ADS啟明星1號次臨界度測量研究

劉　鋒，張　巍，章秩烽，劉　洋，劉東海，李開健

ADS啟明星1號次臨界度測量研究

劉鋒，張巍，章秩烽*，劉洋，劉東海，李開健

（中國原子能科學研究院反應堆工程技術研究部，北京 102413）

次臨界反應堆的反應性測量問題，一直是實驗反應堆物理中的一個難題，且近年來越來越迫切。文章針對ADS次臨界系統的特征，提出了用脈沖源法結合源倍增法測量系統次臨界度的新思路，并在ADS啟明星1號次臨界實驗裝置上進行了測量實驗。根據幾組不同次臨界度的測量結果來看，與理論計算結果偏差一般在600 pcm左右，確認了該方法的有效性。

次臨界反應堆；次臨界度；脈沖源法；源倍增法

對于次臨界反應堆的次臨界度測量問題，一直是實驗反應堆物理中的一個難題，在深次臨界下有效增殖因子eff很難測準。隨著加速器驅動的潔凈核能系統（ADS）在國際核能界研究熱潮的興起，相關次臨界參數測量研究也引起廣泛重視。由于ADS不能達到臨界，所以沒有一個準確的參考點，理論計算方法無法保證計算的準確性，精確地測量次臨界反應性變得尤為重要。基于次臨界堆加速器的穩態運行和脈沖運行兩種工作模式，采用脈沖源法測量系統的次臨界度較為方便。本文在傳統脈沖源測量方法基礎上，結合了源倍增法，提出了一種測量次臨界反應性的新思路，并在啟明星1號次臨界實驗裝置上進行了驗證，得到了良好結果。

1　實驗測量原理

從點堆動力學方程出發，即可推導得到次臨界狀態下的基波瞬發中子衰減常數的表達式[1]，

其中：

——反應性；

——緩發中子有效份額；

Λ——中子代時間。

當變化不大時，假設Λ近似相等，則有

次臨界狀態下，引入外中子源，由源倍增公式[2]和反應性的定義式可以得到

其中：

0——系統內無任何裂變材料時，有源狀態下的探測器計數率；

——系統內裝載裂變材料后，有源狀態下的探測器計數率。

如果分別在兩個差別不大的次臨界狀態下，利用脈沖源法測量得到瞬發中子衰減常數，利用源倍增法測量有源穩態情況下的中子計數率，則可計算出第二個次臨界狀態下以為單位的反應性。

脈沖源法測量瞬發中子衰減常數時，可以采用加速器中子源、高壓倍加器或者小型化的中子管，使其工作在脈沖模式，選擇合適的脈沖頻率和采集頻率，將每個周期內的測量結果疊加累積，即可得到瞬發中子衰減曲線，繼而擬合得到值[4]，如圖1所示。擬合公式為公式（7）。

脈沖頻率的選擇是使在每個測量周期=1/內，瞬發中子成分全部衰減掉，而緩發中子不衰減。一般先估算得到的參考值，然后選擇=ln2/×，取值范圍為5～10。

測量有源穩態情況下的中子計數率時，需要穩定中子源。可以選擇加速器或中子管，使其工作在穩態運行模式，即可提供穩定的中子源。這在ADS的工程化應用過程中，是比較方便、實際的選擇。外中子源也可選擇一個同位素中子源，如Am-Be中子源、252Cf中子源，通過衰變或者核反應產生穩定的外源中子。在裝置首次裝料的臨界外推過程中，即可方便的測量得到不同次臨界度下的中子計數率值。

2　實驗過程

實驗測量過程在ADS啟明星1號次臨界實驗裝置[5]上進行，如圖2所示。堆芯六角形區為快區，裝滿天然鈾燃料元件，六角形外為熱區，裝載3%富集度UO2燃料元件。中子探測器選擇3He正比計數管，布置在堆芯元件區最外圈。

圖2　啟明星1號軸向橫切面與徑向橫切面示意圖

本次實驗過程中測量有源穩態情況下的中子計數率時，因次臨界外推需求，固采用同位素中子源252Cf，通過跑兔系統每次吹入中子源區特定位置。外推過程中利用源倍增法測量得到四種不同裝載量下的值，如表1所示。脈沖源法測量實驗選擇D-T中子管，將中子源區跑兔管取出，放入D-T中子管。脈沖頻率設定為=200 s-1，探測器采集頻率設定為=2×105s-1。每次中子管脈沖模式下啟動30 min左右，對應四種裝載量下的測量曲線如圖3所示。對瞬發中子衰減曲線按照公式（7）進行擬合。為了避免高次諧波的影響，選擇1～3 ms時間段曲線進行擬合，結果為1，然后以1.1～3.1 ms時間段曲線進行擬合，結果為2，依此類推，直到擬合完2～4 ms時間段曲線得到結果11。最后將擬合結果1～11取平均值即為最終結果。最終實驗測量結果如表1所示。根據公式（6）即可計算得到以為單位的反應性。

表1　實驗測量結果與反應性計算結果

圖3　快區第6圈處不同裝載量下瞬發中子衰減曲線

3　結果分析

利用MCNP計算不同裝載量下的eff和值[6]，得到不同裝載量下反應性的理論計算結果，見表2所示。由實驗測量結果計算得到的實驗值eff，與理論計算eff進行比較，結果見表3所示。

表2　理論計算參數

表3　實驗值與理論值比較

通過理論計算和實驗測量值的比較可以發現，在深次臨界下該方法測量結果與理論計算結果偏差一般在600 pcm左右。在實驗測量中，誤差來源有以下幾方面：瞬發中子衰減常數擬合值、有源穩態下的中子計數率、不同次臨界下代時間Λ的近似。這幾個參數對擾動的敏感性均比較強。增加中子管的測量時間，即增加脈沖注入堆芯數，即可使衰減曲線更加平滑，擬合誤差更小。增加有源穩態下探測器的采集周期和采樣數，可有效降低中子計數率的誤差。公式推導中忽略了代時間的變化，也會對結果引入一定誤差。

4　結論

本文應用源倍增法和脈沖源法相結合的新思路對次臨界反應堆啟明星1號的次臨界度進行了測量，通過與理論計算結果作對比，結果偏差較小，證明了該方法的有效性。該方法在ADS工程化應用測量研究上，提供了一種可行性高的次臨界度測量方案，不需使用復雜的測量工具，只依靠ADS的脈沖中子源和堆上探測器即可實現。

［1］ 羅璋琳，史永謙，潘澤飛．實驗反應堆物理導論［M］．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011：122-123．

［2］ 劉鋒，史永謙，朱慶福，等．ADS啟明星1#次臨界反應堆緩發中子有效份額的測量［J］．原子能科學技術，2016，50（8）：1445-1448．

［3］ 阮可強．核臨界安全［M］．北京：原子能出版社，2001：53-54．

［4］ 史永謙．核反應堆中子學實驗技術［M］．北京：中國原子能出版社，2011：172-173．

［5］ 史永謙，夏普，羅璋琳，等．ADS次臨界實驗裝置-啟明星1#［J］．原子能科學技術，2005，39（5）：447-450．

［6］ Svetozar M，Jan H，Gabriel F．MCNP5 delayed neutron fraction calculation in training reactor VR-1［J］．Journal of Electrical Engineering，2008，59（4）：221-224．

Study on the Sub-criticality Measurement for the ADS Venus 1#

LIU Feng，ZHANG Wei，ZHANG Zhifeng*，LIU Yang，LIU Donghai，LI Kaijian

（China Institute Of Atomic Energy，P.O.Box 275-45，Beijing 102413，China）

The reactivity measurement of the subcritical reactor has always been a difficult problem in experimental reactor physics, and it has become more and more urgent in recent years. In view of the characteristics of the ADS subcritical system, a new idea of measuring the subcritical degree of the system by pulse source method combined with source multiplication method is put forward in this paper, and a measurement experiment is carried out on the subcritical device of the ADS Venus 1#. According to the measurement results of several groups of different sub-criticality, the deviation from the theoretical calculation results is generally around 600 pcm, confirming the effectiveness of this method.

Subcritical Reactor; Sub-criticality; Pulse source method; Source multiplication method

TL375.1

A

0258-0918（2022）02-0262-04

2020-12-22

國家自然科學基金資助項目（91126005）資助

劉 鋒（1988—），男，河北無極人，助理研究員，現主要從事反應堆物理實驗與核臨界安全方面研究

章秩烽，E-mail: 1664157986@qq.com