HFETR材料輻照時間快速估算方法

劉水清+梁光遠+冉忠康+劉紅倩+王皓+徐濤忠

【摘 要】高通量工程試驗堆（HFETR ）進行材料輻照時，通常需要快速確定在堆芯一定位置輻照時所需要的輻照時間。本文對HFETR第67爐9#孔道輻照W試樣的輻照時間進行了快速估算，采用ANISN程序?qū)ζ渲凶幽茏V進行計算，中子注量率計算采用堆芯三維程序ECP，并與第61爐的計算進行比較。計算結(jié)果表明，當(dāng)HFETR運行1449MWd時，W試樣可出堆，其中子注量∫φf（E≥1MeV）計算值為1.5x1019cm-2。W試樣堆內(nèi)輻照根據(jù)預(yù)示計算的輻照時間出堆，其中子注量測量結(jié)果為1.63x1019cm-2，與計算預(yù)示值的偏差為+8.67%，小于10%的要求，設(shè)計預(yù)示計算滿足材料輻照的要求。

【關(guān)鍵詞】ANISN程序；ECP程序；輻照時間

【Abstract】It is necessary to determine the irradiation time rapidly when carrying out material irradiation in the certain position of High Flux Engineering Test Reactor （HFETR） core.This paper calculated the irradiation time rapidly of the W samples irradiating within the 9# channel of HFETR 67th core .The neutron energy spectrum was calculated using ANISN code， and the neutron flux was calculated using ECP code， the calculation values were compared with the 61th cores results. The calculation results show that the W samples can be discharged out of the core when HFETR operated 1449MWd， and the neutron flux ∫φf（E≥1MeV） calculated was 1.5×1019cm-2. The W samples were discharged out of the core according to the calculating irradiation time， the neutron flux measured was 1.63×1019cm-2.The relative deviation between the measured value and calculated value was +8.67%（<10%），which shows that predictive calculation meets the requirements of the material irradiation.

【Key words】ANISN Code； ECP Code； Irradiation time

0 引言

材料輻照考驗是HFETR主要任務(wù)之一，高通量工程試驗堆（HFETR）最大快中子（>0.625eV）注量率可達1.7×1015cm-2，最大熱中子（<0.625eV）注量率可達6.2×1014cm-2，可在很短的時間內(nèi)使輻照材料達到很高的輻照中子注量。目前，反應(yīng)堆的中子注量計算通常采用基于確定論方法或概率論方法的程序。確定論方法的程序具有計算效率高的特點，但不具備任意幾何結(jié)構(gòu)描述能力及實現(xiàn)任意要求能量段中子注量率的計算。概率論方法的程序可以實現(xiàn)任意幾何結(jié)構(gòu)描述，但計算效率很低。高通量工程試驗堆（HFETR ）進行材料輻照時，通常需要快速確定在堆芯一定位置輻照時所需要的輻照時間。HFETR在第67爐9#孔道輻照W試樣， 輻照的目標(biāo)中子注量為1.5（±10%）×1019n/cm2， 為了確定W試樣堆內(nèi)輻照時間，用ANISN程序?qū)ζ渲凶幽茏V進行計算，中子注量率計算采用堆芯三維程序ECP，并與第61爐的計算進行比較，由此估算出W試樣在HFETR輻照考驗的輻照時間。結(jié)果表明：設(shè)計預(yù)示計算滿足材料輻照的要求。

2 材料輻照快速估算

2.1 HFETR簡介

HFETR是我國自主設(shè)計、建造的用于研究和工程應(yīng)用的大型壓力殼型反應(yīng)堆，其堆芯采用規(guī)則六角形柵元的三角點陣布置，燃料組件采用多層套管燃料元件，布置非常靈活而且緊湊，堆芯采用規(guī)則的三角點陣布置，每個燃料組件、鈹組件、鋁組件、鈷靶件等均占據(jù)一個柵元，可按需要互換位置。18根控制棒連同其導(dǎo)管各占一個固定的柵格。燃料裝載可根據(jù)任務(wù)能多能少，輻照孔位置是固定的，其數(shù)目可多可少，在孔道不用時，被孔道破壞的規(guī)則柵格，可用異形填塞塊恢復(fù)完整；考驗件的中子能譜可按需要調(diào)整，因此堆芯布置上有高度的靈活性和適應(yīng)性。不僅如此，鈹組件和鋁件中心有φ20mm的孔道，正常使用時，中心孔道內(nèi)分別插有一根φ17mm的小鈹棒和小鋁棒，冷卻水通過環(huán)隙流道，鈹組件和鋁組件能得到充分冷卻，其表面溫度不超過90℃。鈹組件和鋁組件中心孔道及元件中心（φ12mm）可作為輻空間利用，59Co靶還可用作控制棒跟隨體。這些都給物理方案設(shè)計計算帶來了較大的困難。

HFETR自建成至今，已經(jīng)安全運行了30多年，其主要任務(wù)之一是材料輻照考驗。 HFETR具有中子注量率高的特點，最大快中子注量率（>0.625eV）可達1.7×1015n/cm2，最大熱中子注量率（<0.625eV）可達6.2×1014n/cm2。在堆芯和反射層內(nèi)共布置11個輻照孔道，各孔道的快、熱中子注量率值可各不相同，可滿足不同考驗?zāi)繕?biāo)的要求。輻照孔道所處柵格位置見圖1。endprint

2.2 計算程序

計算采用ANISN程序和ECP程序。

ANISN程序是離散坐標(biāo)Sn方法求解中子輸運方程的一維程序。是國際上廣泛使用、用FORTRAN編寫的計算中子和光子的程序，計算中中子按能量分為46群，見表1。

ECP程序是一個鑲嵌耦合中子擴散程序，和CELL-D柵元和組件少群群參數(shù)程序一起組成HFETR燃料管理程序系統(tǒng)。CELL-D程序是在WIMS（Winfrith Improved Multi-group Scheme）程序基礎(chǔ)上改編而成的，計算并生成ECP程序輸入文件中各種材料的截面。CELL-D程序按照計算流程共分為四個部分：基本柵元的69群計算；具體幾何柵元的少群計算；泄漏修正；燃耗計算。

HFETR堆芯裝載設(shè)計計算時，ECP程序?qū)⒍研緞澐殖稍S多三維網(wǎng)格，用細網(wǎng)有限差分方法對中子擴散方程離散化，得到中子擴散方程的差分方程組。對網(wǎng)格的通量計算采用追趕法，用最佳松弛因子加以修正；同時用粗網(wǎng)再平衡方法加速源迭代收斂，得到再平衡方程。求解再平衡方程組的內(nèi)迭代用逐次超松馳法，外迭代用切比雪夫外推來加速收斂。

HFETR堆芯燃耗計算設(shè)定了外邊界條件和內(nèi)邊界條件，內(nèi)邊界條件是假定中子通量和中子流連續(xù)分布，外邊界條件選擇外推邊界。

2.3 材料輻照快速估算過程

首先根據(jù)科研生產(chǎn)任務(wù)，采用ECP程序進行HFETR堆芯裝載方案設(shè)計。根據(jù)堆芯物理方案設(shè)計準(zhǔn)則進行堆芯裝載方案設(shè)計。

堆芯物理方案設(shè)計準(zhǔn)則為：滿足HFETR運行限值條件的要求，保證HFETR安全運行；保證堆內(nèi)材料輻照與考驗和同位素生產(chǎn)等運行任務(wù)的完成；在滿足HFETR的安全運行和生產(chǎn)任務(wù)完成的前提下力求降低運行成本。

堆芯物理方案設(shè)計的物理、熱工限值為： 堆芯在1、2AB提起后，全堆的冷態(tài)次臨界度大于1.0βeff； 堆芯有足夠的運行壽期，全堆有較高的允許功率，較小的徑向功率不均勻系數(shù)； 滿足燃料元件、材料的輻照試驗條件；考驗組件在HFETR一定功率運行下，其表面熱流密度不超過允許的最大熱流密度限值。 同位素靶件處的中子注量率水平應(yīng)在其允許值之下，但要盡量接近其允許值，使之產(chǎn)量最多。

HFETR堆芯裝載方案設(shè)計完成后，得到輻照材料處的φf（E≥0.625eV）值，再采用ANISN程序進行輻照材料處的中子能譜計算。

采用ANISN程序計算輻照材料處的中子能譜，計算得到φf（E≥1MeV）/ φf（E≥0.625eV）值。

HFETR堆芯布置較復(fù)雜，而ANISN程序是一維的，計算中必須進行適當(dāng)?shù)暮喕５怯直仨毷蛊浣Y(jié)果具有可用性與普遍性。堆芯內(nèi)分散布置的控制棒和元件區(qū)的同位素靶件考慮到燃料元件中，鈹區(qū)的同位素靶件考慮到鈹區(qū)中。堆芯簡化成由燃料元件區(qū)、鈹區(qū)、鋁區(qū)、輻照件和水層的同心圓環(huán)所組成。堆芯中燃料元件區(qū)、鈹區(qū)、鋁區(qū)等各區(qū)參數(shù)由ECP程序計算給出。

由輻照材料處的φf（E≥0.625eV）值和φf（E≥1MeV）/φf（E≥0.625eV）值可計算出輻照材料的中子注量∫φf（E≥1MeV）值。如果不滿足要求，則重復(fù)上述過程，直到滿足材料輻照要求為止。

2.4 計算結(jié)果

本文在HFETR第第67爐9#輻照孔道輻照W試樣，輻照的目標(biāo)中子注量為1.5（±10%）×1019n/cm2。首先進行HFETR第67爐堆芯方案設(shè)計，給出W試樣的處φf（E≥0.625eV）。設(shè)計出HFETR裝載方案后，利用ANISN程序計算出φf（E≥1MeV）/φf（E≥0.625eV），再利用ECP程序計算出輻照材料處的φf（E≥0.625eV），計算得到材料輻照的φf（E≥1MeV）， 從而計算出材料輻照的中子注量∫φf（E≥1MeV）。

HFETR第67爐9#輻照孔道輻照W試樣中子能譜計算結(jié)果見表1，中子注量計算結(jié)果見表2。由表2知，當(dāng)HFETR運行1449 MWd時， W試樣可出堆， 中子注量∫φf（E≥1MeV）計算值為1.5×1019cm-2。

3 結(jié)論

HFETR第67爐9#輻照孔道輻照W試樣堆內(nèi)輻照，根據(jù)預(yù)示計算的輻照時間出堆。出堆后中子注量測量結(jié)果表明W試樣的輻照中子注量∫φf（E≥1MeV）為1.63×1019cm-2，與計算預(yù)示值的偏差為+8.67%，小于10%的要求 ，設(shè)計預(yù)示計算滿足材料輻照的要求；并且能夠快速進行預(yù)示計算。本方法適用于同類型研究堆的材料輻照考驗工作。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint