國(guó)產(chǎn)1000MWe級(jí)核電站RPV材料輻照中子注量測(cè)量及控制

摘要：在推進(jìn)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站壓力容器的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，為評(píng)價(jià)該項(xiàng)目材料性能，開展了材料輻照考驗(yàn)。為確定輻照試驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)--快中子注量的準(zhǔn)確性，在材料輻照開始前進(jìn)行條件試驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)量輻照位置快中子注量率，對(duì)材料輻照時(shí)間進(jìn)行控制。輻照期間同時(shí)布置活化探測(cè)片，測(cè)量樣品真實(shí)的輻照快中子注量。試驗(yàn)結(jié)果表明：條件試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較好的反應(yīng)了輻照裝置內(nèi)中子注量率，全部4批次輻照試驗(yàn)均滿足目標(biāo)要求，與目標(biāo)值最小偏差為1.00%，最大偏差6.58%。試驗(yàn)中子注量控制符合要求。

關(guān)鍵詞：百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站 壓力容器 快中子注量 活化法

中圖分類號(hào)：TL363 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2015）07（c）-0000-00

反應(yīng)堆壓力容器（RPV）是安置核反應(yīng)堆并承受其巨大運(yùn)行壓力的密閉容器，是壓水堆核電站中的關(guān)鍵設(shè)備，是不可更換的設(shè)備，必須保證其在整個(gè)壽期內(nèi)的可用性及安全性。由于其在高溫、高壓及中子場(chǎng)環(huán)境下使用，必須開展輻照試驗(yàn)，分析中子輻照對(duì)其性能的影響。

目前，我國(guó)只能生產(chǎn)60萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站的反應(yīng)堆壓力容器。中廣核與一重聯(lián)手正在推進(jìn)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站壓力容器的國(guó)產(chǎn)化，應(yīng)用于紅沿河核電一期工程。本次輻照試驗(yàn)即為評(píng)價(jià)該項(xiàng)目材料性能。為確定輻照試驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)——快中子注量的準(zhǔn)確性，在材料輻照開始前進(jìn)行條件試驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)量輻照位置快中子注量率，對(duì)材料輻照時(shí)間進(jìn)行控制。輻照期間同時(shí)布置活化探測(cè)片，測(cè)量樣品真實(shí)的輻照快中子注量。

1試驗(yàn)方案

材料的堆內(nèi)考驗(yàn)主要是檢測(cè)中子對(duì)材料的損傷，中子尤其是能量大于1.0MeV的快中子對(duì)壓力容器材料的脆化效應(yīng)非常明顯，根據(jù)要求，材料輻照快中子注量分別為（3.0±10%）×1019n.cm-2，（6.0±10%）×1019n.cm-2，（9.0±10%）×1019n.cm-2，（1.2±10%）×1020n.cm-2四個(gè)目標(biāo)值。

材料樣品是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求制作的，其形狀是固定的，同時(shí)由于堆內(nèi)可輻照空間的有限性和溫度的控制要求，樣品只能布置到輻照只能在設(shè)計(jì)好的輻照裝置中。活化探測(cè)片也布置在輻照裝置內(nèi)合適的位置。對(duì)快中子的準(zhǔn)確測(cè)量，一般采用中子活化法，在輻照位置布置閾探測(cè)片（即只有中子能量高于某一閾值時(shí)才會(huì)產(chǎn)生活化反應(yīng)），這就決定了無(wú)法在輻照過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻照中子注量情況。只有裝置出堆后才能開展相關(guān)中子注量測(cè)量工作。

在實(shí)際的考驗(yàn)中，輻照中子注量的控制最終需要對(duì)應(yīng)到輻照時(shí)間的控制，為此必須知道測(cè)量位置精確的快中子注量率。目前的計(jì)算程序無(wú)法精確完成此項(xiàng)工作，只能進(jìn)行計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，計(jì)算偏差超出10%是完全可能的。本次實(shí)驗(yàn)中，采用了理論計(jì)算與條件試驗(yàn)相結(jié)合的方法，即在真正的樣品入堆輻照前，將一個(gè)全模擬的裝置放入輻照位置，待輻照一段時(shí)間后，將裝置出堆進(jìn)行中子注量測(cè)量。將此試驗(yàn)值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析，最終確定一個(gè)更加接近實(shí)際的快中子注量率。并計(jì)算真實(shí)樣品堆內(nèi)輻照時(shí)間。

試驗(yàn)中選取的活化探測(cè)片材料包括有Fe、Ni、Ti、Cu、Nb等，其活化核反應(yīng)及相關(guān)參數(shù)見表1。

2試驗(yàn)

2.1 探測(cè)片準(zhǔn)備

本項(xiàng)目所有輻照裝置均在高通量工程試驗(yàn)堆內(nèi)進(jìn)行輻照，輻照?qǐng)鲋谐熘凶油膺€有較高的熱中子和超熱中子。根據(jù)計(jì)算中子注量率和條件試驗(yàn)輻照裝置的輻照時(shí)間，確定條件試驗(yàn)各種探測(cè)片質(zhì)量，確保出堆后探測(cè)片的放射性劑量滿足輻射防護(hù)要求。材料樣品輻照時(shí)隨同入堆的探測(cè)片質(zhì)量按照條件試驗(yàn)測(cè)量的中子注量率進(jìn)行估算。探測(cè)片制作好后用高精度電子天進(jìn)行質(zhì)量稱量。

2.2探測(cè)片布置

輻照裝置采用輻照罐密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)外通水，氣體介質(zhì)為惰性氣體，輻照試樣共7層。在與陰面和陽(yáng)面探測(cè)片布置方向相對(duì)應(yīng)的裝置外壁作了陰陽(yáng)面標(biāo)識(shí)，輻照時(shí)陽(yáng)面正對(duì)著堆芯中央位置。在條件試驗(yàn)時(shí)，陽(yáng)面中間高度位置布置了包含F(xiàn)e、Ni、Ti、Cu、Nb的一組探測(cè)片，其它每層高度均布置了一個(gè)Fe探測(cè)片用于軸向分布測(cè)量，陰面中間高度位置也布置了一個(gè)Fe探測(cè)片，用于監(jiān)測(cè)陰陽(yáng)面分布。真實(shí)樣品入堆輻照時(shí)，只在陽(yáng)面中間高度位置和上下中子注量率最低位置和陰面中間高度位置布置了一個(gè)Fe探測(cè)片，以監(jiān)督輻照裝置的全裝置不均勻性。

2.3 條件試驗(yàn)

高通量堆功率高，裝置出入堆時(shí)需要停堆操作，導(dǎo)致反應(yīng)堆跌入碘坑而無(wú)法立即啟動(dòng)，且由于條件試驗(yàn)時(shí)間只要滿足探測(cè)片活化后可實(shí)行測(cè)量即可，沒(méi)有另外的時(shí)間要求。為保證其它輻照生產(chǎn)任務(wù)、減少停啟反應(yīng)堆的次數(shù)，條件試驗(yàn)裝置在高通量堆中心孔道內(nèi)輻照了14.09個(gè)有效滿功率天。

出堆后裝置運(yùn)輸至配套的放射性熱室內(nèi)進(jìn)行解體，取出其中的探測(cè)片。切取陽(yáng)面中間高度位置的一組探測(cè)片時(shí)，將包覆探測(cè)片的鋁箔損壞，其內(nèi)部探測(cè)片全部丟失，只保存下用石英管單獨(dú)封裝的Nb探測(cè)片。只好在探測(cè)片的不銹鋼封裝盒上去下小塊切片，利用其中的Ni和Fe進(jìn)行近似測(cè)量，用高純鍺γ譜儀收集探測(cè)片的放射性能譜，計(jì)算放射性比活度和快中子注量率。測(cè)量得到陽(yáng)面第4層的快中子注量率為1.140E+14n.cm-2.s-1。中子注量率為1.157E+14n.cm-2.s-1。

考慮實(shí)驗(yàn)中角度定位無(wú)法確保陽(yáng)面正對(duì)堆芯中央位置，可能會(huì)產(chǎn)生小角度的方向偏差，控制時(shí)取陰陽(yáng)面平均值1.15 E+14n.cm-2.s-1，與理論計(jì)算值偏差-5.8%。第一批次樣品輻照時(shí)以計(jì)算值下偏約5%進(jìn)行輻照時(shí)間控制。

2.4樣品輻照

4批次真實(shí)樣品分別布置在4個(gè)獨(dú)立的輻照裝置內(nèi)，探測(cè)片的布置完全相同。輻照試樣共七層。由于真實(shí)樣品第3層高度與條件試驗(yàn)第四層高度相當(dāng)，所以實(shí)際樣品輻照時(shí)，在標(biāo)識(shí)為“陽(yáng)面”的第3層模擬試樣內(nèi)布置一組用于測(cè)量快中子注量率譜的探測(cè)片（高純的鐵、鎳、鈦、銅），在 “陽(yáng)面”第1、7層和陰面的第3層布置一個(gè)鐵探測(cè)片。裝置在中國(guó)核動(dòng)力院的高通量工程試驗(yàn)堆上進(jìn)行輻照，輻照時(shí)間控制按照前次試驗(yàn)結(jié)果確定，同時(shí)用理論計(jì)算進(jìn)行細(xì)微修正，最終確定輻照時(shí)間如表2。

3快中子注量率及快中子注量計(jì)算

當(dāng)輻照時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間后反應(yīng)堆停堆，將輻照裝置吊出輻照孔道，并運(yùn)輸至熱室進(jìn)行解體切割，按照入堆時(shí)已做好的標(biāo)記進(jìn)行分類，用高純鍺γ譜儀進(jìn)行能譜收集，計(jì)算γ活度。

以各次試驗(yàn)陽(yáng)面第3層為參考，通過(guò)專用程序計(jì)算每次試驗(yàn)中間位置陽(yáng)面平均快中子注量率和快中子注量。并用上下位置和陰面位置的探測(cè)片測(cè)量不均勻性。4批次試驗(yàn)輻照段快中子注量見表3。

從表3可以看出，全部4批次實(shí)際控制平均值與目標(biāo)值偏差均在設(shè)計(jì)要求±10%以內(nèi)，并且全部輻照樣品實(shí)際受照快中子注量與輻照目標(biāo)值的偏差在±13%以內(nèi)，控制措施得當(dāng)，輻照效果非常理想。

4不確定度分析

各探測(cè)片快中子注量率不確定度由反應(yīng)率不確定度和譜平均截面不確定度合成。各探測(cè)片譜平均截面不確定度取自ASTM E261，反應(yīng)率不確定度主要考慮了質(zhì)量測(cè)量不確定度、能譜計(jì)數(shù)不確定度、譜儀探測(cè)效率不確定度、測(cè)量射線發(fā)射強(qiáng)度不確定度和、同位素豐度不確定度和半衰期不確定度等，各測(cè)量項(xiàng)之間互不相關(guān)，直接計(jì)算得到第三層試樣標(biāo)識(shí)為陽(yáng)面的一組探測(cè)片快中子注量率不確定度見表4。

以各探測(cè)器測(cè)量的快中子注量率不確定度平方的倒數(shù)為權(quán)重因子，計(jì)算4批次輻照中間陽(yáng)面權(quán)重平均快中子注量率不確定度見表4。

5結(jié)論

快中子（E>1.0MeV）注量率實(shí)測(cè)結(jié)果表明，條件試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較好的反應(yīng)了輻照裝置內(nèi)中子注量率，全部4批次輻照試驗(yàn)均滿足目標(biāo)要求，與目標(biāo)值最小偏差為1.00%，最大偏差6.58%。試驗(yàn)中子注量控制符合要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅璋琳，羅安仁.實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆物理[M].北京：原子能出版社.1987：24-35.

[2] 李潤(rùn)東，反應(yīng)堆中子通量分布測(cè)量及數(shù)據(jù)處理[J].核動(dòng)力工程，1999，（4）.