HFETR緩發(fā)中子與破探流量的關(guān)系的研究

李廣輝 莫家豪 李子彥 鄒德光

摘 要：堆內(nèi)破損探測系統(tǒng)是HFETR在線監(jiān)測元件破損情況的重要系統(tǒng)，通過測量取樣水的緩發(fā)中子與總γ為運行人員提供實時元件破損情況的判據(jù)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在工作流量下緩發(fā)中子計數(shù)受破損探測系統(tǒng)流量影響較大。由于閥門的敏感度高，破探系統(tǒng)流量常常變化進而引起緩發(fā)中子的變化，給運行人員對元件破損情況的實時研判與甄別分析帶來了影響。該文通過實驗，觀察到在工作流量下（60～80 L/h）中子本底相同的情況下緩發(fā)中子計數(shù)與破探系統(tǒng)流量呈線性關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系對緩發(fā)中子進行數(shù)據(jù)處理，可以得到更直觀和科學的緩發(fā)中子數(shù)據(jù)，有利于進行元件破損分析。

關(guān)鍵詞：破損探測 緩發(fā)中子 HFET 破探流量

中圖分類號：TL33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0147-03

堆內(nèi)破損探測系統(tǒng)是HFETR在線監(jiān)測元件破損情況的重要系統(tǒng)，通過測量取樣水的緩發(fā)中子與總γ為運行人員提供實時元件破損情況的判據(jù)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在工作流量下緩發(fā)中子計數(shù)受破損探測系統(tǒng)流量影響較大，這就導致運行人員難以直觀的了解反應堆一回路的水中緩發(fā)中子的變化情況，影響對元件破損的判斷。同時，在工程應用中存在破探流量不斷變化的情況。該文通過試驗及歷史數(shù)據(jù)分析的方式，發(fā)現(xiàn)在工作流量下（60～80L/h）中子本底相同的情況下緩發(fā)中子計數(shù)與破探系統(tǒng)流量呈線性關(guān)系，據(jù)此建立緩發(fā)中子與流量的關(guān)系式，解決在破探流量變化的情況下無法直接使用緩發(fā)中子數(shù)據(jù)的問題。

1 緩發(fā)中子計數(shù)率計算模型

鈾核裂變放出的中子，99%以上都是在裂變發(fā)生后10-7～10-4s的極短時間內(nèi)放射出來的，這些中子稱為瞬發(fā)中子，其余不到1%的中子則是在裂變1/10 s到數(shù)分鐘的不同時間內(nèi)發(fā)射出來的，它們稱為緩發(fā)中子[1]。緩發(fā)中子來源于元件中裂變碎片穿出或反沖，裂變碎片在固體物質(zhì)中的行程約25μm。根據(jù)核素的釋放模型，裂變碎片若要從燃料芯體中直接釋放出來，需要穿過其2倍射程的基體材料，由于元件包殼的存在，裂變碎片釋放的一次水中的可能性大大降低，但如果燃料元件有破損，則裂變碎片就會釋放到一次水中，裂變碎片產(chǎn)生的緩發(fā)中子也會被探測到[2]。

緩發(fā)中子是由緩發(fā)中子先驅(qū)核衰變產(chǎn)生，緩發(fā)中子發(fā)射周期長是維持反應堆的可控性的重要因素。同時，反應堆元件破損時，釋放出的緩發(fā)中子先驅(qū)核素會釋放出緩發(fā)中子，從一回路引出一部分冷卻劑并且測量其緩發(fā)中子就可在線監(jiān)測元件破損情況，于元件外表面有鈾粘污等原因，在一次水中會有中子本底[3]。

設(shè)Ri為緩發(fā)中子先驅(qū)核素i釋放速率，Ci為核素i堆芯冷卻劑出口的濃度，則有：

（1）

其中，Q為冷卻劑流量；μ為核素i在一回路的衰減系數(shù)；t為冷卻劑循環(huán)一周所需要的時間。在從一回路進行取樣后，在探測器監(jiān)測處的核素i濃度為：

（2）

其中，為核素i的衰變常量，為冷卻劑出口到探測器的延遲時間。之后可以計算出核素i探測器處的中子源強：

（3）

其中為單位時間內(nèi)取樣水中緩發(fā)中子先驅(qū)核i產(chǎn)生的中子源強；

V為單位時間內(nèi)取樣水體積；ε為緩發(fā)中子先驅(qū)核i每次衰變的中子產(chǎn)額。

之后緩發(fā)中子經(jīng)過石蠟慢化，被BF3計數(shù)管探測到。緩發(fā)中子的技術(shù)是計數(shù)管處的熱中子注量率與探測器乘積。源強與BF3計數(shù)管處的熱中子注量率可由MCNP得到，在這里我們設(shè)其對應關(guān)系保持不變，由于探測器效率固定，則源強的變化線性的反映于計數(shù)率的變化上[4]。

從式（1）、式（2）、式（3）可以看出：當反應堆4泵功率運行時，冷卻劑流量穩(wěn)定，延遲時間不變。此時，由于破損探測系統(tǒng)閥門開度不穩(wěn)定造成的破探流量不穩(wěn)定影響到了單位時間取樣水的體積，進而影響到了緩發(fā)中子的計數(shù)。

在60～80 L/h的工作流量下，由于工作區(qū)間較窄，可忽略破談系統(tǒng)流量變化引起的延遲時間的變化，且當破損情況一定時，不變，、為常數(shù)。

1 （4）

l為破損探測系統(tǒng)流量；為取樣的單位時間。

（5）

令，則有

（6）

從上式可以看出緩發(fā)中子的計數(shù)與流量成線性關(guān)系。且該斜率表征了水中緩發(fā)中子先驅(qū)核素的多少。

2 實驗數(shù)據(jù)與運行歷史數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù)

選取實驗爐反應堆運行壽期中前期，將破探流量從60 L/h依次調(diào)至80 L/h。每隔2 L/h待系統(tǒng)流量穩(wěn)定，且計數(shù)率穩(wěn)定后記錄十組數(shù)據(jù)?？紤]到破探系統(tǒng)閥門的靈敏度高的問題，只要求測點盡量分布均勻。實驗結(jié)果如圖1所示。

利用線性回歸對數(shù)據(jù)進行處理可以得到該系統(tǒng)狀態(tài)下緩發(fā)中子與流量的關(guān)系式：

（7）

該式相關(guān)系數(shù)，與實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性好。容易看出隨著破探系統(tǒng)流量的增加，緩發(fā)中子計數(shù)呈線性增加。

2.2 樣本一爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù)

查閱HFETR運行日志，選取元件情況穩(wěn)定的爐段，可認為24 h內(nèi)一回路中緩發(fā)中子先驅(qū)核素穩(wěn)定。由于破探系統(tǒng)閥門靈敏度高，破探系統(tǒng)流量會緩慢變化，選取流量變化平穩(wěn)的時段進行分析。圖2是樣本一爐中某時段緩發(fā)中子與流量的關(guān)系。

利用線性回歸得到關(guān)系式：

（8）

該式相關(guān)系數(shù)。

在該爐段緩發(fā)中子平均水平較實驗爐段高，故斜率較實驗高。

2.3 樣本二爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù)

圖3為樣本二爐某時段緩發(fā)中子與流量關(guān)系。

利用線性回歸得關(guān)系式：

（9）

該式相關(guān)系數(shù)。該爐緩發(fā)中子緩發(fā)中子水平與實驗爐段相當，斜率相近。

2.4 樣本三爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù)

圖4為樣本三爐緩發(fā)中子與流量的關(guān)系。

利用線性回歸得到關(guān)系式：

（10）

該式相關(guān)系數(shù)。該爐段緩發(fā)中子水平較試驗爐段低，斜率也較實驗爐段低。從圖4可以看出，在緩發(fā)中子計數(shù)小于0.3時線性度差，分析是由于水中緩發(fā)中子先驅(qū)核素濃度過低導致核素在水中分布的離散度較大，在BF3計數(shù)管的中子場不穩(wěn)定進而測得中子計數(shù)隨機性較大。由于在運行過程中運行人員并不需要對低計數(shù)值進行分析，故在低計數(shù)值的情況下線性度不佳不影響對破損的研判。

從式（7）～（10）可看出，破損探測系統(tǒng)流量與緩發(fā)中子線性相關(guān)性好，且緩發(fā)中子平均計數(shù)水平越高，斜率越大，符合理論計算式。

3 緩發(fā)中子測量數(shù)據(jù)與流量關(guān)系的應用分析

從該文得出的結(jié)論可以知道：水中緩發(fā)中子先驅(qū)核素一定時，緩發(fā)中子隨破探系統(tǒng)流量增加而增加，呈現(xiàn)出線性關(guān)系。由于元件布置、粘污、溫度等各方面影響，每一爐段的斜率關(guān)系不同，不宜使用統(tǒng)一換算關(guān)系式來描述一爐中緩發(fā)中子的變化，但在堆內(nèi)無異常變化時，同一爐段斜率關(guān)系保持穩(wěn)定。

破探系統(tǒng)變流量工況下，運行人員為了維持流量限值需不斷調(diào)節(jié)破探流量而造成緩發(fā)中子計數(shù)大幅改變，影響了操作人員對元件破損情況的判斷。引入斜率數(shù)據(jù)處理法可解決這一問題，同時在同一爐段出現(xiàn)斜率大幅偏移時可分析是否發(fā)生了元件破損。

在運行人員對元件情況產(chǎn)生疑問時，可以通過調(diào)節(jié)破探系統(tǒng)流量來標定其斜率（認為在標定過程中緩發(fā)中子水平穩(wěn)定）。標定點越多值越精確，考慮到運行人員勞動強度，推薦標定2～3個點作為判別依據(jù)，流量間隔建議在5～10 L。

4 結(jié)語

該文通過實驗證明在工作流量下緩發(fā)中子計數(shù)與破探系統(tǒng)流量呈線性變化關(guān)系，根據(jù)理論計算。提出在不通過頻繁調(diào)節(jié)破探流量的辦法，獲得較準確的緩發(fā)中子數(shù)據(jù)，并在發(fā)生斜率突變時考慮元件破損的可能，有助于運行人員研判元件破損情況。該文所采用的數(shù)據(jù)均來自高通量堆試驗及高通量堆的運行記錄，所得出的結(jié)論目前僅適用于高通量工程試驗堆，通過此方法，可以提高運行人員通過緩發(fā)中子分析元件破損的準確度，解決人員頻繁調(diào)節(jié)破探流量的問題，提高運行安全。

參考文獻

[1]楊朝樂.核反應堆內(nèi)緩發(fā)中子與相對中子密度的研究[J].科學與財富，2014（12）：222-223.

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[3]徐治龍，劉興民.緩發(fā)中子計算燃料元件破損方法研究[J].原子能科學技術(shù)，2013（47）：169-171.

[4]楊寧.燃料元件破損監(jiān)測用緩發(fā)中子探測器的國內(nèi)發(fā)展及其技術(shù)要點[J].核電子學與探測技術(shù)，2013（12）：1485-1489.