MHWRR在極低光激中子水平下的臨界啟動技術(shù)

丁 麗 徐鵬程 花 曉 甄建霄 葛艷艷

（中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

多用途重水研究堆（Multi-purposes Heavy Water Research Reactor，MHWRR）是我國20世紀(jì)80年代末出口到阿爾及利亞的第一個大型核設(shè)施項目，1987年開始建造，1992年7月實現(xiàn)滿功率運行。為適應(yīng)放射性同位素輻照生產(chǎn)需求，2016年初開始儀表、控制和電氣系統(tǒng)數(shù)字化改造，堆芯增設(shè)裂變鉬輻照裝置。對于重水反應(yīng)堆，首次臨界時需要外加中子源。首次臨界啟動后，堆內(nèi)光激中子可作為啟動中子源。在升級改造后首次臨界啟動時，一方面受現(xiàn)場條件限制，缺少可用的物理啟動裝置，且該國沒有中子源。另一方面，由于自改造工程開始至臨界啟動，反應(yīng)堆已停堆近1 000 d，堆內(nèi)光激中子強度已衰減到很低水平，堆外核測量電離室存在測量盲區(qū)。因此，能否在現(xiàn)場已有條件下成功實現(xiàn)反應(yīng)堆臨界啟動，必須進行詳細分析論證。本工作對MHWRR升級改造后在極低光激中子水平下不外加啟動中子源首次臨界啟動技術(shù)進行研究，為MHWRR后續(xù)運行提供寶貴經(jīng)驗和參考數(shù)據(jù)，也為今后類似研究堆的啟動提供有益借鑒。

1 MHWRR堆芯簡介

MHWRR是一座重水冷卻和慢化，石墨作為反射層的多用途研究堆，最大功率15 MW。堆芯由72根束棒型燃料組件、14根控制棒和23個垂直實驗孔道構(gòu)成。燃料組件活性段長為1 000 mm，燃料芯塊為UO2，包殼為鋯合金，235U富集度為3%。

2 臨界實驗計算分析

2.1 臨界啟動方法

臨界啟動是使反應(yīng)堆由次臨界逐漸實現(xiàn)自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的臨界狀態(tài)的過程。使次臨界系統(tǒng)達到臨界有多種途徑，如水位法、元件法和棒位法等［1-2］。采用棒位法進行改造后首次臨界啟動實驗，即：啟動前插入全部控制棒（10根補償棒+2根調(diào)節(jié)棒），遵循1/2～1/3外推臨界原則，進行棒位外推，逐步緩慢提升補償棒和調(diào)節(jié)棒使反應(yīng)堆向超臨界過渡，以實現(xiàn)反應(yīng)堆臨界啟動。反應(yīng)堆臨界啟動的重要條件一是要有啟動中子源，二是要有能監(jiān)測從次臨界到逼近臨界狀態(tài)，直至向超臨界過渡整個過程中堆內(nèi)中子水平變化的物理啟動測量裝置。因此，啟動前首先需根據(jù)堆芯狀態(tài)和實驗條件，研究確定臨界啟動技術(shù)方案。

2.2 光激中子源強計算分析

對于重水反應(yīng)堆，由燃料裂變產(chǎn)物衰變釋放出的高能緩發(fā)γ光子與重水中氘核可產(chǎn)生D（γ，n）H反應(yīng)放出光激中子［3］，其產(chǎn)額如表1所示。其中長壽命的光激中子可作為啟動中子源，因此首次啟動后一般不再需要額外的中子源，這是重水用作慢化劑、冷卻劑或反射層的反應(yīng)堆一大特點。李志安等［4］對北京參考堆（101重水研究堆）光激中子源本底進行過實驗研究，研究結(jié)果表明：反應(yīng)堆在11 MW功率運行狀態(tài)下，堆內(nèi)存在一個與光激中子源對應(yīng)的-1.09×10-3$（對于 101 重水研究堆，1$=0.658%Δk/k）。

裂變產(chǎn)物釋放的γ光子與氘核發(fā)生反應(yīng)的閾能為2.225 MeV［6］，反應(yīng)截面如圖1所示［7］。

圖1 D(γ,n)H反應(yīng)截面Fig.1 Cross-section data of D(γ,n)H

光激中子的強度與裂變產(chǎn)物緩發(fā)γ光子能量與強度有關(guān)，即與反應(yīng)堆運行功率、運行時間和停堆時間有關(guān)。隨著停堆時間的增加，γ光子強度將隨之衰減，進而導(dǎo)致光激中子產(chǎn)生率降低。

表1 緩發(fā)光激中子產(chǎn)額[5]Table 1 Yield of delayed photoneutron[5]

根據(jù)MHWRR堆芯物理狀態(tài)，升級改造后首次臨界時，堆芯為滿裝載，燃料組件平均燃耗為3 250 MW·（d/tU）-1。采用 SCALE 程序包中的TRITON和ORIGEN-APP功能模塊計算了反應(yīng)堆停堆后堆內(nèi)γ光子強度（E≥2.225 MeV）隨停堆時間變化的曲線［8］，如圖2所示。計算時堆芯燃料組件燃耗值采用實際歷史燃耗數(shù)據(jù)，停堆前反應(yīng)堆在1.18 MW功率水平下運行了2 h。表2給出了停堆后1 000 d時刻堆內(nèi)γ光子強度。從圖2可看出，剛停堆后一段時間內(nèi)γ光子強度衰減迅速，之后衰減逐漸趨于平緩。停堆1 000 d后，γ光子強度衰減三個量級以上。

由表2數(shù)據(jù)和圖1所示D（γ，n）H反應(yīng)截面，計算得到停堆后1 000 d時刻堆內(nèi)光激中子總的源強為1.36×107n?s-1。

圖2 γ光子強度隨衰變時間相對變化曲線（E≥2.225 MeV）Fig.2 Curve of gamma source intensity(E≥2.225 MeV)over decay time

2.3 核測量“盲區(qū)”計算分析

MHWRR核測量系統(tǒng)采用堆芯外測量，共14個核探測器，功率測量范圍0～30 MW。核測量系統(tǒng)分別向保護系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和功率指示系統(tǒng)提供反映核功率狀態(tài)的中子注量率信號。采用無γ補償電離室，對稱布置在石墨反射層外探測器孔道內(nèi)，其最小可測中子注量率約為0.83×103cm-2·s-1。

根據(jù)重水慢化劑中光激中子總源強（1.36×107n?s-1），采用SCALE程序計算得到，臨界啟動前，在反應(yīng)堆徑向不同位置的垂直孔道內(nèi)最大中子注量率如表3所示。

從表3數(shù)據(jù)可看出，堆外電離室位置的中子注量率僅為0.2×101cm-2·s-1，遠低于可探測限，臨界啟動時堆外電離室將探測不到逼近臨界過程以及在次臨界狀態(tài)下堆內(nèi)中子水平的變化，即存在啟動“盲區(qū)”。

表2 停堆后1 000 d堆內(nèi)光子強度Table 2 γ photon source intensity after 1 000 d decay time

表3 垂直孔道內(nèi)最大中子注量率計算結(jié)果Table 3 Estimated neutron flux in vertical tube before criticality

出現(xiàn)啟動“盲區(qū)”狀態(tài)下，在從臨界狀態(tài)向超臨界狀態(tài)過渡過程中，若引入反應(yīng)性過大，則有可能在核測量儀表來不及響應(yīng)的情況下，失去周期保護和功率保護。為此，需要在中子注量率水平較高的堆芯區(qū)域附加啟動用中子探測器，以便監(jiān)測極低水平中子的變化。

2.4 臨界棒位計算分析

改造項目實施前，最后一次反應(yīng)堆運行時，當(dāng)重水水位1 782 mm，溫度27℃時，2根調(diào)節(jié)棒棒位為872 mm，10根補償棒棒位為448.5 mm。

改造期間堆芯狀態(tài)有所改變，堆芯中央增設(shè)了裂變鉬輻照裝置，部分實驗孔道內(nèi)樣品出堆。為此，在臨界啟動前，采用MCNP程序?qū)εR界棒位進行了理論計算，以保障臨界實驗啟動的安全。

計算得到，當(dāng)重水溫度為10℃，水位為1 778 mm的實驗條件下，堆芯中央孔道變更為鋯合金輻照裝置后引入負反應(yīng)性，堆芯剩余反應(yīng)性為8.06%Δk/k。臨界棒位為：2根調(diào)節(jié)棒棒位850 mm，10根補償棒棒位420 mm。

根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果，得到的補償棒臨界棒位分別為434 mm和420 mm，因此實驗參考臨界棒位保守取420 mm。

3 臨界啟動技術(shù)與實驗結(jié)果

3.1 極低功率水平下的中子探測

為解決堆外核測量電離室測量盲區(qū)問題，考慮堆芯裝載情況和現(xiàn)場有限條件，使用一支3He計數(shù)管和兩個電離室監(jiān)測堆芯內(nèi)的中子水平變化。中子計數(shù)管布置在堆芯中央孔道內(nèi)，兩個電離室對稱布置在13#孔道和23#孔道內(nèi)，如圖3所示。

啟動電離室靈敏度為1.2×10-14A?nV-1，測量范圍 為 1×10-10～3×10-4A。 中 子 計 數(shù) 管 靈 敏 度 為8 s-1?nV-1，測量范圍為1～2×105s-1。計數(shù)管主要用于監(jiān)測深次臨界狀態(tài)下極低中子水平變化，而電離室主要用于接近臨界時的中子水平變化。當(dāng)反應(yīng)堆達到由次臨界向超臨界過渡狀態(tài)時，堆外14套核測量電離室應(yīng)能探測到堆內(nèi)中子水平的變化。這樣可以做到整個臨界啟動過程中，反應(yīng)堆狀態(tài)始終得到可靠監(jiān)測，保證實驗安全。

在臨界啟動前，中子探測器的響應(yīng)特性及其在孔道內(nèi)軸向高度位置在堆內(nèi)進行了測試，1#啟動電離室最大電流顯示為2.75×10-9A，2#電離室最大電流顯示為3.2×10-9A，中子計數(shù)管計數(shù)值大于2×103s-1。

圖3 核測量探測器布置示意圖Fig.3 Layout of neutron detectors

3.2 有光激中子源時的棒位法外推臨界過程

根據(jù)點堆動力學(xué)模型［5］，有：

式中：n(t)為t時刻系統(tǒng)內(nèi)的中子數(shù)；l為中子壽命；βi為第i組緩發(fā)中子的份額；Ci（t）為t時刻系統(tǒng)內(nèi)發(fā)射第i組緩發(fā)中子的先驅(qū)核數(shù)；λi為第i組先驅(qū)核的衰變常數(shù)；S為系統(tǒng)內(nèi)光激中子源強度；β為緩發(fā)中子有效份額；keff為系統(tǒng)有效增殖因子。

在次臨界狀態(tài)下（keff＜1），當(dāng)有光激中子源存在時，系統(tǒng)內(nèi)的中子會達到一個平衡穩(wěn)定值。于是：

在低于臨界棒位H0的不同棒位Hi下，測得某處穩(wěn)定的中子計數(shù)率Ni，則有：

式中：B為中子計數(shù)裝置的幾何效率因子；kieff為反應(yīng)堆臨界前的有效增殖因子。

棒位法外推臨界實驗時，將各測量點的數(shù)據(jù)1/Ni對控制棒棒柵位置Hi作圖，外推便可得到臨界棒位H0。

實驗開始時，堆芯初始狀態(tài)為滿裝載72組燃料組件，首先將兩根安全棒提升到頂，功率保護和周期保護投入工作，其余控制棒插入堆芯。

實驗步驟：1）將調(diào)節(jié)棒提升至預(yù)定高度，按1/2原則逐根緩慢提升補償棒，即補償棒提升高度為外推臨界棒位與當(dāng)前棒位之差的1/2，記錄穩(wěn)定計數(shù)；2）按1/3原則提升補償棒，當(dāng)相鄰兩次外推值在1 mm之內(nèi)符合時結(jié)束棒位外推，向超臨界過渡；3）向超臨界過渡時，將補償棒逐根提升至外推臨界棒位，提棒過程中如出現(xiàn)功率增長周期則表明反應(yīng)堆已實現(xiàn)臨界，如補償棒到位后沒有周期，則以1 mm為步長逐根提升補償棒，直至出現(xiàn)增長周期達到臨界。功率增長周期不得小于60 s；4）當(dāng)反應(yīng)堆達到臨界，待堆外至少有兩套電離室電流顯示達到2×10-9A（相當(dāng)于反應(yīng)堆核功率約為200 W）以上時，穩(wěn)定運行0.5～1 h，然后下插補償棒停堆，取出堆內(nèi)啟動測量裝置。

3.3 實驗結(jié)果與分析

在進行棒位法外推時，首先將兩根調(diào)節(jié)棒提升至850 mm高度，然后按1/2～1/3添加反應(yīng)性原則依次提升10根補償棒進行外推，得到的外推曲線如圖4所示。圖4、圖5中，N0為本底，Ni為不同棒位時的計數(shù)裝置計數(shù)或電離室電流值。當(dāng)補償棒棒位為417.5 mm時，中子計數(shù)裝置的計數(shù)和兩套啟動電離室電流外推值均在418.5 mm處收斂，中子計數(shù)裝置相鄰兩次外推值在1 mm內(nèi)符合，然后逐根提升補償棒至418.5 mm，向超臨界過渡。當(dāng)9根補償棒高度為418.5 mm，一根補償棒高度為418.0 mm時，兩套啟動電離室測量得到反應(yīng)堆倍增周期為184 s，向超臨界過渡成功，升級改造后反應(yīng)堆成功實現(xiàn)首次臨界啟動。

表4給出了向超臨界過渡前后各核測量電離室電流值測量結(jié)果。從表4數(shù)據(jù)可知，當(dāng)反應(yīng)堆逼近臨界時，堆外核測量電離室中一套核功率顯示和三套功率保護測量通道均開始有電流顯示且達到測量范圍，說明啟動電離室與堆外核測電離室測量范圍銜接很好，實驗方案設(shè)計合理。

圖4 棒位外推曲線Fig.4 Shim rod banks height extrapolate curve

圖5 棒位外推曲線Fig.5 Extrapolation curve of shim rod banks height

表4 向超臨界過渡過程中電離室電流值（A）Table 4 Current values of ion-chambers during criticality startup

4 結(jié)語

本文對MHWRR升級改造后在極低光激中子水平下不外加啟動中子源首次臨界啟動的實驗技術(shù)進行研究，得到以下結(jié)論：

1）MHWRR升級改造后順利實現(xiàn)了首次臨界啟動，實驗過程中啟動用測量裝置與堆外電離室測量范圍銜接很好，解決了極低光激中子水平下臨界啟動中存在的核測量盲區(qū)問題，保證了實驗安全。實驗結(jié)果表明：實驗方法得當(dāng)，理論分析結(jié)果可信，實驗儀器可靠實用。

2）根據(jù)臨界外推結(jié)果，最終臨界棒柵為：調(diào)節(jié)棒棒位850 mm，補償棒棒位418.5 mm。理論計算臨界棒位為：調(diào)節(jié)棒棒位850 mm，補償棒棒位415～420 mm，與實驗值的誤差小于0.84%。實驗結(jié)果充分驗證了理論計算，證明計算結(jié)果可信。