雙面慢化環(huán)形燃料反應堆物理實驗

張 庚，夏兆東，朱慶福，章秩峰，呂 牛，潘翠杰

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

核能技術(shù)的發(fā)展需要降低反應堆成本并提高安全裕度，燃料元件是直接影響反應堆輸出功率及安全性能的關(guān)鍵部件，采用高性能燃料元件是提高反應堆安全性和經(jīng)濟性最直接和有效的手段。環(huán)形燃料作為一種先進燃料元件可大幅度提高燃料元件的傳熱效率、降低燃料芯塊溫度，顯著提升反應堆的安全性和經(jīng)濟性，目前已成為壓水堆先進燃料組件的重要發(fā)展趨勢之一[1-3]。環(huán)形燃料是國際上新型燃料研究熱點方向[4-6]，具有廣闊的應用前景。我國從2010年正式啟動環(huán)形燃料的研發(fā)工作，突破了環(huán)形燃料設(shè)計、制造、試驗等方面的多項關(guān)鍵技術(shù)[7-8]。

對于采用環(huán)形燃料的新型反應堆系統(tǒng)，環(huán)形燃料柵元結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩層包殼和環(huán)形芯塊構(gòu)成，與實心燃料柵元存在較大差別，導致其堆芯物理計算分析程序的有效性和準確性有待臨界實驗數(shù)據(jù)驗證[9]。此前國際上并未開展由雙面慢化環(huán)形燃料的反應堆臨界實驗研究，國內(nèi)外均沒有環(huán)形燃料堆芯物理實驗數(shù)據(jù)，導致現(xiàn)階段開展的環(huán)形燃料堆芯物理計算研究都是依靠程序?qū)Τ绦虻姆绞竭M行相互檢驗，其有效性和可靠性得不到實驗數(shù)據(jù)的驗證[10-11]。本文針對環(huán)形燃料柵元開展零功率物理性能實驗研究，以獲取其臨界參數(shù)、控制棒價值、元件價值等堆芯物理性能參數(shù)，對環(huán)形燃料堆芯物理計算程序進行驗證，為環(huán)形燃料堆芯核設(shè)計提供參考。

1 環(huán)形燃料零功率反應堆簡介

環(huán)形燃料零功率反應堆是一座以輕水為慢化劑和反射層、以控制棒進行反應性控制的立式小型臨界裝置。

環(huán)形燃料零功率反應堆三維示意圖示于圖1。堆芯容器位于操作平臺上，進水、排水回路以及啟動反應堆所用中子源的跑兔系統(tǒng)均直接與其相連。堆芯容器為立式桶狀容器，采用316L不銹鋼材質(zhì)。實驗時裝載去離子輕水作為慢化劑，上、下柵格板采用不銹鋼板，上柵格板采用裝飾鋁板進行柵格顏色區(qū)分，柵格上開有396個通孔用于安裝燃料元件；燃料元件從上柵格板插入，下柵格板用來支撐燃料元件。活性區(qū)內(nèi)燃料呈方形柵格排列，燃料元件柵距為23.6 mm；在堆芯周圍反射層外均勻布置有8個探測器孔道，孔道內(nèi)安裝反應堆啟動、功率測量、功率監(jiān)督和保護用的中子探測器。

圖1 環(huán)形燃料零功率反應堆示意圖Fig.1 Schematic diagram of annular fuel zero power reactor

2 環(huán)形燃料堆芯核設(shè)計

2.1 元件選取

2.1.1核燃料元件 為開展環(huán)形先導燃料組件入堆的混合堆芯設(shè)計技術(shù)研究，需驗證環(huán)形燃料和實心燃料內(nèi)外裝載工況的混合堆芯物理設(shè)計方法，因此臨界裝置的環(huán)形燃料堆芯選擇具有代表性的235U富集度為3%的UO2實心燃料元件和235U富集度為4.95%的UO2環(huán)形燃料元件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。UO2實心燃料元件總長760 mm，直徑6.55 mm，由鋯管封裝。環(huán)形燃料元件包括不含釓和含釓兩種類型，不含釓環(huán)形燃料元件每根燃料元件總長760 mm，由Zr-4元件管封裝。含釓環(huán)形燃料元件中Gd2O3與235U富集度為4.95%的UO2均勻混合，Gd2O3質(zhì)量分數(shù)分別為5%、8%和10%。環(huán)形含釓燃料元件在尺寸和結(jié)構(gòu)上與環(huán)形燃料元件完全一致，只是核燃料成分存在差異。

圖2 實心燃料元件(a)和環(huán)形燃料元件(b)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of solid fuel cell (a) and annular fuel cell (b)

2.1.2占位元件 占位元件為實心鋁質(zhì)，與實心燃料元件外規(guī)格一致，占住柵格板上多余的孔位，防止誤插情況。

2.2 控制棒

環(huán)形燃料堆芯使用的控制棒結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制棒系統(tǒng)由分別獨立的兩根安全棒和兩根調(diào)節(jié)棒控制反應性，安全棒棒體的吸收材料采用金屬鎘，調(diào)節(jié)棒棒體的吸收材料采用不銹鋼，分別填充于316L不銹鋼套管內(nèi)，吸收體的長度為800 mm。環(huán)形燃料堆芯使用的安全棒與調(diào)節(jié)棒的尺寸與布置位置列于表1。

圖3 環(huán)形燃料零功率反應堆堆芯使用的安全棒與調(diào)節(jié)棒結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of safety rod and regulating rod for annular fuel zero power reactor

表1 環(huán)形燃料堆芯使用的安全棒與調(diào)節(jié)棒的尺寸與布置位置Table 1 Size and location of safety rod and regulating rod used in annular fuel core

2.3 柵格板系統(tǒng)

環(huán)形燃料堆芯使用的柵格板結(jié)構(gòu)示于圖4。采用環(huán)形燃料元件在內(nèi)、實心燃料元件在外的混合裝載方式，柵格板為480 mm×480 mm的方形不銹鋼材質(zhì)，在中心區(qū)開有10×10的100個孔位，其中96個為環(huán)形燃料元件的通孔，控制棒導向管占據(jù)4個通孔。在中心區(qū)外圍開有300個元件通孔，根據(jù)實驗需要用于裝入不同數(shù)量的實心燃料元件，在裝入實心燃料元件之前，這些孔位插入鋁棒，占其位置。

圖4 環(huán)形燃料堆芯柵格板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of grid plate structure of annular fuel core

2.4 堆芯參數(shù)

環(huán)形燃料零功率反應堆堆芯主要參數(shù)列于表2。

表2 環(huán)形燃料堆芯的主要參數(shù)Table 2 Main parameter of annular fuel core

3 實驗方案

多邊形堆芯裝載方案為環(huán)形燃料零功率反應堆的最小臨界質(zhì)量裝載方案，其臨界實驗數(shù)據(jù)作為環(huán)形燃料零功率反應堆臨界實驗的起點，可以拓展不同燃料元件布置更多的實驗方案。采用環(huán)形與實心燃料混合裝載模式，模擬環(huán)形先導組件入堆的工況，完成對最小臨界裝載的多邊形裝載系列堆芯裝載方案的臨界實驗。

3.1 物理啟動與臨界參數(shù)測量

為安全可靠地完成環(huán)形燃料零功率反應堆的堆芯裝料及物理啟動并完成啟動參數(shù)測量，實驗通過外推臨界方法使環(huán)形燃料零功率反應堆堆芯達到臨界狀態(tài)。具體實驗方法為：1) 臨界裝置內(nèi)結(jié)構(gòu)材料完全就位，加入水慢化劑，堆芯未裝載核燃料時，用堆芯外的啟動裝置記錄探測器的中子計數(shù)率N0，作為本底計數(shù)率；2) 按臨界計算的臨界質(zhì)量的元件數(shù)的1/2作為第1次添加燃料元件數(shù)M1，然后由啟動裝置探測器的中子計數(shù)率扣除本底后，計數(shù)率為N1；3) 第2次添加元件按臨界計算的臨界質(zhì)量元件數(shù)的1/4，堆內(nèi)元件數(shù)為M2，探測器的中子計數(shù)率扣除本底后計數(shù)率為N2，根據(jù)兩次中子計數(shù)率結(jié)果N1、N2的倒數(shù)(即1/N1和1/N2)及其對應的燃料裝載數(shù)M1和M2，以橫坐標為燃料元件數(shù)，縱坐標為1/N的坐標系統(tǒng)作圖，進行外推，外推到1/N=0時與橫坐標的交點即為臨界燃料元件數(shù)；4) 根據(jù)外推結(jié)果，按照到達臨界所需要的元件數(shù)的1/2添加燃料元件，添加元件后，按實驗步驟3再一次進行外推，確定第3次添加元件后的臨界元件數(shù)，如此重復步驟4，直到添加的燃料元件使反應堆的裝置有效倍增因數(shù)大于或等于0.996時，向超臨界過渡，此時外推的臨界質(zhì)量元件數(shù)為外推的臨界質(zhì)量。向超臨界過渡是臨界實驗所添加的燃料元件不再按外推的臨界所需元件數(shù)的1/2原則添加元件，可一次添加的燃料元件數(shù)使反應堆達到臨界或超臨界。在超臨界后，用反應堆功率上升周期法測量兩次(至少兩次)超臨界狀態(tài)的反應性，由兩次測量的反應性作為縱坐標和對應的燃料元件數(shù)作為橫坐標內(nèi)插到反應性為零時，其燃料元件數(shù)即為周期法得到的臨界燃料元件數(shù)[12-14]。有時外推臨界的燃料元件數(shù)和內(nèi)插的臨界燃料元件數(shù)不相同，一般采用內(nèi)插的臨界燃料元件數(shù)作為最終結(jié)果。

3.2 控制棒系統(tǒng)反應性價值

控制棒是環(huán)形燃料零功率反應堆堆芯反應性調(diào)節(jié)的重要手段，為此測量了調(diào)節(jié)棒與安全棒的微分、積分價值[15]。

采用反應堆功率上升周期法測量控制棒系統(tǒng)的反應性價值即將控制棒逐漸從反應堆中移出，在移出的每一步測量功率上升周期，給出該控制棒的微分價值。在周期測量時，受到運行規(guī)程的限制，反應堆功率上升周期不能小于15 s。在測量某個控制棒價值時，當其在某個位置時可能周期接近15 s，這時就要用另一根控制棒插入反應堆來補償?shù)舨糠址磻?，使反應堆功率上升周期變得較長，在較長周期的基礎(chǔ)上，然后再將要測量的控制棒移出反應堆進行周期測量，以得到該控制棒位置的價值，如此重復，直到將整根控制棒各位置所對應的反應性測量出來，得到該棒的微分價值，所有各位置的微分價值相加即為該棒的積分價值。這種利用另一根控制棒來補償反應性的方法稱為交替法刻度調(diào)節(jié)棒的微分價值，同時用來補償反應性的控制棒的微分、積分價值也可得到。

安全棒的價值采用落棒法得到。測量時，要測量的安全棒在反應堆外，反應堆處于臨界狀態(tài)，反應堆在一定功率水平上穩(wěn)定運行一段時間，使緩發(fā)中子先驅(qū)核達到平衡，記錄此時的中子計數(shù)率N0，然后瞬時將安全棒插入堆內(nèi)，記錄落棒后的中子計數(shù)率N(t)隨時間t的變化，直到衰減到本底計數(shù)率為止，然后以控制棒插入堆內(nèi)開始為0，將中子計數(shù)率N(t)隨時間t的變化積分到本底計數(shù)率為止作為積分上限，給出積分計數(shù)。根據(jù)落棒前后的中子計數(shù)得到測量的安全棒反應性。

3.3 元件價值

為了用燃料元件價值來刻度反應堆內(nèi)的毒物價值，必須準確得到邊緣燃料元件的反應性價值。實驗是以環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載下進行的，在滿足全堆芯燃料元件由內(nèi)向外裝載、四周外圍元件由中心向兩側(cè)裝載模式下，得到元件的反應性價值[12-14]。

采用周期法對堆芯多邊形裝載布置下特定位置處的燃料元件反應性價值進行測量，1/8堆芯對稱情況下有8根待測元件，由內(nèi)向外編號分別為A、B、C、D、E、F、G、H，位置如圖5所示。

CR為控制棒，AF為環(huán)形燃料元件，SF為實心燃料元件圖5 環(huán)形燃料堆芯元件反應性價值測量的位置Fig.5 Position of cell’s worth measurement experiment of annular fuel core

3.4 含Gd元件反應性效應

含釓環(huán)型燃料元件在該實驗中的用途是作為中子毒物使用，獲得的實驗數(shù)據(jù)可用于數(shù)值計算程序、數(shù)據(jù)庫分析含釓大負反應性的驗證。采用外推法確定環(huán)形燃料零功率反應堆堆芯的含釓環(huán)形燃料元件的裝載情況及后備反應性，采用外圍元件效率來確定含釓環(huán)形燃料元件的反應性價值[16]。

由于釓為中子吸收體，其在堆內(nèi)表現(xiàn)為負反應性價值。首先基于環(huán)形燃料零功率反應堆堆芯臨界裝載方案(圖5)作為基準裝載量，然后從堆內(nèi)取出一定數(shù)量燃料，使裝置重回次臨界狀態(tài)，將一定數(shù)量(1根、2根)的含釓燃料元件替換至堆內(nèi)環(huán)形區(qū)域與實心區(qū)域交界通量梯度顯著的角點位置處，在此基礎(chǔ)上重新外推臨界。

結(jié)合此前元件價值實驗測量的數(shù)據(jù)，本實驗通過對有、無含釓燃料元件兩種裝載外推結(jié)果對應裝載方案反應性之差確定含釓燃料元件的反應性價值。

4 零功率臨界實驗結(jié)果

4.1 物理啟動與臨界參數(shù)

中子計數(shù)率倒數(shù)外推臨界的臨界曲線如圖6所示。根據(jù)此外推過程確定的最終實驗臨界裝載方案如圖7所示，共裝載環(huán)形燃料元件96根，實心燃料元件172根，占位元件128根。根據(jù)確定的裝載方案進行臨界實驗，凈堆狀態(tài)的臨界參數(shù)列于表3。

圖7 環(huán)形燃料堆芯臨界裝載方案Fig.7 Critical loading scheme of annular fuel core

表3 環(huán)形燃料堆芯臨界裝載參數(shù)Table 3 Critical loading parameter of annular fuel core

理論計算使用蒙特卡羅程序MCNP，使用ENDF/B-Ⅶ.1版本點截面數(shù)據(jù)，臨界計算時設(shè)置每代粒子數(shù)1×105個，有效代數(shù)100代，統(tǒng)計偏差1σ為0.000 10。臨界裝載和控制棒價值的實驗測量結(jié)果與理論計算結(jié)果如圖8所示，keff趨勢符合一致。

圖8 環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載臨界計算Fig. 8 Calculation of polygon loading criticality of annular fuel core

4.2 控制棒系統(tǒng)反應性價值

分別采用周期法與逆動態(tài)法對環(huán)形燃料堆芯的調(diào)節(jié)棒與安全棒價值進行了測量，結(jié)果列于表4?？潭群蟮恼{(diào)節(jié)棒積分價值曲線如圖9所示。

圖9 調(diào)節(jié)棒積分價值曲線Fig.9 Integral worth curve of regulating rod

表4 多邊形裝載的調(diào)節(jié)棒、安全棒的積分價值Table 4 Integral worth of regulating rod and safety rod for polygon loading

4.3 元件價值

環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載在1/8堆芯對應位置處的元件價值實驗值與計算值比對列于表5。實驗值與MCNP計算值符合較好，平均偏差為1.3 pcm。

表5 環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載的邊緣元件價值Table 5 Edge cell worth of polygon loading in annular fuel core

4.4 含Gd元件反應性效應

環(huán)形燃料零功率反應堆裝載1根、2根含釓燃料元件的臨界裝載方案分別如圖10所示。根據(jù)裝載方案測量的燃料元件價值列于表6。理論計算使用MCNP，統(tǒng)計偏差1σ為0.000 10。對于小反應性的臨界裝載，實驗值與理論計算值在偏差范圍內(nèi)符合一致；對于大負反應性實驗，元件價值理論計算值與實驗值的絕對值平均相對偏差為8.8%，在工程設(shè)計可接受的范圍內(nèi)。

表6 多邊形裝載含Gd2O3燃料元件裝載臨界參數(shù)Table 6 Critical parameter for loading Gd2O3 fuel cell for polygon loading

a——1根；b——2根標紅元件為含Gd的核燃料元件圖10 含Gd2O3燃料元件堆芯臨界裝載方案Fig.10 Critical loading scheme of loading Gd2O3 fuel cell

5 總結(jié)

為驗證環(huán)形燃料的反應堆設(shè)計計算程序，建立了環(huán)形燃料零功率反應堆，在其上進行了反應堆物理參數(shù)測量，結(jié)果表明實驗數(shù)據(jù)均達到用于環(huán)形燃料核數(shù)據(jù)及計算程序校驗的需求。環(huán)形燃料零功率反應堆是首個由內(nèi)慢化環(huán)形燃料的反應堆，開展的實驗可用于指導環(huán)型燃料堆芯的物理設(shè)計工作，可為環(huán)形燃料先導組件入堆工程應用的順利開展提供保障，對我國引領(lǐng)未來核燃料元件的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。