MHWRR在极低光激中子水平下的临界启动技术

丁 丽 徐鹏程 花 晓 甄建霄 葛艳艳

（中国原子能科学研究院 北京 102413）

多用途重水研究堆（Multi-purposes Heavy Water Research Reactor，MHWRR）是我国20世纪80年代末出口到阿尔及利亚的第一个大型核设施项目，1987年开始建造，1992年7月实现满功率运行。为适应放射性同位素辐照生产需求，2016年初开始仪表、控制和电气系统数字化改造，堆芯增设裂变钼辐照装置。对于重水反应堆，首次临界时需要外加中子源。首次临界启动后，堆内光激中子可作为启动中子源。在升级改造后首次临界启动时，一方面受现场条件限制，缺少可用的物理启动装置，且该国没有中子源。另一方面，由于自改造工程开始至临界启动，反应堆已停堆近1 000 d，堆内光激中子强度已衰减到很低水平，堆外核测量电离室存在测量盲区。因此，能否在现场已有条件下成功实现反应堆临界启动，必须进行详细分析论证。本工作对MHWRR升级改造后在极低光激中子水平下不外加启动中子源首次临界启动技术进行研究，为MHWRR后续运行提供宝贵经验和参考数据，也为今后类似研究堆的启动提供有益借鉴。

1 MHWRR堆芯简介

MHWRR是一座重水冷却和慢化，石墨作为反射层的多用途研究堆，最大功率15 MW。堆芯由72根束棒型燃料组件、14根控制棒和23个垂直实验孔道构成。燃料组件活性段长为1 000 mm，燃料芯块为UO2，包壳为锆合金，235U富集度为3%。

2 临界实验计算分析

2.1 临界启动方法

临界启动是使反应堆由次临界逐渐实现自持链式裂变反应的临界状态的过程。使次临界系统达到临界有多种途径，如水位法、元件法和棒位法等［1-2］。采用棒位法进行改造后首次临界启动实验，即：启动前插入全部控制棒（10根补偿棒+2根调节棒），遵循1/2～1/3外推临界原则，进行棒位外推，逐步缓慢提升补偿棒和调节棒使反应堆向超临界过渡，以实现反应堆临界启动。反应堆临界启动的重要条件一是要有启动中子源，二是要有能监测从次临界到逼近临界状态，直至向超临界过渡整个过程中堆内中子水平变化的物理启动测量装置。因此，启动前首先需根据堆芯状态和实验条件，研究确定临界启动技术方案。

2.2 光激中子源强计算分析

对于重水反应堆，由燃料裂变产物衰变释放出的高能缓发γ光子与重水中氘核可产生D（γ，n）H反应放出光激中子［3］，其产额如表1所示。其中长寿命的光激中子可作为启动中子源，因此首次启动后一般不再需要额外的中子源，这是重水用作慢化剂、冷却剂或反射层的反应堆一大特点。李志安等［4］对北京参考堆（101重水研究堆）光激中子源本底进行过实验研究，研究结果表明：反应堆在11 MW功率运行状态下，堆内存在一个与光激中子源对应的-1.09×10-3$（对于 101 重水研究堆，1$=0.658%Δk/k）。

裂变产物释放的γ光子与氘核发生反应的阈能为2.225 MeV［6］，反应截面如图1所示［7］。

图1 D(γ,n)H反应截面Fig.1 Cross-section data of D(γ,n)H

光激中子的强度与裂变产物缓发γ光子能量与强度有关，即与反应堆运行功率、运行时间和停堆时间有关。随着停堆时间的增加，γ光子强度将随之衰减，进而导致光激中子产生率降低。

表1 缓发光激中子产额[5]Table 1 Yield of delayed photoneutron[5]

根据MHWRR堆芯物理状态，升级改造后首次临界时，堆芯为满装载，燃料组件平均燃耗为3 250 MW·（d/tU）-1。采用 SCALE 程序包中的TRITON和ORIGEN-APP功能模块计算了反应堆停堆后堆内γ光子强度（E≥2.225 MeV）随停堆时间变化的曲线［8］，如图2所示。计算时堆芯燃料组件燃耗值采用实际历史燃耗数据，停堆前反应堆在1.18 MW功率水平下运行了2 h。表2给出了停堆后1 000 d时刻堆内γ光子强度。从图2可看出，刚停堆后一段时间内γ光子强度衰减迅速，之后衰减逐渐趋于平缓。停堆1 000 d后，γ光子强度衰减三个量级以上。

由表2数据和图1所示D（γ，n）H反应截面，计算得到停堆后1 000 d时刻堆内光激中子总的源强为1.36×107n∙s-1。

图2 γ光子强度随衰变时间相对变化曲线（E≥2.225 MeV）Fig.2 Curve of gamma source intensity(E≥2.225 MeV)over decay time

2.3 核测量“盲区”计算分析

MHWRR核测量系统采用堆芯外测量，共14个核探测器，功率测量范围0～30 MW。核测量系统分别向保护系统、功率调节系统和功率指示系统提供反映核功率状态的中子注量率信号。采用无γ补偿电离室，对称布置在石墨反射层外探测器孔道内，其最小可测中子注量率约为0.83×103cm-2·s-1。

根据重水慢化剂中光激中子总源强（1.36×107n∙s-1），采用SCALE程序计算得到，临界启动前，在反应堆径向不同位置的垂直孔道内最大中子注量率如表3所示。

从表3数据可看出，堆外电离室位置的中子注量率仅为0.2×101cm-2·s-1，远低于可探测限，临界启动时堆外电离室将探测不到逼近临界过程以及在次临界状态下堆内中子水平的变化，即存在启动“盲区”。

表2 停堆后1 000 d堆内光子强度Table 2 γ photon source intensity after 1 000 d decay time

表3 垂直孔道内最大中子注量率计算结果Table 3 Estimated neutron flux in vertical tube before criticality

出现启动“盲区”状态下，在从临界状态向超临界状态过渡过程中，若引入反应性过大，则有可能在核测量仪表来不及响应的情况下，失去周期保护和功率保护。为此，需要在中子注量率水平较高的堆芯区域附加启动用中子探测器，以便监测极低水平中子的变化。

2.4 临界棒位计算分析

改造项目实施前，最后一次反应堆运行时，当重水水位1 782 mm，温度27℃时，2根调节棒棒位为872 mm，10根补偿棒棒位为448.5 mm。

改造期间堆芯状态有所改变，堆芯中央增设了裂变钼辐照装置，部分实验孔道内样品出堆。为此，在临界启动前，采用MCNP程序对临界棒位进行了理论计算，以保障临界实验启动的安全。

计算得到，当重水温度为10℃，水位为1 778 mm的实验条件下，堆芯中央孔道变更为锆合金辐照装置后引入负反应性，堆芯剩余反应性为8.06%Δk/k。临界棒位为：2根调节棒棒位850 mm，10根补偿棒棒位420 mm。

根据历史运行数据和理论计算结果，得到的补偿棒临界棒位分别为434 mm和420 mm，因此实验参考临界棒位保守取420 mm。

3 临界启动技术与实验结果

3.1 极低功率水平下的中子探测

为解决堆外核测量电离室测量盲区问题，考虑堆芯装载情况和现场有限条件，使用一支3He计数管和两个电离室监测堆芯内的中子水平变化。中子计数管布置在堆芯中央孔道内，两个电离室对称布置在13#孔道和23#孔道内，如图3所示。

启动电离室灵敏度为1.2×10-14A∙nV-1，测量范围 为 1×10-10～3×10-4A。 中 子 计 数 管 灵 敏 度 为8 s-1∙nV-1，测量范围为1～2×105s-1。计数管主要用于监测深次临界状态下极低中子水平变化，而电离室主要用于接近临界时的中子水平变化。当反应堆达到由次临界向超临界过渡状态时，堆外14套核测量电离室应能探测到堆内中子水平的变化。这样可以做到整个临界启动过程中，反应堆状态始终得到可靠监测，保证实验安全。

在临界启动前，中子探测器的响应特性及其在孔道内轴向高度位置在堆内进行了测试，1#启动电离室最大电流显示为2.75×10-9A，2#电离室最大电流显示为3.2×10-9A，中子计数管计数值大于2×103s-1。

图3 核测量探测器布置示意图Fig.3 Layout of neutron detectors

3.2 有光激中子源时的棒位法外推临界过程

根据点堆动力学模型［5］，有：

式中：n(t)为t时刻系统内的中子数；l为中子寿命；βi为第i组缓发中子的份额；Ci（t）为t时刻系统内发射第i组缓发中子的先驱核数；λi为第i组先驱核的衰变常数；S为系统内光激中子源强度；β为缓发中子有效份额；keff为系统有效增殖因子。

在次临界状态下（keff＜1），当有光激中子源存在时，系统内的中子会达到一个平衡稳定值。于是：

在低于临界棒位H0的不同棒位Hi下，测得某处稳定的中子计数率Ni，则有：

式中：B为中子计数装置的几何效率因子；kieff为反应堆临界前的有效增殖因子。

棒位法外推临界实验时，将各测量点的数据1/Ni对控制棒棒栅位置Hi作图，外推便可得到临界棒位H0。

实验开始时，堆芯初始状态为满装载72组燃料组件，首先将两根安全棒提升到顶，功率保护和周期保护投入工作，其余控制棒插入堆芯。

实验步骤：1）将调节棒提升至预定高度，按1/2原则逐根缓慢提升补偿棒，即补偿棒提升高度为外推临界棒位与当前棒位之差的1/2，记录稳定计数；2）按1/3原则提升补偿棒，当相邻两次外推值在1 mm之内符合时结束棒位外推，向超临界过渡；3）向超临界过渡时，将补偿棒逐根提升至外推临界棒位，提棒过程中如出现功率增长周期则表明反应堆已实现临界，如补偿棒到位后没有周期，则以1 mm为步长逐根提升补偿棒，直至出现增长周期达到临界。功率增长周期不得小于60 s；4）当反应堆达到临界，待堆外至少有两套电离室电流显示达到2×10-9A（相当于反应堆核功率约为200 W）以上时，稳定运行0.5～1 h，然后下插补偿棒停堆，取出堆内启动测量装置。

3.3 实验结果与分析

在进行棒位法外推时，首先将两根调节棒提升至850 mm高度，然后按1/2～1/3添加反应性原则依次提升10根补偿棒进行外推，得到的外推曲线如图4所示。图4、图5中，N0为本底，Ni为不同棒位时的计数装置计数或电离室电流值。当补偿棒棒位为417.5 mm时，中子计数装置的计数和两套启动电离室电流外推值均在418.5 mm处收敛，中子计数装置相邻两次外推值在1 mm内符合，然后逐根提升补偿棒至418.5 mm，向超临界过渡。当9根补偿棒高度为418.5 mm，一根补偿棒高度为418.0 mm时，两套启动电离室测量得到反应堆倍增周期为184 s，向超临界过渡成功，升级改造后反应堆成功实现首次临界启动。

表4给出了向超临界过渡前后各核测量电离室电流值测量结果。从表4数据可知，当反应堆逼近临界时，堆外核测量电离室中一套核功率显示和三套功率保护测量通道均开始有电流显示且达到测量范围，说明启动电离室与堆外核测电离室测量范围衔接很好，实验方案设计合理。

图4 棒位外推曲线Fig.4 Shim rod banks height extrapolate curve

图5 棒位外推曲线Fig.5 Extrapolation curve of shim rod banks height

表4 向超临界过渡过程中电离室电流值（A）Table 4 Current values of ion-chambers during criticality startup

4 结语

本文对MHWRR升级改造后在极低光激中子水平下不外加启动中子源首次临界启动的实验技术进行研究，得到以下结论：

1）MHWRR升级改造后顺利实现了首次临界启动，实验过程中启动用测量装置与堆外电离室测量范围衔接很好，解决了极低光激中子水平下临界启动中存在的核测量盲区问题，保证了实验安全。实验结果表明：实验方法得当，理论分析结果可信，实验仪器可靠实用。

2）根据临界外推结果，最终临界棒栅为：调节棒棒位850 mm，补偿棒棒位418.5 mm。理论计算临界棒位为：调节棒棒位850 mm，补偿棒棒位415～420 mm，与实验值的误差小于0.84%。实验结果充分验证了理论计算，证明计算结果可信。