双面慢化环形燃料反应堆物理实验

张 庚，夏兆东，朱庆福，章秩峰，吕 牛，潘翠杰

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所，北京 102413)

核能技术的发展需要降低反应堆成本并提高安全裕度，燃料元件是直接影响反应堆输出功率及安全性能的关键部件，采用高性能燃料元件是提高反应堆安全性和经济性最直接和有效的手段。环形燃料作为一种先进燃料元件可大幅度提高燃料元件的传热效率、降低燃料芯块温度，显著提升反应堆的安全性和经济性，目前已成为压水堆先进燃料组件的重要发展趋势之一[1-3]。环形燃料是国际上新型燃料研究热点方向[4-6]，具有广阔的应用前景。我国从2010年正式启动环形燃料的研发工作，突破了环形燃料设计、制造、试验等方面的多项关键技术[7-8]。

对于采用环形燃料的新型反应堆系统，环形燃料栅元结构由内、外两层包壳和环形芯块构成，与实心燃料栅元存在较大差别，导致其堆芯物理计算分析程序的有效性和准确性有待临界实验数据验证[9]。此前国际上并未开展由双面慢化环形燃料的反应堆临界实验研究，国内外均没有环形燃料堆芯物理实验数据，导致现阶段开展的环形燃料堆芯物理计算研究都是依靠程序对程序的方式进行相互检验，其有效性和可靠性得不到实验数据的验证[10-11]。本文针对环形燃料栅元开展零功率物理性能实验研究，以获取其临界参数、控制棒价值、元件价值等堆芯物理性能参数，对环形燃料堆芯物理计算程序进行验证，为环形燃料堆芯核设计提供参考。

1 环形燃料零功率反应堆简介

环形燃料零功率反应堆是一座以轻水为慢化剂和反射层、以控制棒进行反应性控制的立式小型临界装置。

环形燃料零功率反应堆三维示意图示于图1。堆芯容器位于操作平台上，进水、排水回路以及启动反应堆所用中子源的跑兔系统均直接与其相连。堆芯容器为立式桶状容器，采用316L不锈钢材质。实验时装载去离子轻水作为慢化剂，上、下栅格板采用不锈钢板，上栅格板采用装饰铝板进行栅格颜色区分，栅格上开有396个通孔用于安装燃料元件；燃料元件从上栅格板插入，下栅格板用来支撑燃料元件。活性区内燃料呈方形栅格排列，燃料元件栅距为23.6 mm；在堆芯周围反射层外均匀布置有8个探测器孔道，孔道内安装反应堆启动、功率测量、功率监督和保护用的中子探测器。

图1 环形燃料零功率反应堆示意图Fig.1 Schematic diagram of annular fuel zero power reactor

2 环形燃料堆芯核设计

2.1 元件选取

2.1.1核燃料元件 为开展环形先导燃料组件入堆的混合堆芯设计技术研究，需验证环形燃料和实心燃料内外装载工况的混合堆芯物理设计方法，因此临界装置的环形燃料堆芯选择具有代表性的235U富集度为3%的UO2实心燃料元件和235U富集度为4.95%的UO2环形燃料元件，结构如图2所示。UO2实心燃料元件总长760 mm，直径6.55 mm，由锆管封装。环形燃料元件包括不含钆和含钆两种类型，不含钆环形燃料元件每根燃料元件总长760 mm，由Zr-4元件管封装。含钆环形燃料元件中Gd2O3与235U富集度为4.95%的UO2均匀混合，Gd2O3质量分数分别为5%、8%和10%。环形含钆燃料元件在尺寸和结构上与环形燃料元件完全一致，只是核燃料成分存在差异。

图2 实心燃料元件(a)和环形燃料元件(b)结构图Fig.2 Structure diagram of solid fuel cell (a) and annular fuel cell (b)

2.1.2占位元件 占位元件为实心铝质，与实心燃料元件外规格一致，占住栅格板上多余的孔位，防止误插情况。

2.2 控制棒

环形燃料堆芯使用的控制棒结构如图3所示，控制棒系统由分别独立的两根安全棒和两根调节棒控制反应性，安全棒棒体的吸收材料采用金属镉，调节棒棒体的吸收材料采用不锈钢，分别填充于316L不锈钢套管内，吸收体的长度为800 mm。环形燃料堆芯使用的安全棒与调节棒的尺寸与布置位置列于表1。

图3 环形燃料零功率反应堆堆芯使用的安全棒与调节棒结构Fig.3 Structure of safety rod and regulating rod for annular fuel zero power reactor

表1 环形燃料堆芯使用的安全棒与调节棒的尺寸与布置位置Table 1 Size and location of safety rod and regulating rod used in annular fuel core

2.3 栅格板系统

环形燃料堆芯使用的栅格板结构示于图4。采用环形燃料元件在内、实心燃料元件在外的混合装载方式，栅格板为480 mm×480 mm的方形不锈钢材质，在中心区开有10×10的100个孔位，其中96个为环形燃料元件的通孔，控制棒导向管占据4个通孔。在中心区外围开有300个元件通孔，根据实验需要用于装入不同数量的实心燃料元件，在装入实心燃料元件之前，这些孔位插入铝棒，占其位置。

图4 环形燃料堆芯栅格板结构示意图Fig.4 Schematic diagram of grid plate structure of annular fuel core

2.4 堆芯参数

环形燃料零功率反应堆堆芯主要参数列于表2。

表2 环形燃料堆芯的主要参数Table 2 Main parameter of annular fuel core

3 实验方案

多边形堆芯装载方案为环形燃料零功率反应堆的最小临界质量装载方案，其临界实验数据作为环形燃料零功率反应堆临界实验的起点，可以拓展不同燃料元件布置更多的实验方案。采用环形与实心燃料混合装载模式，模拟环形先导组件入堆的工况，完成对最小临界装载的多边形装载系列堆芯装载方案的临界实验。

3.1 物理启动与临界参数测量

为安全可靠地完成环形燃料零功率反应堆的堆芯装料及物理启动并完成启动参数测量，实验通过外推临界方法使环形燃料零功率反应堆堆芯达到临界状态。具体实验方法为：1) 临界装置内结构材料完全就位，加入水慢化剂，堆芯未装载核燃料时，用堆芯外的启动装置记录探测器的中子计数率N0，作为本底计数率；2) 按临界计算的临界质量的元件数的1/2作为第1次添加燃料元件数M1，然后由启动装置探测器的中子计数率扣除本底后，计数率为N1；3) 第2次添加元件按临界计算的临界质量元件数的1/4，堆内元件数为M2，探测器的中子计数率扣除本底后计数率为N2，根据两次中子计数率结果N1、N2的倒数(即1/N1和1/N2)及其对应的燃料装载数M1和M2，以横坐标为燃料元件数，纵坐标为1/N的坐标系统作图，进行外推，外推到1/N=0时与横坐标的交点即为临界燃料元件数；4) 根据外推结果，按照到达临界所需要的元件数的1/2添加燃料元件，添加元件后，按实验步骤3再一次进行外推，确定第3次添加元件后的临界元件数，如此重复步骤4，直到添加的燃料元件使反应堆的装置有效倍增因数大于或等于0.996时，向超临界过渡，此时外推的临界质量元件数为外推的临界质量。向超临界过渡是临界实验所添加的燃料元件不再按外推的临界所需元件数的1/2原则添加元件，可一次添加的燃料元件数使反应堆达到临界或超临界。在超临界后，用反应堆功率上升周期法测量两次(至少两次)超临界状态的反应性，由两次测量的反应性作为纵坐标和对应的燃料元件数作为横坐标内插到反应性为零时，其燃料元件数即为周期法得到的临界燃料元件数[12-14]。有时外推临界的燃料元件数和内插的临界燃料元件数不相同，一般采用内插的临界燃料元件数作为最终结果。

3.2 控制棒系统反应性价值

控制棒是环形燃料零功率反应堆堆芯反应性调节的重要手段，为此测量了调节棒与安全棒的微分、积分价值[15]。

采用反应堆功率上升周期法测量控制棒系统的反应性价值即将控制棒逐渐从反应堆中移出，在移出的每一步测量功率上升周期，给出该控制棒的微分价值。在周期测量时，受到运行规程的限制，反应堆功率上升周期不能小于15 s。在测量某个控制棒价值时，当其在某个位置时可能周期接近15 s，这时就要用另一根控制棒插入反应堆来补偿掉部分反应性，使反应堆功率上升周期变得较长，在较长周期的基础上，然后再将要测量的控制棒移出反应堆进行周期测量，以得到该控制棒位置的价值，如此重复，直到将整根控制棒各位置所对应的反应性测量出来，得到该棒的微分价值，所有各位置的微分价值相加即为该棒的积分价值。这种利用另一根控制棒来补偿反应性的方法称为交替法刻度调节棒的微分价值，同时用来补偿反应性的控制棒的微分、积分价值也可得到。

安全棒的价值采用落棒法得到。测量时，要测量的安全棒在反应堆外，反应堆处于临界状态，反应堆在一定功率水平上稳定运行一段时间，使缓发中子先驱核达到平衡，记录此时的中子计数率N0，然后瞬时将安全棒插入堆内，记录落棒后的中子计数率N(t)随时间t的变化，直到衰减到本底计数率为止，然后以控制棒插入堆内开始为0，将中子计数率N(t)随时间t的变化积分到本底计数率为止作为积分上限，给出积分计数。根据落棒前后的中子计数得到测量的安全棒反应性。

3.3 元件价值

为了用燃料元件价值来刻度反应堆内的毒物价值，必须准确得到边缘燃料元件的反应性价值。实验是以环形燃料堆芯多边形装载下进行的，在满足全堆芯燃料元件由内向外装载、四周外围元件由中心向两侧装载模式下，得到元件的反应性价值[12-14]。

采用周期法对堆芯多边形装载布置下特定位置处的燃料元件反应性价值进行测量，1/8堆芯对称情况下有8根待测元件，由内向外编号分别为A、B、C、D、E、F、G、H，位置如图5所示。

CR为控制棒，AF为环形燃料元件，SF为实心燃料元件图5 环形燃料堆芯元件反应性价值测量的位置Fig.5 Position of cell’s worth measurement experiment of annular fuel core

3.4 含Gd元件反应性效应

含钆环型燃料元件在该实验中的用途是作为中子毒物使用，获得的实验数据可用于数值计算程序、数据库分析含钆大负反应性的验证。采用外推法确定环形燃料零功率反应堆堆芯的含钆环形燃料元件的装载情况及后备反应性，采用外围元件效率来确定含钆环形燃料元件的反应性价值[16]。

由于钆为中子吸收体，其在堆内表现为负反应性价值。首先基于环形燃料零功率反应堆堆芯临界装载方案(图5)作为基准装载量，然后从堆内取出一定数量燃料，使装置重回次临界状态，将一定数量(1根、2根)的含钆燃料元件替换至堆内环形区域与实心区域交界通量梯度显著的角点位置处，在此基础上重新外推临界。

结合此前元件价值实验测量的数据，本实验通过对有、无含钆燃料元件两种装载外推结果对应装载方案反应性之差确定含钆燃料元件的反应性价值。

4 零功率临界实验结果

4.1 物理启动与临界参数

中子计数率倒数外推临界的临界曲线如图6所示。根据此外推过程确定的最终实验临界装载方案如图7所示，共装载环形燃料元件96根，实心燃料元件172根，占位元件128根。根据确定的装载方案进行临界实验，净堆状态的临界参数列于表3。

图7 环形燃料堆芯临界装载方案Fig.7 Critical loading scheme of annular fuel core

表3 环形燃料堆芯临界装载参数Table 3 Critical loading parameter of annular fuel core

理论计算使用蒙特卡罗程序MCNP，使用ENDF/B-Ⅶ.1版本点截面数据，临界计算时设置每代粒子数1×105个，有效代数100代，统计偏差1σ为0.000 10。临界装载和控制棒价值的实验测量结果与理论计算结果如图8所示，keff趋势符合一致。

图8 环形燃料堆芯多边形装载临界计算Fig. 8 Calculation of polygon loading criticality of annular fuel core

4.2 控制棒系统反应性价值

分别采用周期法与逆动态法对环形燃料堆芯的调节棒与安全棒价值进行了测量，结果列于表4。刻度后的调节棒积分价值曲线如图9所示。

图9 调节棒积分价值曲线Fig.9 Integral worth curve of regulating rod

表4 多边形装载的调节棒、安全棒的积分价值Table 4 Integral worth of regulating rod and safety rod for polygon loading

4.3 元件价值

环形燃料堆芯多边形装载在1/8堆芯对应位置处的元件价值实验值与计算值比对列于表5。实验值与MCNP计算值符合较好，平均偏差为1.3 pcm。

表5 环形燃料堆芯多边形装载的边缘元件价值Table 5 Edge cell worth of polygon loading in annular fuel core

4.4 含Gd元件反应性效应

环形燃料零功率反应堆装载1根、2根含钆燃料元件的临界装载方案分别如图10所示。根据装载方案测量的燃料元件价值列于表6。理论计算使用MCNP，统计偏差1σ为0.000 10。对于小反应性的临界装载，实验值与理论计算值在偏差范围内符合一致；对于大负反应性实验，元件价值理论计算值与实验值的绝对值平均相对偏差为8.8%，在工程设计可接受的范围内。

表6 多边形装载含Gd2O3燃料元件装载临界参数Table 6 Critical parameter for loading Gd2O3 fuel cell for polygon loading

a——1根；b——2根标红元件为含Gd的核燃料元件图10 含Gd2O3燃料元件堆芯临界装载方案Fig.10 Critical loading scheme of loading Gd2O3 fuel cell

5 总结

为验证环形燃料的反应堆设计计算程序，建立了环形燃料零功率反应堆，在其上进行了反应堆物理参数测量，结果表明实验数据均达到用于环形燃料核数据及计算程序校验的需求。环形燃料零功率反应堆是首个由内慢化环形燃料的反应堆，开展的实验可用于指导环型燃料堆芯的物理设计工作，可为环形燃料先导组件入堆工程应用的顺利开展提供保障，对我国引领未来核燃料元件的创新发展具有重要意义。