啟明星Ⅱ號安全控制部件的實驗驗證

劉 洋，朱慶福，羅皇達，周 琦，梁淑紅，李 巖，王 璠

(中國原子能科學研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

啟明星Ⅱ號零功率裝置(啟明星Ⅱ號)是堆芯以235U富集度為20%的U3O8燃料元件和235U富集度為90%的金屬鈾燃料元件為核燃料，以常溫的固態(tài)金屬鉛作為燃料之間的介質(zhì)，以石墨、金屬鈹和聚乙烯為反射層，以碳化硼棒作為安全棒，以鎘棒作為調(diào)節(jié)棒，以石墨圓柱體作為底反射層的零功率反應(yīng)堆[1-2]。

該實驗裝置主要包括燃料元件、反應(yīng)堆堆芯容器及其堆內(nèi)構(gòu)件、反射層、控制棒系統(tǒng)(2套安全棒系統(tǒng)、2套調(diào)節(jié)棒系統(tǒng))[3]、輔助安全系統(tǒng)、操縱平臺、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、中子源系統(tǒng)等。其中，控制棒系統(tǒng)是該實驗裝置的核心系統(tǒng)之一，為啟明星Ⅱ號實驗裝置的安全控制部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能的實現(xiàn)將直接關(guān)系著反應(yīng)堆的安全運行，其設(shè)計必須滿足物理與核安全導(dǎo)則的要求[3]。將安全棒棒體設(shè)計成雙層圓柱棒結(jié)構(gòu)，最外層用不銹鋼作為外包殼，由外向內(nèi)分別填充碳化硼和聚乙烯；調(diào)節(jié)棒設(shè)計成圓柱棒狀結(jié)構(gòu)，最外層為不銹鋼，內(nèi)部填充金屬鎘。

本文采用逆動態(tài)反應(yīng)性計測量的方法，對安全棒和調(diào)節(jié)棒各自的反應(yīng)性價值進行實驗測量。實驗測量時，在反應(yīng)堆處于某種緩發(fā)超臨界的條件下，通過“斷電試驗”按鈕將選定的安全控制部件斷電瞬時落下[4]，用逆動態(tài)反應(yīng)性計測量其反應(yīng)性價值，驗證理論計算程序及相關(guān)核數(shù)據(jù)計算的反應(yīng)性價值。此外，對安全棒系統(tǒng)進行力學分析評定，對安全棒系統(tǒng)、調(diào)節(jié)棒系統(tǒng)的各自機械性能的穩(wěn)定性進行堆上反復(fù)實驗驗證。

1 實驗原理

逆動態(tài)法測量反應(yīng)性的實驗原理如下。點堆動態(tài)方程為：

(1)

其中：N(t)為反應(yīng)堆t時刻的中子密度(或中子通量密度)；ρ(t)為t時刻階躍輸入的反應(yīng)性；Ci(t)為t時刻第i組緩發(fā)中子先驅(qū)核濃度；λi為第i組緩發(fā)中子先驅(qū)核的衰變常量；βi,eff為第i組緩發(fā)中子有效份額；Λ為中子平均代時間；t為時間。

通過式(1)由文獻[5]導(dǎo)出的逆動態(tài)法可制作成反應(yīng)性計，測量反應(yīng)堆在某種擾動變化過程中隨時間變化的反應(yīng)性ρ(t)，即：

(2)

或：

(3)

在采用逆動態(tài)反應(yīng)性計測量啟明星Ⅱ號的控制部件反應(yīng)性時，首先通過次臨界外推方法進行裝料外推，反應(yīng)堆臨界后，再在反應(yīng)堆堆芯外圍添加適量的燃料元件使反應(yīng)堆處于某一倍增周期的緩發(fā)超臨界狀態(tài)，然后選定要進行下落的控制棒(安全棒或調(diào)節(jié)棒)，通過按下“斷電試驗”[4]按鈕使選定控制部件的電磁鐵失電，則選定的部件在插入堆芯時，通過逆動態(tài)反應(yīng)性計實時測量該控制部件插入堆芯過程中裝置的反應(yīng)性ρ(t)，最后給出選定需要測量的控制部件的價值。

2 實驗控制部件

圖1 啟明星Ⅱ號控制部件剖視圖Fig.1 Section view of Venus-Ⅱ control component

啟明星Ⅱ號的控制部件中安全棒和調(diào)節(jié)棒全部布置在堆芯外側(cè)反射層石墨內(nèi)，對于堆芯完全是對稱分布，安全棒和調(diào)節(jié)棒進行落棒實驗時選擇1根進行即可?？刂撇考谘b置的剖視圖如圖1所示。

安全棒采用圓柱棒結(jié)構(gòu)，利用316L不銹鋼作為外包殼，外徑為51 mm，壁厚為1 mm，利用碳化硼作為吸收體，碳化硼層外徑為49 mm，厚為10 mm。為盡量將中子慢化，內(nèi)部填充為φ29 mm的聚乙烯，以提高安全棒反應(yīng)性價值。安全棒中心到堆芯中軸線的距離為308.5 mm，安全棒導(dǎo)向管為φ54 mm×1 mm 的316L不銹鋼管。

調(diào)節(jié)棒同樣為圓柱棒結(jié)構(gòu)，利用316L不銹鋼作為外包殼，外徑為11 mm，壁厚為1 mm，利用鎘作為吸收體，鎘直徑為9 mm。調(diào)節(jié)棒中心到堆芯中軸線的距離為318.5 mm，調(diào)節(jié)棒導(dǎo)向管的內(nèi)徑為12 mm，不銹鋼導(dǎo)向管的壁厚為1 mm。

安全棒和調(diào)節(jié)棒的驅(qū)動系統(tǒng)在堆芯內(nèi)的布置如圖2所示。

圖2 控制部件驅(qū)動系統(tǒng)在堆芯內(nèi)的布置Fig.2 Arrangement of control component system in reactor core

3 控制部件價值驗證

3.1 堆芯裝載

根據(jù)實驗方案的要求，堆芯內(nèi)第1、2圈燃料元件滿裝載(即一區(qū)有101根、二區(qū)有565根)，第3圈裝載360根燃料元件，另加20根假元件鋯管，通過調(diào)節(jié)控制棒插入堆芯的高度，使堆芯處于一合適的周期，利用逆動態(tài)反應(yīng)性計測得此時裝置的反應(yīng)性。然后選定需要測量的某一控制部件，由斷電實驗快速將其插入堆芯內(nèi)，再由逆動態(tài)反應(yīng)性計測得快速插入堆芯后裝置的反應(yīng)性。

3.2 1#安全棒

1) 安全棒反應(yīng)性價值測量

實驗測量時，將兩根安全棒全部提升到頂，安全塊提升到頂，1#調(diào)節(jié)棒提升到頂，提升2#調(diào)節(jié)棒到724.6 mm，此時反應(yīng)堆處于緩發(fā)超臨界狀態(tài)，用逆動態(tài)反應(yīng)性計[6]測得此時的反應(yīng)性為ρ1=94.28 pcm。

選定1#安全棒快速降落到堆芯內(nèi)，逆動態(tài)反應(yīng)性計記錄1#安全棒斷電落棒前后反應(yīng)性的變化情況，從而得到安全棒的價值，逆動態(tài)反應(yīng)性計測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 1#安全棒逆動態(tài)反應(yīng)性計測量結(jié)果Fig.3 Measurement result of inverse dynamic reactivity meter for 1# safety rod

用逆動態(tài)反應(yīng)性計測量安全棒價值，實驗重復(fù)進行3次取平均值，1#安全棒落棒前平均反應(yīng)性價值為ρ1=(94.28±1.16) pcm，落棒后平均反應(yīng)性價值為ρ2=(-1 020.56±3.47) pcm，則1#安全棒的平均反應(yīng)性價值為ρ=ρ2-ρ1=(-1 114.84±5.08) pcm，該值大于1%Δk/k，滿足單根安全棒價值不小于1%Δk/k的核安全導(dǎo)則規(guī)定的要求。

2) 安全功能驗證

設(shè)計、加工、組裝后的安全棒系統(tǒng)，在堆外和堆內(nèi)進行了運行功能的實驗驗證。在安全棒驅(qū)動機構(gòu)的帶動下，安全棒棒體正常運行到上行程開關(guān)處，停止。此時切斷電源，檢查安全棒棒體能否實現(xiàn)在1 s內(nèi)快速下落到堆芯。斷電下落功能進行了上百次反復(fù)驗證實驗，從中選取了落棒時間較長的4次作為實驗結(jié)果，表1列出實驗驗證結(jié)果。表1中，斷電下落平均時間為t±σ[7]，σ為標準差：

從表1可看出，在意外斷電情況下，安全棒能快速順暢地下落至堆芯，且快速下落的時間均小于1 s，滿足設(shè)計要求。

表1 1#安全棒的安全功能驗證實驗結(jié)果Table 1 Test result of 1# safety rod about safety function

3) 力學分析

防止卡棒事故是核反應(yīng)堆安全運行所必須保障的。地震載荷下，反應(yīng)堆安全棒導(dǎo)管必須保證水平變形量，使得停堆棒順利下插，確保安全停堆。安全棒棒體均為剛體，如果導(dǎo)管的水平變形量超過了導(dǎo)管與安全棒的間隙，則安全棒束會發(fā)生卡棒，無法順利下插。利用ANSYS計算程序，由具有資質(zhì)的華北電力大學核科學與工程學院人員對設(shè)計的安全棒系統(tǒng)進行了力學分析[8]。根據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，安全棒位移的最大值發(fā)生在安全棒導(dǎo)管的最上端，且最大值為0.34 mm，由于安全棒導(dǎo)管與安全棒水平方向的間隙有1 mm，大于導(dǎo)管的位移，故不會發(fā)生因?qū)Ч茏冃螌?dǎo)致的安全棒卡棒事故。另外，該實驗裝置的堆芯容器結(jié)構(gòu)也滿足ASME 第ND和NF卷對該設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性的要求。

3.3 1#調(diào)節(jié)棒

1) 調(diào)節(jié)棒反應(yīng)性價值測量

調(diào)節(jié)棒的反應(yīng)性價值同樣是通過落棒并用逆動態(tài)反應(yīng)性計進行測量得到，實驗測量重復(fù)進行3次，1#調(diào)節(jié)棒落棒前后逆動態(tài)反應(yīng)性計測量結(jié)果如圖4所示，調(diào)節(jié)棒的反應(yīng)性價值列于表2。

圖4 1#調(diào)節(jié)棒逆動態(tài)反應(yīng)性計測量結(jié)果Fig.4 Measurement result of inverse dynamic reactivity meter for 1# regulation control rod

堆芯裝載選定部件其他部件高度1#調(diào)節(jié)棒平均反應(yīng)性價值/pcm落棒前落棒后選定部件1區(qū)101根+2區(qū)565根+3區(qū)360根+20根鋯管1#調(diào)節(jié)棒安全棒,頂部安全塊,頂部2#調(diào)節(jié)棒,727.6 mm95.57±2.07-190.16±0.27-285.73±2.34

2) 安全功能驗證

調(diào)節(jié)棒系統(tǒng)設(shè)計、加工、組裝后，在堆外和堆內(nèi)同樣進行了運行功能的實驗驗證。斷電下落功能也進行了上百次反復(fù)驗證實驗，從中選取了落棒時間較長的4次作為實驗結(jié)果，表3列出驗證實驗結(jié)果。

從表3可看出，在意外斷電情況下，調(diào)節(jié)棒能快速順暢下落至堆芯，且快速下落的時間均小于1 s，滿足設(shè)計要求。

4 理論分析

通過MCNPX程序(截面庫為ENDF-7.0)進行理論計算，根據(jù)堆芯結(jié)構(gòu)建立幾何模型(建模過程在幾何上沒有進行近似)，采用面定義的方式準確描述堆芯，同時將實驗方案對應(yīng)的堆芯裝載情況和各控制部件提起的高度輸入到程序中，利用kcode模式計算keff，每代中子數(shù)為5×105個，計算115代，舍去前15代的結(jié)果，可得到對應(yīng)的理論計算結(jié)果[9]。各控制部件反應(yīng)性價值的實驗測量值與理論計算值列于表4。

表3 1#調(diào)節(jié)棒的安全功能驗證實驗結(jié)果Table 3 Test result of 1# regulation control rod about safety function

表4 控制部件反應(yīng)性價值的實驗測量值與理論計算值比較Table 4 Result comparison between experiment and calculation values of control component reactivity worth

注：1) 理論計算值的標準差為0.012%

2) Δρ=ρ實驗-ρ理論

3) 相對偏差絕對值=|Δρ/ρ實驗|

由表4可看出，安全棒和調(diào)節(jié)棒反應(yīng)性價值的實驗測量值與理論計算值在測量誤差范圍內(nèi)符合較好，實驗測量值與理論計算值的相對偏差絕對值的平均值約為4.46%，滿足設(shè)計和核安全法規(guī)的要求。

5 結(jié)論

針對啟明星Ⅱ號設(shè)計了安全棒和調(diào)節(jié)棒系統(tǒng)，通過逆動態(tài)反應(yīng)性計方法對選定安全控制部件的反應(yīng)性價值進行了實驗測量，結(jié)果表明：安全棒單根價值為1.114×10-2Δk/k(價值大于1%Δk/k[10])，調(diào)節(jié)棒單根價值為0.286×10-2Δk/k，均滿足核設(shè)計與核安全導(dǎo)則規(guī)定的要求。安全控制部件的實驗測量值與理論計算值符合較好，二者相對偏差絕對值的平均值為4.46%，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，為啟明星Ⅱ號的安全運行提供了保障。

此外，安全棒系統(tǒng)經(jīng)力學分析評定，結(jié)果表明不會出現(xiàn)卡棒現(xiàn)象，能實現(xiàn)快速停閉反應(yīng)堆的目的；安全棒和調(diào)節(jié)棒系統(tǒng)的機械性能經(jīng)過堆上反復(fù)實驗驗證，各系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好。