ADS启明星1号次临界度测量研究

刘　锋，张　巍，章秩烽，刘　洋，刘东海，李开健

ADS启明星1号次临界度测量研究

刘锋，张巍，章秩烽*，刘洋，刘东海，李开健

（中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部，北京 102413）

次临界反应堆的反应性测量问题，一直是实验反应堆物理中的一个难题，且近年来越来越迫切。文章针对ADS次临界系统的特征，提出了用脉冲源法结合源倍增法测量系统次临界度的新思路，并在ADS启明星1号次临界实验装置上进行了测量实验。根据几组不同次临界度的测量结果来看，与理论计算结果偏差一般在600 pcm左右，确认了该方法的有效性。

次临界反应堆；次临界度；脉冲源法；源倍增法

对于次临界反应堆的次临界度测量问题，一直是实验反应堆物理中的一个难题，在深次临界下有效增殖因子eff很难测准。随着加速器驱动的洁净核能系统（ADS）在国际核能界研究热潮的兴起，相关次临界参数测量研究也引起广泛重视。由于ADS不能达到临界，所以没有一个准确的参考点，理论计算方法无法保证计算的准确性，精确地测量次临界反应性变得尤为重要。基于次临界堆加速器的稳态运行和脉冲运行两种工作模式，采用脉冲源法测量系统的次临界度较为方便。本文在传统脉冲源测量方法基础上，结合了源倍增法，提出了一种测量次临界反应性的新思路，并在启明星1号次临界实验装置上进行了验证，得到了良好结果。

1　实验测量原理

从点堆动力学方程出发，即可推导得到次临界状态下的基波瞬发中子衰减常数的表达式[1]，

其中：

——反应性；

——缓发中子有效份额；

Λ——中子代时间。

当变化不大时，假设Λ近似相等，则有

次临界状态下，引入外中子源，由源倍增公式[2]和反应性的定义式可以得到

其中：

0——系统内无任何裂变材料时，有源状态下的探测器计数率；

——系统内装载裂变材料后，有源状态下的探测器计数率。

如果分别在两个差别不大的次临界状态下，利用脉冲源法测量得到瞬发中子衰减常数，利用源倍增法测量有源稳态情况下的中子计数率，则可计算出第二个次临界状态下以为单位的反应性。

脉冲源法测量瞬发中子衰减常数时，可以采用加速器中子源、高压倍加器或者小型化的中子管，使其工作在脉冲模式，选择合适的脉冲频率和采集频率，将每个周期内的测量结果叠加累积，即可得到瞬发中子衰减曲线，继而拟合得到值[4]，如图1所示。拟合公式为公式（7）。

脉冲频率的选择是使在每个测量周期=1/内，瞬发中子成分全部衰减掉，而缓发中子不衰减。一般先估算得到的参考值，然后选择=ln2/×，取值范围为5～10。

测量有源稳态情况下的中子计数率时，需要稳定中子源。可以选择加速器或中子管，使其工作在稳态运行模式，即可提供稳定的中子源。这在ADS的工程化应用过程中，是比较方便、实际的选择。外中子源也可选择一个同位素中子源，如Am-Be中子源、252Cf中子源，通过衰变或者核反应产生稳定的外源中子。在装置首次装料的临界外推过程中，即可方便的测量得到不同次临界度下的中子计数率值。

2　实验过程

实验测量过程在ADS启明星1号次临界实验装置[5]上进行，如图2所示。堆芯六角形区为快区，装满天然铀燃料元件，六角形外为热区，装载3%富集度UO2燃料元件。中子探测器选择3He正比计数管，布置在堆芯元件区最外圈。

图2　启明星1号轴向横切面与径向横切面示意图

本次实验过程中测量有源稳态情况下的中子计数率时，因次临界外推需求，固采用同位素中子源252Cf，通过跑兔系统每次吹入中子源区特定位置。外推过程中利用源倍增法测量得到四种不同装载量下的值，如表1所示。脉冲源法测量实验选择D-T中子管，将中子源区跑兔管取出，放入D-T中子管。脉冲频率设定为=200 s-1，探测器采集频率设定为=2×105s-1。每次中子管脉冲模式下启动30 min左右，对应四种装载量下的测量曲线如图3所示。对瞬发中子衰减曲线按照公式（7）进行拟合。为了避免高次谐波的影响，选择1～3 ms时间段曲线进行拟合，结果为1，然后以1.1～3.1 ms时间段曲线进行拟合，结果为2，依此类推，直到拟合完2～4 ms时间段曲线得到结果11。最后将拟合结果1～11取平均值即为最终结果。最终实验测量结果如表1所示。根据公式（6）即可计算得到以为单位的反应性。

表1　实验测量结果与反应性计算结果

图3　快区第6圈处不同装载量下瞬发中子衰减曲线

3　结果分析

利用MCNP计算不同装载量下的eff和值[6]，得到不同装载量下反应性的理论计算结果，见表2所示。由实验测量结果计算得到的实验值eff，与理论计算eff进行比较，结果见表3所示。

表2　理论计算参数

表3　实验值与理论值比较

通过理论计算和实验测量值的比较可以发现，在深次临界下该方法测量结果与理论计算结果偏差一般在600 pcm左右。在实验测量中，误差来源有以下几方面：瞬发中子衰减常数拟合值、有源稳态下的中子计数率、不同次临界下代时间Λ的近似。这几个参数对扰动的敏感性均比较强。增加中子管的测量时间，即增加脉冲注入堆芯数，即可使衰减曲线更加平滑，拟合误差更小。增加有源稳态下探测器的采集周期和采样数，可有效降低中子计数率的误差。公式推导中忽略了代时间的变化，也会对结果引入一定误差。

4　结论

本文应用源倍增法和脉冲源法相结合的新思路对次临界反应堆启明星1号的次临界度进行了测量，通过与理论计算结果作对比，结果偏差较小，证明了该方法的有效性。该方法在ADS工程化应用测量研究上，提供了一种可行性高的次临界度测量方案，不需使用复杂的测量工具，只依靠ADS的脉冲中子源和堆上探测器即可实现。

［1］ 罗璋琳，史永谦，潘泽飞．实验反应堆物理导论［M］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011：122-123．

［2］ 刘锋，史永谦，朱庆福，等．ADS启明星1#次临界反应堆缓发中子有效份额的测量［J］．原子能科学技术，2016，50（8）：1445-1448．

［3］ 阮可强．核临界安全［M］．北京：原子能出版社，2001：53-54．

［4］ 史永谦．核反应堆中子学实验技术［M］．北京：中国原子能出版社，2011：172-173．

［5］ 史永谦，夏普，罗璋琳，等．ADS次临界实验装置-启明星1#［J］．原子能科学技术，2005，39（5）：447-450．

［6］ Svetozar M，Jan H，Gabriel F．MCNP5 delayed neutron fraction calculation in training reactor VR-1［J］．Journal of Electrical Engineering，2008，59（4）：221-224．

Study on the Sub-criticality Measurement for the ADS Venus 1#

LIU Feng，ZHANG Wei，ZHANG Zhifeng*，LIU Yang，LIU Donghai，LI Kaijian

（China Institute Of Atomic Energy，P.O.Box 275-45，Beijing 102413，China）

The reactivity measurement of the subcritical reactor has always been a difficult problem in experimental reactor physics, and it has become more and more urgent in recent years. In view of the characteristics of the ADS subcritical system, a new idea of measuring the subcritical degree of the system by pulse source method combined with source multiplication method is put forward in this paper, and a measurement experiment is carried out on the subcritical device of the ADS Venus 1#. According to the measurement results of several groups of different sub-criticality, the deviation from the theoretical calculation results is generally around 600 pcm, confirming the effectiveness of this method.

Subcritical Reactor; Sub-criticality; Pulse source method; Source multiplication method

TL375.1

A

0258-0918（2022）02-0262-04

2020-12-22

国家自然科学基金资助项目（91126005）资助

刘 锋（1988—），男，河北无极人，助理研究员，现主要从事反应堆物理实验与核临界安全方面研究

章秩烽，E-mail: 1664157986@qq.com