提高HFETR局部快中子注量率方法研究

徐涛忠　向玉新　杨文华　刘水清　张平　康长虎　陈启兵

【摘 要】在6种第四代国际先进堆堆型中，有4种是快堆能谱，而验证新堆型结构材料是否可用，必须在较高的快中子注量率下进行中子辐照，因此本文对在HFETR内布置高裂变密度辐照装置来提高局部孔道快中子注量率方法进行了研究。本文设计的辐照装置能够提高HFETR内大于0.1MeV中子注量率30%以上，达到7.28E14n/cm2·s。

【关键词】快中子；能谱；辐照装置

【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

第四代国际先进堆6种堆型中有4种是快堆能谱[1]，而验证快堆结构材料是否可用，必须在较高的快中子注量率下进行中子辐照，另外提高快中子注量率可以缩短材料辐照时间，对于新堆的研发具有重大意义。综上所述，对提高HFETR局部模拟快中子注量率方法进行研究，摸清HFETR快中子注量率水平具有重要意义。

通过在堆芯内放置高裂变密度装置或高性能元件，可以获得比堆芯内快中子注量率更高的快中子注量率，这种装置至少通常至少满足以下条件：（1）装置内裂变密度高于堆芯燃料元件区的裂变密度；（2）装置与堆芯各部件在机械结构上匹配，可布置在堆芯栅板位置上；（3）满足热工水力要求，保证装置本身及堆芯的安全。

HFETR栅格为正三角点阵，栅元为正六边形，因此堆内可布置占一个栅元，外径不大于Ф6.3cm的小装置，HFETR通常的辐照装置呈圆筒形，因此该装置采用平板或渐开线燃料元件会使装置设计比较复杂，而套管、元件棒或十字形棒状元件易于设计出结构符合HFETR栅元的辐照装置。

1 计算程序简介及方法

1.1 计算程序

本文采用MCNP-4C程序进行几何结构描述和能谱计算。

1.2 计算方法

首先利用CELL程序做高裂变密度辐照装置的微观截面，然后燃料管理程序计算特定堆芯装载下的临界棒位，利用MCNP程序计算辐照样品的能谱分布。

2 能谱分析

2.1 装置结构及芯体材料选型

在反应堆堆芯及提棒方式等固定的情况下，辐照装置的结构形状及芯体成分为影响装置内快中子注量率的主要因素。因此，一方面，需要论证燃料元件的形状对局部快中子能谱的影响，另一方面，在保证燃料元件结构一致的情况下，研究那种芯体材料对快中子注量率的影响；根据文献[2]可知，若辐照装置芯体材料及U-235装量一致，十字形棒状元件比套管型元件及棒状元件更能提高局部孔道的快中子注量率，因此该辐照装置选取十字形棒状元件（见图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]对中子能谱的影响，见图2。由图2可知，不同材料对高裂变密度辐照装置内快中子能谱的影响很小，考虑到UMo-Al合金抗辐照性能更好，本文采用UMo-Al合金进行研究。综上可知，选用芯体成分为UMo-Al合金的十字形棒状元件易于提高局部快中子能谱，其结构及布置形式见图1。

参照俄罗斯PIK研究堆燃料元件设计参数，来进行高裂变密度辐照装置概念设计，燃料棒芯体采用UMo-Al合金，其中Mo含量7%，235U富集度为20%，单个十字棒U-235装量為13.01g，图1（a）为小辐照孔道的高裂变密度辐照装置，外套管和内套管分别为Φ63×1.5mm和Φ24×2mm，中心为Φ20mm的辐照孔道；两套管之间装有62根十字形棒，各燃料棒的横向中心间距为5.65mm，纵向间距为5mm。把内套管拆除并在该位置添加19根十字形棒，就得到装有81根十字形棒的装置。HFETR为正六边形的栅元，每个栅元周围有6个与之尺寸和结构都相同的栅元。因此，6个内装81根十字形棒的装置围成一圈，中间就或得一个Φ63辐照孔道，成为大的高裂变密度辐照装置。

2.2 HFETR高裂变密度辐照装置内中子注量率

假定HFETR在堆芯功率为80MW的情况下，分别计算了两种布置形式下的快中子注量率。在材料辐照中，材料对不同能量的中子敏感程度不同，通常以0.1MeV或1MeV作为材料辐照损伤的分界能。

图3为中心孔道不带高裂变密度辐照装置（见图3-a），中心孔道带高裂变密度辐照装置（见图3-b），外围孔道带高裂变密度辐照装置（见图3-c），外围及中心孔道带高裂变密度辐照装置（见图3-d）下的几何模型。

分析可知：1）中心栅元不带高裂变密度辐照装置时，辐照样品内能量大于0.1MeV或1MeV的中子注量率分别为5.38 E+14n/cm2·s和2.78 E+14n/cm2·s。

2）中心栅元带高裂变密度辐照装置时，辐照样品内能量大于0.1 MeV或1MeV的中子注量率分别为7.12E+14n/cm2·s和3.73E+14n/cm2·s，与不带高裂变密度辐照装置相比分别提高了32.4%及34.2%。

3）外围六个栅元带高裂变密度辐照装置时，辐照样品内能量大于0.1 MeV或1MeV的中子注量率分别为6.02E+14n/cm2·s和3.04E+14n/cm2·s。与不带高裂变密度辐照装置相比分别提高了11.8%及9.35% 。

4）外围及中心位置七个栅元带高裂变密度辐照装置时，辐照样品内能量大于0.1 MeV或1MeV的中子注量率分别为7.28E+14n/cm2·s和3.71E+14n/cm2·s。与不带高裂变密度辐照装置相比分别提高了35.3%及33.4%。

因此，在相同堆芯装载的相同栅元里，高裂变密度辐照装置可提高材料辐照能力30%以上，>0.1MeV的中子注量率为7.28E+14n/cm2·s，对于中国快堆而言，其>0.1MeV的中子注量率约为2E+15n/cm2·s[4]。其快中子注量率（>0.1MeV）为中国实验快堆快中子注量率的36.4%。

3 热工水力计算

3.1 燃料棒的释热

高裂变密度辐照装置内能量沉积形式主要有材料与中子的作用、材料与光子的作用和核反應过程中产生的新核的衰变。以上布置方式下高裂变密度辐照装置内单个棒的最大功率可达40kW，燃料棒的轴向功率密度分布按余弦分布。

3.2 热工分析

HFETR燃料元件设计流速下，高裂变密度辐照装置冷却剂流速为9.63m/s，同时假定高裂变密度辐照装置的入口压力和进口水温分别为1.4MPa 和45℃。

利用ANSYS/CFX程序计算在HFETR设计流速下高裂变密度辐照装置内燃料棒包壳温度分布见图4，燃料棒芯体温度分布见图4。由图4～5可见，燃料棒包壳表面的最高温度为193.6℃，位于轴向离入口585mm处，芯体最高温度为215℃，位于轴向离入口585mm处。温度均小于燃料棒运行限制温度195℃，能保证反应堆及装置的热工安全。

4 结论

采用蒙特卡罗计算表明，十字形燃料棒比套管形和圆柱形燃料棒更有利于提高快中子注量率，该高裂变密度辐照装置内能量大于0.1MeV和1MeV的快中子注量率可达到7.28E+14n/cm2·s和3.71E+14n/cm2·s，比堆芯相同位置不放置高裂变密度辐照装置时的快中子注量率提高30%以上，其快中子注量率（>0.1MeV）约为中国实验快堆快中子注量率的36.4%。

【参考文献】

[1]叶奇蓁，等.中国电气工程大典，第六卷，核能发电工程[M].中国电力出版社.

[2]张平，徐涛忠，等.HFETR裂变中子转换器设计[J].原子能科学与技术，2013，47（6）：998-991.

[3]孙荣先，解怀英.研究堆燃料的发展现状与前景[J].核动力工程2011，45（7）：847-850.

[4]陈晓亮，等.中国实验快堆中子能谱测量实验研究[J].原子能科学技术，2013，47[增刊]：52：55.

[责任编辑：朱丽娜]