏差均在10%左右。D棒理论微分价值与实验微分价值在棒位顶端和末端位置均出现较大的偏差的原因：一是在调节棒顶端及末端位置时，调节棒的微分价值相对较小，测量和计算引入了较大的误差；二是实验测量每次提升D棒时需要重新调整临界，而理论计算没有此过程。根据表1和表2中得到的D棒微分价值，利用式(2)，即可得到0EFPD、36EFPD下D棒理论计算积分价值分别为2 634.73 PCM，2 690.44 PCM，与相应实验积分价值2 733.7 PCM，2 624 PCM的偏差分别为-3.62%和2.5%，符合非常好。以上D棒微分价值的实验值与理论值的比对及其积分价值的实验值与理论值的比对，说明了理论计算方法是正确的，计算结果与实验符合较好，该方法可以用于脉冲堆在深燃耗下的控制棒规律研究。

4不同燃耗微分价值理论计算结果分析

计算了堆芯在0EFPD、36EFPD、120EFPD下能谱变化。图4给出了D棒及附近燃料棒示意图。图5为堆芯不同燃耗下的能谱图，由图5可知，在0EFPD、36EFPD、120EFPD下，脉冲堆能谱变化不明显；图6-图8为1、2、3号燃料棒轴向中子通量密度变化情况，由图6-图8可知，D棒附近燃料棒中子通量密度发生了变化；图9表示不同燃耗下D棒微分价值。随着燃耗的加深，D棒在高度为0～200 mm时，其微分价值曲线变化不明显，但在高度为200～390 mm时，微分价值曲线发生变化，且120EFPD下微分价值比36EFPD下微分价值大，36EFPD下微分价值大于0EFPD下的微分价值。在36EFPD，120EFPD下，D棒理论计算积分价值分别为2 690.44 PCM，2 733 PCM，与0EFPD下积分价值2 733.7 PCM的偏差分别为-1.5%和-0.025%。

5结论

针对西安脉冲堆的特点，本文建立了D棒微分价值理论计算方法，通过比对不同燃耗下D棒微分价值实验值与理论值，验证了理论计算的可行性，在此基础上，利用该理论方法分析了0EFPD、360EFPD、120EFPD下的D棒微分价值的变化规律。结果表明：随着脉冲堆燃耗的加深，调节棒高度在0～200 mm时微分价值变化不明显，在高度为200～390 mm时，燃耗越深，微分价值越大，此研究结果对判断脉冲堆120EFPD后的D棒微分价值变化具有意义。

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收稿日期：2015-06-09；修回日期：2016-03-18

作者简介：郭和伟(1984- )，男, 湖北孝感人，助理研究员, 博士研究生, 主要从事核技术及应用研究。 E-mail:guohewei@nint.ac.cn

中图分类号：TL411

文献标志码:A

文章编号：2095-6223(2016)020201(6)

Calculation and Experiment of Differential Worth of Adjuster Rod for Xi’an Pulsed Reactor

GUO He-wei1,2,ZHU Yang-ni2,ZHANG Xin-yi2，WANG Li-peng2,JIANG Duo-yu2,PAN Xiao-bing2

(1. School of Nuclear Science and Technology, Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,China;. State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

Abstract：In this paper, Monte Carlo N-Particle(MCNP) program is used to calculate and analyze the differential worth of the adjuster rod(rod D) for Xi’an Pulsed Reactor with various burnup, and period method is used to measure the differential worth of rod D experimently.The experimental values of the differential worth of rod D are compared with theorical ones. The results indicate that the differential worth of rod D does not change significantly when the height of rod is less than 200 mm, and while the height of rod D is 200-390 mm, the deeper the burnup is, the greater the differential worth will be.

Key words：Xi’an Pulsed Reactor;burnup;differential worth；MCNP