約旦次臨界裝置物理設(shè)計

劉振華，榮春方

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

在核能和平利用日益普及的國際環(huán)境下，培養(yǎng)一批核能研究與利用方面的人才成為許多國家的需求。次臨界裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，不需要厚重的屏蔽，也不需要臨界裝置中所用的復(fù)雜的安全控制系統(tǒng)，因而大幅節(jié)省投資的同時能安全、便利地開展大量的動態(tài)、靜態(tài)反應(yīng)堆物理實驗，是一種非常有用的理解和掌握反應(yīng)堆物理知識的實驗設(shè)施，適用于反應(yīng)堆物理教學(xué)和核技術(shù)人才培養(yǎng)。在這種需求下，約旦次臨界裝置（JSA）完成了設(shè)計和建造。

JSA 設(shè)計和建造合同規(guī)定本裝置次臨界度在0.94～0.95之間，裝置的設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、實驗的培訓(xùn)和技術(shù)轉(zhuǎn)讓總時間為1 年。該裝置可確保在任何情況下一直處于次臨界狀態(tài)，技術(shù)人員可近距離方便操作。

同造價高得多的臨界裝置相比，JSA 顯得安全、簡單，但由于次臨界裝置通量密度非常低，要充分利用這種裝置完成很多原來需在臨界裝置上完成的實驗難度很大。按照合同要求，在JSA 的物理設(shè)計過程中結(jié)合考慮了JSA需體現(xiàn)的次臨界裝置特點和大量實驗研究需要，保證合同的順利完成。

1 裝置描述

JSA 總體設(shè)計方案選取了立式平臺結(jié)構(gòu)，如圖1所示。堆芯容器坐落在支撐板上，由支柱單獨支撐，進水、排水回路以及中子源孔道均直接與其相連。貯存水箱布置在操作平臺的外部，去離子水制造系統(tǒng)提供貯存水箱的去離子水。中子源貯存罐直接位于堆容器下部。堆容器外部為操作平臺，操作平臺高度約1.8m，便于人員在平臺下部的操作。操作平臺直接連有一個小型扶梯，供人員上下使用。

圖1 JSA 現(xiàn)場圖Fig.1 Overall view of JSA

堆芯容器為立式桶形容器，實驗時裝載去離子水作為慢化劑，下柵格板采用鋁板制造，上柵格板采用有機玻璃板制造，開有313 個φ10.2 mm 的通孔用于支撐燃料元件，柵距19.1mm，呈正方形排列，燃料元件從上柵格板插入，周圍布置有3個BF3中子探測器，如圖2所示。為方便燃料元件的插入和定位，下柵板上開有與上柵板位置對應(yīng)的用于定位支撐燃料元件的錐形孔，堆芯容器下部裝有4個照明燈罩。

控制室緊鄰堆廳，布置有控制臺、監(jiān)控系統(tǒng)顯示屏和其他輔助設(shè)備，方便實驗人員對JSA的觀察、控制和操作，如圖3所示。

為保證操作人員在控制臺遠距離操作中子源時，中子源進出堆芯順暢，以及滿足后續(xù)實驗中對快速撤出中子源的要求，針對本裝置，設(shè)計了氣動中子源驅(qū)動系統(tǒng)，用于提升或吹出中子源。中子源為Pu-Be源，源強為1.1×106s-1。

圖2 JSA 堆芯容器Fig.2 Core vessel of JSA

圖3 控制室布置Fig.3 Layout of control room

核測量信號來自于在堆容器中對稱布置的3根BF3正比計數(shù)管，通過阻燃屏蔽電纜接入控制臺和計算機。電磁閥、水泵的開關(guān)信號均通過控制臺控制。控制臺外接當?shù)氐慕涣麟娫矗峁┨綔y器、電磁閥等的高低壓電源輸入和開關(guān)控制。測量信號接入計算機，用于狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)處理。本項目開展的物理實驗如下：1）啟動和逼近臨界實驗；2）靜態(tài)實驗，包括軸向通量密度分布測量實驗、徑向通量密度分布測量實驗和絕對通量密度分布測量實驗；3）動態(tài)實驗，包括跳源法實驗、Rossi-α 方法實驗和Feynman-α方法實驗。

2 設(shè)計程序

JSA 的堆芯物理設(shè)計采用WIMS／CITATION 程序和MCNP 程序互核的方式進行理論計算，以理論計算結(jié)果作參考進行堆芯裝載方案設(shè)計。

2.1 WIMS／CITATION 程序

WIMS程序是國際上著名的柵元參數(shù)計算程序，可求解各群擴散參數(shù)、柵元keff、通量密度及反應(yīng)率等數(shù)據(jù)。該程序能譜適用范圍很寬，適用于熱堆和快堆計算，它能處理平板幾何、球幾何和圓柱幾何，邊界條件能采用對稱邊界、白邊界和自由邊界。另外，該程序除能處理單棒柵元外，還能處理棒束和超柵元問題。

CITATION 程序可用來求解擴散理論有限差分表示的問題。維數(shù)可以是一維、二維或三維，具有任意的群-群散射，可處理x-y-z、θ-R-z、六角形-z、三角形-z等幾何。

在進行臨界計算時，首先利用WIMS得到不同柵元材料的均勻少群截面（散射、吸收及裂變）和散射矩陣，然后將其作為CITATION 的輸入數(shù)據(jù)并最終獲得次臨界堆芯的keff和少群絕對通量密度。

2.2 MCNP程序

MCNP程序是美國LANL開發(fā)的用于計算復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)的蒙特卡羅中子-光子-電子耦合輸運程序，可用于計算中子、光子、電子或中子-光子-電子耦合輸運問題及本征值問題等。

上述兩套程序均可勝任JSA 的堆芯物理設(shè)計，它們采用不同的反應(yīng)堆物理理論方法，相互之間的配合驗證可增加計算結(jié)果的可信度。

3 堆芯物理設(shè)計

本裝置采用正方形柵格布置，通過上下柵格板上的孔道固定燃料元件，上柵格板由透明有機玻璃板制造，下柵格板由鋁板制造，通過相連的支柱固定在反應(yīng)堆容器上。柵格板上有燃料元件孔道位置，keff滿足次臨界限值的要求（0.94＜keff＜0.95）。堆容器采用鋁制造。

考慮到本裝置次臨界度較深，已確定的中子源強又限制了整個次臨界裝置的中子通量密度水平，經(jīng)優(yōu)化計算，確定了本裝置的堆芯參數(shù)。

3.1 燃料元件

堆芯燃料元件結(jié)構(gòu)如圖4所示。芯塊和包殼采用與核電廠一致的燃料制造工藝，在確保燃料元件質(zhì)量的前提下，提高燃料元件制造經(jīng)濟性，UO2芯塊的富集度為3.4%，包殼材料為Zr-4合金。芯塊和包殼之間為氦氣氣隙。燃料元件的燃料芯塊高度為430 mm，芯塊上下部采用Al2O3塊填充，最上端采用彈簧固定，最后焊接加工成型，上下端頭設(shè)計借鑒了多年研究堆的設(shè)計經(jīng)驗，方便燃料元件的定位和固定。

圖4 次臨界裝置燃料元件示意圖Fig.4 Schematic diagram of fuel rod for subcritical assembly

3.2 堆芯布置

與臨界裝置不同，燃料柵距設(shè)計采用最佳慢化柵距，堆芯半徑約為400mm，柵格板元件孔數(shù)為313個，設(shè)計裝載301根燃料元件，另留有12個備用孔道，堆芯柵格布置方案如圖5所示。

圖5 堆芯柵格布置方案Fig.5 Layout of reactor core lattice

本文采用WIMS／CITATION 程序搜索最佳慢化柵距，計算結(jié)果如圖6所示。同時使用MCNP程序?qū)υ摲桨高M行校核，該程序的幾何描述如圖7 所示。最佳慢化柵距的設(shè)計結(jié)果為19.1mm，對于滿足合同要求的保證本裝置在任何情況下都處于次臨界狀態(tài)的條件非常重要。

采用上述兩套程序針對最終優(yōu)化方案分別進行臨界計算，結(jié)果列于表1。可看出，keff設(shè)計結(jié)果在0.94～0.95之間，滿足合同要求，與造價高得多的臨界裝置相比，有利于科研人員近距離觀察和研究。

圖6 最佳慢化柵距的搜索曲線Fig.6 Search curve of optimal moderation lattice

圖7 MCNP的幾何模型Fig.7 Geometric model of MCNP

表1 臨界計算結(jié)果Table1 Results of critical calculation

3.3 中子通量密度計算

在最終確定的方案基礎(chǔ)上，采用WIMS／CITATION 程序進行一系列中子通量密度計算，不同位置的通量密度計算結(jié)果如圖8、9所示。

可看出，JSA 堆芯最大熱中子通量密度約為103cm-2·s-1。類似于其他次臨界裝置，JSA 的通量密度較臨界裝置的低得多。在JSA的物理設(shè)計過程中重點考慮的就是合同要求的實驗較多，這些實驗不僅要體現(xiàn)次臨界裝置應(yīng)有的軸向特性，還需兼顧本裝置通量密度低和一般在臨界裝置上完成的各實驗要求各不相同的特點。上述中子通量密度計算結(jié)果經(jīng)反復(fù)分析和驗證，能有效優(yōu)化實驗方案，確定活化探測材料和測量儀器等的使用，指導(dǎo)實驗的順利完成，從而也保證了本裝置能較其他次臨界裝置完成更多一般需在臨界裝置上完成的實驗研究。

圖8 中心元件軸向通量密度分布Fig.8 Distribution of axial neutron flux density in center fuel rod

4 小結(jié)

約旦次臨界裝置安全、簡單、實用，給物理設(shè)計提出了較高要求。在物理設(shè)計過程中，既需考慮它與臨界裝置的不同，又需兼顧實驗研究需要，本文給出了優(yōu)化的次臨界裝置方案和相應(yīng)物理設(shè)計結(jié)果。目前該項目已在約旦科技大學(xué)順利完成合同規(guī)定的所有實驗的培訓(xùn)、演示和技術(shù)轉(zhuǎn)讓任務(wù)。現(xiàn)場調(diào)試與實驗結(jié)果表明，本文物理設(shè)計結(jié)果與裝置實際狀況吻合良好，對于實驗的順利完成起了很好的指導(dǎo)作用。