約旦次臨界裝置物理設(shè)計(jì)

劉振華，榮春方

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

在核能和平利用日益普及的國(guó)際環(huán)境下，培養(yǎng)一批核能研究與利用方面的人才成為許多國(guó)家的需求。次臨界裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，不需要厚重的屏蔽，也不需要臨界裝置中所用的復(fù)雜的安全控制系統(tǒng)，因而大幅節(jié)省投資的同時(shí)能安全、便利地開(kāi)展大量的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)反應(yīng)堆物理實(shí)驗(yàn)，是一種非常有用的理解和掌握反應(yīng)堆物理知識(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，適用于反應(yīng)堆物理教學(xué)和核技術(shù)人才培養(yǎng)。在這種需求下，約旦次臨界裝置（JSA）完成了設(shè)計(jì)和建造。

JSA 設(shè)計(jì)和建造合同規(guī)定本裝置次臨界度在0.94～0.95之間，裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)的培訓(xùn)和技術(shù)轉(zhuǎn)讓總時(shí)間為1 年。該裝置可確保在任何情況下一直處于次臨界狀態(tài)，技術(shù)人員可近距離方便操作。

同造價(jià)高得多的臨界裝置相比，JSA 顯得安全、簡(jiǎn)單，但由于次臨界裝置通量密度非常低，要充分利用這種裝置完成很多原來(lái)需在臨界裝置上完成的實(shí)驗(yàn)難度很大。按照合同要求，在JSA 的物理設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合考慮了JSA需體現(xiàn)的次臨界裝置特點(diǎn)和大量實(shí)驗(yàn)研究需要，保證合同的順利完成。

1 裝置描述

JSA 總體設(shè)計(jì)方案選取了立式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。堆芯容器坐落在支撐板上，由支柱單獨(dú)支撐，進(jìn)水、排水回路以及中子源孔道均直接與其相連。貯存水箱布置在操作平臺(tái)的外部，去離子水制造系統(tǒng)提供貯存水箱的去離子水。中子源貯存罐直接位于堆容器下部。堆容器外部為操作平臺(tái)，操作平臺(tái)高度約1.8m，便于人員在平臺(tái)下部的操作。操作平臺(tái)直接連有一個(gè)小型扶梯，供人員上下使用。

圖1 JSA 現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Overall view of JSA

堆芯容器為立式桶形容器，實(shí)驗(yàn)時(shí)裝載去離子水作為慢化劑，下柵格板采用鋁板制造，上柵格板采用有機(jī)玻璃板制造，開(kāi)有313 個(gè)φ10.2 mm 的通孔用于支撐燃料元件，柵距19.1mm，呈正方形排列，燃料元件從上柵格板插入，周?chē)贾糜?個(gè)BF3中子探測(cè)器，如圖2所示。為方便燃料元件的插入和定位，下柵板上開(kāi)有與上柵板位置對(duì)應(yīng)的用于定位支撐燃料元件的錐形孔，堆芯容器下部裝有4個(gè)照明燈罩。

控制室緊鄰堆廳，布置有控制臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)顯示屏和其他輔助設(shè)備，方便實(shí)驗(yàn)人員對(duì)JSA的觀察、控制和操作，如圖3所示。

為保證操作人員在控制臺(tái)遠(yuǎn)距離操作中子源時(shí)，中子源進(jìn)出堆芯順暢，以及滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)快速撤出中子源的要求，針對(duì)本裝置，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)中子源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于提升或吹出中子源。中子源為Pu-Be源，源強(qiáng)為1.1×106s-1。

圖2 JSA 堆芯容器Fig.2 Core vessel of JSA

圖3 控制室布置Fig.3 Layout of control room

核測(cè)量信號(hào)來(lái)自于在堆容器中對(duì)稱布置的3根BF3正比計(jì)數(shù)管，通過(guò)阻燃屏蔽電纜接入控制臺(tái)和計(jì)算機(jī)。電磁閥、水泵的開(kāi)關(guān)信號(hào)均通過(guò)控制臺(tái)控制?？刂婆_(tái)外接當(dāng)?shù)氐慕涣麟娫?，提供探測(cè)器、電磁閥等的高低壓電源輸入和開(kāi)關(guān)控制。測(cè)量信號(hào)接入計(jì)算機(jī)，用于狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)處理。本項(xiàng)目開(kāi)展的物理實(shí)驗(yàn)如下：1）啟動(dòng)和逼近臨界實(shí)驗(yàn)；2）靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，包括軸向通量密度分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)、徑向通量密度分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)和絕對(duì)通量密度分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)；3）動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，包括跳源法實(shí)驗(yàn)、Rossi-α 方法實(shí)驗(yàn)和Feynman-α方法實(shí)驗(yàn)。

2 設(shè)計(jì)程序

JSA 的堆芯物理設(shè)計(jì)采用WIMS／CITATION 程序和MCNP 程序互核的方式進(jìn)行理論計(jì)算，以理論計(jì)算結(jié)果作參考進(jìn)行堆芯裝載方案設(shè)計(jì)。

2.1 WIMS／CITATION 程序

WIMS程序是國(guó)際上著名的柵元參數(shù)計(jì)算程序，可求解各群擴(kuò)散參數(shù)、柵元keff、通量密度及反應(yīng)率等數(shù)據(jù)。該程序能譜適用范圍很寬，適用于熱堆和快堆計(jì)算，它能處理平板幾何、球幾何和圓柱幾何，邊界條件能采用對(duì)稱邊界、白邊界和自由邊界。另外，該程序除能處理單棒柵元外，還能處理棒束和超柵元問(wèn)題。

CITATION 程序可用來(lái)求解擴(kuò)散理論有限差分表示的問(wèn)題。維數(shù)可以是一維、二維或三維，具有任意的群-群散射，可處理x-y-z、θ-R-z、六角形-z、三角形-z等幾何。

在進(jìn)行臨界計(jì)算時(shí)，首先利用WIMS得到不同柵元材料的均勻少群截面（散射、吸收及裂變）和散射矩陣，然后將其作為CITATION 的輸入數(shù)據(jù)并最終獲得次臨界堆芯的keff和少群絕對(duì)通量密度。

2.2 MCNP程序

MCNP程序是美國(guó)LANL開(kāi)發(fā)的用于計(jì)算復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)的蒙特卡羅中子-光子-電子耦合輸運(yùn)程序，可用于計(jì)算中子、光子、電子或中子-光子-電子耦合輸運(yùn)問(wèn)題及本征值問(wèn)題等。

上述兩套程序均可勝任JSA 的堆芯物理設(shè)計(jì)，它們采用不同的反應(yīng)堆物理理論方法，相互之間的配合驗(yàn)證可增加計(jì)算結(jié)果的可信度。

3 堆芯物理設(shè)計(jì)

本裝置采用正方形柵格布置，通過(guò)上下柵格板上的孔道固定燃料元件，上柵格板由透明有機(jī)玻璃板制造，下柵格板由鋁板制造，通過(guò)相連的支柱固定在反應(yīng)堆容器上。柵格板上有燃料元件孔道位置，keff滿足次臨界限值的要求（0.94＜keff＜0.95）。堆容器采用鋁制造。

考慮到本裝置次臨界度較深，已確定的中子源強(qiáng)又限制了整個(gè)次臨界裝置的中子通量密度水平，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，確定了本裝置的堆芯參數(shù)。

3.1 燃料元件

堆芯燃料元件結(jié)構(gòu)如圖4所示。芯塊和包殼采用與核電廠一致的燃料制造工藝，在確保燃料元件質(zhì)量的前提下，提高燃料元件制造經(jīng)濟(jì)性，UO2芯塊的富集度為3.4%，包殼材料為Zr-4合金。芯塊和包殼之間為氦氣氣隙。燃料元件的燃料芯塊高度為430 mm，芯塊上下部采用Al2O3塊填充，最上端采用彈簧固定，最后焊接加工成型，上下端頭設(shè)計(jì)借鑒了多年研究堆的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，方便燃料元件的定位和固定。

圖4 次臨界裝置燃料元件示意圖Fig.4 Schematic diagram of fuel rod for subcritical assembly

3.2 堆芯布置

與臨界裝置不同，燃料柵距設(shè)計(jì)采用最佳慢化柵距，堆芯半徑約為400mm，柵格板元件孔數(shù)為313個(gè)，設(shè)計(jì)裝載301根燃料元件，另留有12個(gè)備用孔道，堆芯柵格布置方案如圖5所示。

圖5 堆芯柵格布置方案Fig.5 Layout of reactor core lattice

本文采用WIMS／CITATION 程序搜索最佳慢化柵距，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。同時(shí)使用MCNP程序?qū)υ摲桨高M(jìn)行校核，該程序的幾何描述如圖7 所示。最佳慢化柵距的設(shè)計(jì)結(jié)果為19.1mm，對(duì)于滿足合同要求的保證本裝置在任何情況下都處于次臨界狀態(tài)的條件非常重要。

采用上述兩套程序針對(duì)最終優(yōu)化方案分別進(jìn)行臨界計(jì)算，結(jié)果列于表1?？煽闯觯琸eff設(shè)計(jì)結(jié)果在0.94～0.95之間，滿足合同要求，與造價(jià)高得多的臨界裝置相比，有利于科研人員近距離觀察和研究。

圖6 最佳慢化柵距的搜索曲線Fig.6 Search curve of optimal moderation lattice

圖7 MCNP的幾何模型Fig.7 Geometric model of MCNP

表1 臨界計(jì)算結(jié)果Table1 Results of critical calculation

3.3 中子通量密度計(jì)算

在最終確定的方案基礎(chǔ)上，采用WIMS／CITATION 程序進(jìn)行一系列中子通量密度計(jì)算，不同位置的通量密度計(jì)算結(jié)果如圖8、9所示。

可看出，JSA 堆芯最大熱中子通量密度約為103cm-2·s-1。類似于其他次臨界裝置，JSA 的通量密度較臨界裝置的低得多。在JSA的物理設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮的就是合同要求的實(shí)驗(yàn)較多，這些實(shí)驗(yàn)不僅要體現(xiàn)次臨界裝置應(yīng)有的軸向特性，還需兼顧本裝置通量密度低和一般在臨界裝置上完成的各實(shí)驗(yàn)要求各不相同的特點(diǎn)。上述中子通量密度計(jì)算結(jié)果經(jīng)反復(fù)分析和驗(yàn)證，能有效優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，確定活化探測(cè)材料和測(cè)量?jī)x器等的使用，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的順利完成，從而也保證了本裝置能較其他次臨界裝置完成更多一般需在臨界裝置上完成的實(shí)驗(yàn)研究。

圖8 中心元件軸向通量密度分布Fig.8 Distribution of axial neutron flux density in center fuel rod

4 小結(jié)

約旦次臨界裝置安全、簡(jiǎn)單、實(shí)用，給物理設(shè)計(jì)提出了較高要求。在物理設(shè)計(jì)過(guò)程中，既需考慮它與臨界裝置的不同，又需兼顧實(shí)驗(yàn)研究需要，本文給出了優(yōu)化的次臨界裝置方案和相應(yīng)物理設(shè)計(jì)結(jié)果。目前該項(xiàng)目已在約旦科技大學(xué)順利完成合同規(guī)定的所有實(shí)驗(yàn)的培訓(xùn)、演示和技術(shù)轉(zhuǎn)讓任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文物理設(shè)計(jì)結(jié)果與裝置實(shí)際狀況吻合良好，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的順利完成起了很好的指導(dǎo)作用。