啟明星Ⅱ號雙堆芯零功率裝置

朱慶福，周 琦，梁淑紅，張 巍，劉 洋，夏兆東，楊歷軍，權艷慧，羅皇達，劉東海，王 璠，呂 牛，尹生貴

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

零功率裝置指的是運行功率在千分之一瓦到幾十瓦之間的研究試驗反應堆，它的主要用途是獲取新的知識，對于反應堆研發有著非常重要的作用。任何一種新堆型的堆芯物理設計，都需要在零功率裝置上進行研究和優化，了解其中子堆物理參數，掌握慢化劑、反射層和結構材料在反應堆中的中子學特性，驗證反應堆測量與控制設備的原理和性能。目前世界各國的零功率裝置占研究堆的比例超過30%，各國均加大投入針對各類新型核能系統研制零功率裝置，開展前期的基礎性研究。

20世紀90年代，中國原子能科學研究院針對新型核能系統之一的加速器驅動的次臨界系統(ADS)，建成了快熱耦合的啟明星1#次臨界零功率裝置[1]。目前，啟明星1#及我國現有的零功率裝置已無法滿足新時期下我國新型核能系統(如重金屬冷卻反應堆、ADS和其他新堆型創新性研發)對基礎性零功率實驗的要求。在中國科學院戰略性先導科技專項ADS專項的支持下[2]，中國原子能科學研究院針對我國重金屬冷卻先進核能系統研發及工程化設計驗證，研制了啟明星Ⅱ號雙堆芯零功率裝置[3]，獲取了ADS金屬散裂靶與反應堆耦合特性，重金屬冷卻劑中子物理特性，緩沖區材料、結構材料和吸收材料的反應性效應，以及環形燃料[4]的中子物理特性參數等，驗證了中子截面數據、堆芯物理設計方法以及反應堆監測技術，檢驗了燃料元件、重金屬冷卻劑、關鍵結構材料和中子吸收材料的反應性價值。啟明星Ⅱ號為支持我國重金屬冷卻反應堆工程化設計及新型核能系統的集成研發提供了綜合性實驗平臺。

本文對啟明星Ⅱ號雙堆芯零功率裝置的總體設計情況進行介紹。

1 啟明星Ⅱ號簡介

啟明星Ⅱ號是一座擁有兩種堆芯——以水為介質的水堆堆芯和以鉛為介質的鉛堆堆芯、以控制棒進行調節的立式雙層小型多功能臨界裝置。兩種堆芯分工不同，在設計時充分考慮了控制方式的通用性和集成性，由一套儀控系統實現控制，通過選擇開關控制切換，不同時運行。

啟明星Ⅱ號的水堆堆芯擁有同心圓和方形兩種類型的柵格排布方案，主要側重于原理性驗證及熱中子能譜環境下的基準性實驗研究，開展了關鍵裂變產物核素、重要結構材料、特殊用途材料等樣品的堆內實驗檢驗，實驗模擬并獲取了乏燃料密集貯存的臨界數據，為環形燃料先導組件入堆考驗構建了相似的環形燃料組件+實心燃料組件的零功率堆芯，下一步將為環形燃料的工程應用開展全堆芯環形燃料組件的實驗，同時也具備改變為六角形或其他特定方案的能力。

啟明星Ⅱ號的鉛堆堆芯目前只有同心圓柵格，內部沒有慢化劑，燃料元件以同心圓柵格排列，之間為固態的金屬鉛或鉛鉍合金，構建了鉛基快堆特有的材料與能譜環境，主要側重于重金屬冷卻反應堆及ADS等先進核能系統的中子物理特性實驗研究，開展了鉛基快堆關鍵物理參數測量、重要結構材料與吸收體材料的堆內檢驗，還利用中子管與散裂靶樣品構建了ADS靶-堆耦合系統，獲取了特殊的ADS反應堆靜態和動態物理參數，驗證了實驗測量方法與安全監測技術，即將為鉛鉍反應堆、ADS等新型核能系統的工程設計與建造提供實驗數據支撐。

啟明星Ⅱ號的主要參數列于表1。啟明星Ⅱ號在反應堆大廳的布局如圖1所示。

2 水堆堆芯

水堆堆芯擁有同心圓柵格和方形柵格兩類柵格排布方案，采用多種富集度、成分和結構的氧化鈾燃料元件，以不銹鋼柵格板支撐和定位燃料元件，以水作為慢化劑和反射層，以金屬鎘棒作為控制棒吸收體，以不銹鋼圓桶作為堆芯容器。兩種柵格的堆本體示意圖如圖2所示。

表1 啟明星Ⅱ號的主要參數Table 1 Main parameter of Venus-Ⅱ

2.1 燃料元件、試驗元件和占位元件

同心圓柵格排布方案只使用B型燃料元件(235U富集度為20%的U3O8實心元件)。方形柵格排布方案使用3種不同的燃料元件，分別為C型燃料元件(235U富集度為3%的UO2實心元件)、F型燃料元件(235U富集度為4.95%的UO2環形元件)和G型燃料元件(235U富集度為4.95%的含釓UO2環形元件)，其中G型燃料元件按燃料芯塊中Gd2O3含量的不同分為G1、G2和G3 3種，質量分數分別為5%、8%和10%。

圖1 啟明星Ⅱ號在反應堆大廳的布局Fig.1 Layout of Venus-Ⅱ in reactor hall

a——同心圓柵格；b——方形柵格圖2 水堆堆芯兩種柵格的堆本體示意圖Fig.2 Diagram of reactor body of water core for two lattices

方形柵格排布方案還使用6種類型的試驗元件，包含Ag、Sm、Gd、Nd、Mo和Rh 6種元素天然豐度的金屬單質樣品，用于燃耗信任制研究中重要裂變產物的反應性價值的實驗測量與核數據的驗證，簡稱D1、D2、D3、D4、D5和D6型試驗元件。

為了防止誤插元件，同時具備改變柵格中慢化劑份額的能力，方形柵格排布方案使用鋁棒作為占位元件或擠水棒，簡稱為E型占位元件。

水堆堆芯使用的各種元件主要參數列于表2。

表2 水堆堆芯使用的各種元件參數Table 2 Various rod parameters used in water core

a——同心圓柵格排布方案；b——方形柵格排布方案，柵距為12.6 mm； c——方形柵格排布方案，柵距為15.0 mm；d——方形柵格排布方案，柵距為23.6 mm圖3 水堆堆芯4種柵格排布方案Fig.3 Four lattice arrangements in water core

2.2 柵格排布方案

在同心圓柵格排布方案中，B型燃料元件以同心圓的方式圍繞堆芯中心的中子源區排布，共14圈，燃料元件的柵距約為14.5 mm。

在方形柵格排布方案中，堆芯中心沒有中子源區，根據柵距可分為12.6、15.0和23.6 mm 3種排布方案，其中柵距為12.6 mm和15.0 mm的排布方案使用C型燃料元件，柵距為23.6 mm的排布方案使用C型、F型和G型3種燃料元件。3種排布方案都使用D型試驗元件和E型占位元件。

水堆堆芯兩類4種柵格排布方案的示意圖如圖3所示。

2.3 反應性控制系統

水堆堆芯每種柵格排布方案使用對應的反應性控制系統，每套反應性控制系統包含兩個獨立的安全棒和兩個獨立的調節棒，棒體采用金屬鎘作為中子吸收體填充于不銹鋼管內。吸收體的長度與活性段的長度一致。通過棒體頂部的電磁離合器吸合在橋架和滑座上，滑座在滾珠絲杠、聯軸器和電機的帶動下上下移動，當停堆信號發出時，電機和電磁離合器斷電，依靠自身重力就能確保控制棒落入堆芯，實現安全停堆[5]。同心圓柵格排布方案的安全棒采用多根鎘棒并排組成的板狀結構，調節棒采用單根鎘棒結構，方形柵格排布方案的安全棒和調節棒均為單根鎘棒結構。每根安全棒的反應性價值大于1%Δk/k，每根調節棒的反應性價值在0.2%Δk/k左右。

水堆堆芯的堆芯容器還設置了DN100 mm的緊急排水閥門，停堆信號發出后會立即打開將堆芯容器內的水排至水箱，實現安全停堆。

3 鉛堆堆芯

鉛堆堆芯只有同心圓柵格一種排布方案，使用兩種高富集度的燃料元件，以固體金屬鉛模擬鉛冷卻劑，以金屬鈹、聚乙烯和石墨作為反射層，以碳化硼和金屬鎘作為控制棒吸收體。鉛堆堆芯堆本體示意圖如圖4所示。

圖4 鉛堆堆芯的堆本體示意圖Fig.4 Diagram of reactor body for lead core

3.1 燃料元件與柵格排布

鉛堆堆芯使用A型燃料元件(235U富集度為90%的金屬鈾實心元件)和B型燃料元件(235U富集度為20%的U3O8實心元件，即水堆堆芯同心圓柵格排布方案所使用的燃料元件)兩種燃料元件。A型燃料元件的芯塊直徑為9 mm，活性段為400 mm，以不銹鋼為包殼材料。B型燃料元件的活性段直徑為4 mm，活性段長度為400 mm，以鋁作為內包殼材料，以Zr-4作為外包殼材料。兩種燃料元件以同心圓柵格圍繞著堆芯內部的中子源區排布，共15圈，按照排布的燃料元件、介質材料及端部反射層可分為三區：一區排布了4圈A型燃料元件，元件之間的介質材料為金屬鉛，端部反射層為金屬鈹；二區排布了8圈B型燃料元件，元件之間填充的介質材料為金屬鉛，端部反射層為聚乙烯；三區排布了3圈B型燃料元件，元件之間填充的介質材料為聚乙烯，端部反射層為聚乙烯。鉛堆堆芯的柵格排布如圖5所示。

圖5 鉛堆堆芯三區柵格排布示意圖Fig.5 Diagram lattice arrangement of three zones in lead core

3.2 反射層系統和鉛本體

鉛堆堆芯的中子能譜較硬，在有限的燃料條件下為實現臨界必須盡可能減少堆芯中子的泄漏，設計了較為復雜的反射層系統，由燃料元件內部的反射層、頂部反射層、底部反射層和側反射層等部分組成。為減少中子從燃料元件端部的泄漏，在A型和B型燃料元件活性區的上、下兩端均設置了金屬鈹和聚乙烯芯塊。在A型燃料元件上方，設置了厚為191.5 mm的金屬鈹頂部反射層，在B型燃料元件上方，設置了同樣厚度的聚乙烯頂部反射層。在堆芯的側面，設置了800 mm厚的石墨反射層，在堆芯的底部，設置了300 mm厚的石墨反射層，如圖6所示。

為模擬重金屬冷卻劑的材料環境，鉛堆堆芯布置了1塊固態的金屬鉛本體。鉛本體內徑為66 mm、外徑為445 mm、高為428.5 mm，內部開有1個直徑為66 mm、101個直徑為11 mm和565個直徑為7.4 mm的通孔，用于排布一區和二區的燃料元件。

圖6 鉛堆堆芯反射層系統示意圖Fig.6 Diagram of reflector system for lead core

3.3 反應性控制系統

鉛堆堆芯的反應性控制系統布置在側反射層的石墨中，而不是堆芯內部，使得堆芯保持整體性，減少中子的泄漏。每套反應性控制系統包含兩個獨立的安全棒和兩個獨立的調節棒，安全棒棒體采用圓柱棒結構，利用316L不銹鋼作為外包殼，采用圓環狀碳化硼作為吸收體，內部填充為聚乙烯以提高安全棒的反應性價值。調節棒采用金屬鎘作為中子吸收體填充于不銹鋼管內。鉛堆堆芯反應性控制系統的驅動原理與水堆堆芯完全一致，每根安全棒的反應性價值大于1%Δk/k，每根調節棒的反應性價值在0.2%Δk/k左右。鉛堆堆芯在石墨底反射層中心位置(即堆芯正下方)設置了直徑為240 mm、厚為300 mm的安全塊，安全塊價值大于1%Δk/k，當停堆信號發出后，依靠自身重力就能立即下落，利用中子泄漏的原理實現安全停堆。

4 零功率實驗

4.1 水堆堆芯零功率實驗

水堆堆芯可利用添加元件和改變調節棒棒位等方式達到臨界，采用252Cf中子源作為啟動中子源，起到點火作用，避免啟動試驗初期中子計數監測上的盲區，在同心圓柵格排布方案上實現了首次臨界，裝載B型燃料元件955根。在水堆同心圓柵格排布方案上，開展的臨界實驗包括燃料元件價值測量[6]、調節棒價值測量、散裂靶樣品反應性價值測量等內容，次臨界實驗包括跳源法、落棒法、脈沖中子源法、噪聲分析法等次臨界度測量實驗。理論計算使用了引進于英國的蒙特卡羅程序MONK，使用ENDF/B-Ⅶ點截面數據，臨界計算時設置每代粒子數為1×105個，有效代數為100代，統計偏差1σ為0.000 25。水堆堆芯臨界附近keff與調節棒價值實驗測量與理論計算結果的對比如圖7所示。臨界裝載和控制棒價值實驗測量結果與理論計算結果相符合。

經過技術改造，水堆堆芯完成了同心圓柵格排布方案到方形柵格排布方案的過渡，并在方形柵格(柵距為23.6 mm)的排布方案上實現了臨界。使用相同的252Cf中子源作為啟動中子源，由于方形柵格堆芯內部沒有中子源區，因此在堆芯中心的正上方安裝了固定橫桿，用于布置252Cf中子源。方形柵格的臨界裝載方案共裝載F型環形燃料元件96根，C型燃料元件172根。在方形柵格排布方案上，已開展了C型燃料元件價值測量、F型和G型環形燃料元件價值測量、調節棒價值測量、D型試驗元件價值測量、中子能譜測量和中子通量密度分布測量等實驗，后續將在另外兩種柵距的方形柵格上開展臨界實驗。

圖7 水堆堆芯臨界附近keff(a)與調節棒價值(b)實驗測量與理論計算結果的對比Fig.7 Comparison of experimental measurement and theorectic calculation for keff (a) and adjusting rod worth (b) in water core

4.2 鉛堆堆芯零功率實驗

鉛堆堆芯可利用添加元件和改變調節棒棒位等方式達臨界。采用與水堆堆芯共用的252Cf中子源作為啟動中子源，在同心圓柵格排布方案上實現了首次臨界，臨界裝載方案為一區101根A型燃料元件、二區565根B型燃料元件和三區319根B燃料型元件。在鉛堆堆芯上開展的臨界實驗包括燃料元件價值測量，調節棒價值測量，散裂靶樣品[7]、結構材料樣品和中子吸收體樣品反應性價值測量等實驗內容。理論計算使用了與水堆實驗相同的MONK程序、核數據庫和計算參數，統計偏差1σ為0.000 25。鉛堆堆芯臨界附近keff與調節棒價值實驗測量與理論計算結果的對比如圖8所示。臨界裝載的實驗測量結果與理論計算結果相符合，但控制棒價值理論計算與實驗測量結果的絕對值存在一定偏差，主要原因可能是調節棒材料參數(如吸收體)與設計值存在偏差，目前正在通過尺寸、密度與化學成分分析確定偏差來源。

在鉛堆堆芯的中子源區安裝了由鎢鐵鎳合金、鉛鉍合金及不銹鋼等材料組成的ADS散裂靶模擬樣品，利用氘氚中子管中子源來模擬ADS的散裂中子源，針對ADS反應堆次臨界度測量與在線監督，開展了跳源法[8]、斷束法、落棒法、脈沖中子源法[9]、噪聲分析法等次臨界測量實驗，以及裂變率[10]、中子能譜和中子通量密度分布測量[11]等ADS堆芯物理特性參數測量實驗，取得了大批重金屬冷卻ADS反應堆靜態和動態物理實驗數據。

圖8 鉛堆堆芯臨界附近keff(a)與調節棒價值(b)實驗測量與理論計算結果的對比Fig.8 Comparison of experimental measurement and theorectic calculation for keff(a) and adjusting rod worth (b) in lead core

5 結論

啟明星Ⅱ號是中國原子能科學研究院針對我國新型先進核能系統基礎性研發及工程化設計驗證而研制的雙堆芯零功率裝置。啟明星Ⅱ號的水堆堆芯和鉛堆堆芯使用了多種類型的核燃料，能夠構建多種柵格類型、中子能譜和材料環境等條件的堆芯方案，配備了多套非能動安全停堆系統，具有較高的安全性。在啟明星Ⅱ號上開展了多項反應堆物理實驗，實驗測量值與理論計算值符合較好，驗證了多種實驗測量方法。啟明星Ⅱ號上開展的各項基礎性零功率實驗，將有力推動我國輕水堆的技術創新、重金屬冷卻反應堆工程化設計以及新型核能系統的集成研發。