中國實驗快堆某輻照實驗組件燃耗分布測量

陳效先，陳曉亮，趙階成，李 海，梁 松，胡 曉，段馨竹，章秩烽

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

中國實驗快堆(CEFR)是我國自行設計、建造和調試的第一座鈉冷快中子反應堆，其熱功率為65 MW，電功率為20 MW[1]。CEFR于2010年首次達到臨界，2011年完成40%功率并網發電，目前正在進行滿功率發電前的各項實驗。CEFR最大中子通量密度為3.15×1015cm-2·s-1，最大快中子通量密度為2.15×1015cm-2·s-1，CEFR是一座優良的輻照實驗平臺，可開展燃料、材料輻照考驗，同位素生產等多種輻照實驗。

目前在CEFR中已開展了快堆結構材料、同位素生產研究等輻照實驗。為了解CEFR堆芯不同位置的輻照性能，驗證快堆堆芯燃耗計算程序，對CEFR某一燃料實驗組件進行相對燃耗分布測量，并與理論計算結果進行對比，為后續在CEFR中開展各種類型的輻照實驗，確定乏燃料組件燃耗奠定基礎。

1 測量介紹

1.1 相對燃耗測量原理

燃耗測量對于驗證堆芯燃料管理和設計，確定燃料組件的燃料損傷或燃料特性等方面均有十分重要的意義[2-4]。對反應堆的乏燃料組件或燃料實驗組件的燃耗測量已逐步發展了多種方法，一般分為無損方法和破壞性方法[5-8]。無損方法就是通過γ掃描等非破壞性的方法對燃料元件中裂變產物進行相對或絕對活度測量，通過組件在堆內的輻照功率史，確定燃料組件的燃耗[9-12]。其中通過測量燃料中裂變產物活度，如137Cs活度，來確定實驗組件相對燃耗就是一種常見的無損測量方法[13-15]。雖然快堆中子能譜相比熱堆有較大差異，但各種裂變材料生成137Cs的裂變產額仍較高，在快堆中仍可采用137Cs活度來確定燃料組件的燃耗分布。

組件燃耗可由式(1)來確定：

(1)

在相對燃耗分布測量中，對137Cs活度測量處于相同的測量條件下，式(1)中的γ射線的探測效率、自吸收修正均為同一值，因此組件不同位置處的燃耗就正比于不同位置測量得到的137Cs γ射線的活度。

1.2 輻照實驗組件

輻照實驗組件結構如圖1所示。輻照實驗組件由操作頭、上過渡接頭、燃料元件棒、六角管、下過渡接頭及管腳構成。輻照實驗組件內部由7根燃料元件棒構成。輻照實驗組件可在CEFR初始檢驗熱室開展組件解體的操作。組件解體后，可將燃料元件棒從六角管中取出，開展外形尺寸檢查、表面檢查及相對燃耗分布測量等工作。

圖1 輻照實驗組件的結構Fig.1 Irradiation test subassembly structure

1.3 相對燃耗測量裝置

CEFR設置有初始檢驗熱室，可開展組件解體、表面檢查、外形尺寸測量等工作。熱室內還安裝有開展元件相對燃耗分布測量的裝置，測量裝置結構如圖2所示。測量裝置主要由軌道小車、準直器及高純鍺探測器構成。從解體的輻照組件中取出待測的燃料元件棒，固定在軌道小車上。軌道小車可在傳動履帶的帶動下在水平方向上平行移動。在熱室屏蔽墻中設置有準直器，準直器中準直孔的一端正對軌道小車上的燃料元件棒，另一端正對高純鍺探測器。

圖2 相對燃耗分布測量裝置示意圖Fig.2 Scheme of relative burn-up distribution measuring equipment

2 測量過程

輻照后的實驗組件經清洗后轉運至熱室，利用熱室的切割裝置將實驗組件兩端解體，取出其中的燃料元件棒。利用機械手將燃料元件棒固定在軌道小車上。

由于輻照實驗組件輻照時間較短，燃耗較淺，為提高探測器的有效計數，減少測量時間，將準直孔狹縫截面調整至2 mm ×7 mm，并將高純鍺探測器緊貼準直孔的一端。

燃料元件棒活性區尺寸為80 cm，為確保燃耗測量均勻，設置40個測量點，每2 cm設置1個測量點。軌道小車設置有標尺，通過小車控制系統可使燃料元件棒待測位置與準直孔對齊。

利用高純鍺探測器測量由燃料元件棒發出并經過準直孔的137Cs的活度，即可得到該位置的相對燃耗。為保證137Cs活度測量的統計偏差小于2%，測量過程中需要137Cs 662 keV光峰面積大于4 000個計數。

選擇實驗組件內兩個典型位置的燃料元件棒，即4#及6#燃料元件棒，對其活性段的相對燃耗分布進行測量。

3 結果及討論

圖3示出4#及6#燃料元件棒在不同軸向位置處的相對燃耗分布。由圖3可看出，4#及6#燃料元件棒不同位置的相對燃耗分布較為連續，未出現銳利的峰值，表明燃料元件棒內部芯塊成分及位置分布較為均勻。相對燃耗分布并不對稱，這主要是由于CEFR內燃料區設置有高度不一致的上轉換區及下轉換區導致的。燃料元件棒燃耗分布曲線的峰值相對平坦，峰值出現在活性區中心偏向下轉換區的位置，這與實驗組件所在位置的中子通量密度分布有關。

圖3 燃料元件棒不同位置的相對燃耗Fig.3 Relative burn-up in different positions of fuel element rods

在圖3的某些測點位置，相對燃耗出現了局部漲落，這可能是由于該位置恰好處于燃料元件棒中兩個芯塊的接觸位置，導致燃耗相比其他位置存在一定的差異。

兩根燃料元件棒雖處于實驗組件的不同位置，但相對燃耗分布基本一致，表明在實驗組件內部不同位置，軸向功率分布差異不大。理論模擬采用MCNP和ORIGEN2的耦合程序Mx_o進行三維燃耗計算，Mx_o的數據庫文件Mx_o_Data0、Mx_o_Data1、Mx_o_Data2分別對應ORIGEN2文件中3種核素的分類，即活化產物、錒系核素與裂變產物。通過程序計算CEFR滿功率運行1個周期冷卻2 a后的相對燃耗[15]。

由圖3可看出，實驗測量與理論計算結果在大部分區域符合較好，在上轉換區及下轉換區某些位置兩者出現一定偏差，可能是由于理論計算中用于燃耗計算的組件柵元高度設置較大，未能體現柵元中中子能譜變化較大的情況，中子能譜的變化會導致137Cs裂變產額發生變化。

燃耗分布測量中的主要誤差包括軌道小車定位的誤差及137Cs活度測量的誤差。由于軌道小車在測試中出現故障，未能采用定位較準確的自動運行方式，采用了誤差較大的手動定位方式，通過對某一位置多次重復定位測量，處理得到小車定位不準導致的相對誤差在10%左右。137Cs活度測量也會對結果引入一定誤差，這主要是由γ峰面積的統計誤差導致的。在實際測量中，137Cs 662 keV光峰面積的計數均在4 000以上，確保其統計誤差均在2%以內。綜合上述誤差來源，該實驗組件燃耗分布測量的相對誤差在10.2%以內。

4 結論

本工作在CEFR上建立了開展輻照實驗組件相對燃耗分布測量的系統，對CEFR首個出堆的實驗組件進行了相對燃耗分布的實驗測量。結果表明，實驗測量與理論計算結果符合較好，實驗組件燃耗分布測量的相對誤差在10.2%以內。