环形燃料反应堆通量密度分布测量

张 庚，刘 锋，夏兆东，朱庆福，章秩烽

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所，北京 102413)

相对中子通量密度分布是反应堆的重要物理参数之一，对反应堆物理特性及开展安全分析具有指导意义。环形燃料可大幅度提高燃料元件的传热效率，降低燃料芯块温度，能显著提升反应堆的安全性和经济性，已成为压水堆先进燃料组件的重要发展趋势之一。环形燃料栅元没有在堆内实际应用的先例，国内外均没有环形燃料堆芯物理实验数据，测量环形燃料反应堆中子通量密度的空间分布，可为中子物理实验、照射实验、同位素生产提供依据，通过测定相对中子通量密度分布了解堆芯热点、导出的物理参数等可为反应堆设计或运行提供数据[1-4]。

在环形燃料零功率反应堆上开展了环形燃料堆芯物理临界实验。为模拟环形先导组件入传统实心燃料组件压水堆的工况，采用环形与实心燃料混合装载模式，完成对最小临界装载的多边形装载系列堆芯装载方案的临界实验，相对中子通量密度分布是反应堆临界实验中的重要组成部分。本文选取金作为探测箔布置在不同元件外表面，通过箔活化法测量环形燃料零功率反应堆轴向和径向的相对中子通量密度分布，并与蒙特卡罗分析程序计算值进行对比分析。本文结果可为环形燃料堆芯的物理计算程序验证、环形燃料先导组件入堆考验及环形燃料反应堆堆芯设计提供参考数据。

1 实验方法选择及原理

环形燃料零功率反应堆堆芯比较紧凑，栅格稠密，采用箔活化法测量不受栅格大小的限制，较采用其他方法更有优势。活化箔片所占的空间较小，可放置在紧密栅格内进行测量，对于中子场的扰动小且位置分辨率高[5-8]。因此，选择箔活化法测量环形燃料零功率反应堆的相对中子通量密度分布。

箔活化法测量中子通量密度分布的原理是将1组活化截面已知的金箔放入到待测的中子场中进行照射，取出后放在高纯锗探测器内进行活度测量，其金活化探测箔的γ积分计数CAu与中子通量密度Φ(E)有如下关系：

(1)

其中：Iγ为自屏γ修正；ε为不同能量的探测效率；K为相应能量的占比；τ为系统死时间；σAu(E)为金探测箔的中子活化反应截面；NAu为金探测箔的原子数；λAu为金探测箔激活后的衰变常量；t0为辐照时间；t1为持续测量时间；t2为辐照出堆后至开始测量之间的时间间隔；t为时间。

从式(1)可看出，对于同样的金箔，在堆内进行1次辐照，所有金箔辐照时间t0相同；在测量活度过程中，Iγ、ε、K均相同；如果考虑堆内不同位置能谱也相同，即：

(2)

则式(1)可写为：

(3)

其中：Φ0为总中子通量密度绝对值；χ(E)为归一化的待测中子能谱；C为特征γ射线积分计数率；a为常数。

因此只需在实验前称出每一片金活化箔的质量，辐照后测量其积分计数率C，记录下t1、t2，即可求得相对中子通量密度aΦ0。

2 环形燃料零功率反应堆

环形燃料零功率反应堆位于中国原子能科学研究院铀棒栅临界实验装置堆厅，是一座以轻水为慢化剂和反射层、以控制棒进行反应性控制的立式小型临界装置。本次实验堆芯栅格为23.6 mm的方形栅格，燃料元件采用235U富集度为4.95%的环形燃料元件与235U富集度为3%的实心燃料元件混装，共装载环形燃料元件96根，实心燃料元件172根，占位元件128根，堆芯布置方案示于图1。堆芯净堆装载呈1/8旋转对称。采用了多边形堆芯装载方案，多边形堆芯装载方案为环形燃料零功率反应堆的最小临界质量装载方案[9-12]。

图1 环形燃料零功率反应堆临界装载方案Fig.1 Critical loading scheme of annular fuel zero-power reactor

3 实验方案

3.1 探测箔

根据能谱分析计算结果(图2)，堆芯为典型热谱反应堆，引发裂变的中子有93.73%是热中子，因此选择在热谱有较大截面的Au作为活化片材料。此外，金制作简单，操作方便，有利于保证测量精度。金的衰变方式有3种，其中能量为0.412 MeV的γ射线的分支比为0.99，当把探测仪器的阈窗(光电峰的半宽度)放在410 keV处进行测量时，可使本底降低60%～80%，适宜用高纯锗γ谱仪进行相对测量[5]。

图2 环形燃料零功率反应堆中子能谱计算结果Fig.2 Calculation result of neutron energy spectrum of annular fuel zero-power reactor

对金进行压延加工，滚轧成金箔，切割成5 mm×5 mm×0.02 mm的方形金探测箔若干。将每一片金探测箔编号并进行质量称量，根据具体实验情况进行选择并入堆辐照测量。

3.2 测点定位

基于蒙特卡罗程序进行全堆精细模拟，计算全堆中子通量密度分布，作为选取堆芯辐照金箔布置位置的依据。根据通量密度分布分析计算结果(图3)，以分别涵盖环形燃料元件与实心燃料元件的通量密度高、中、低位置为原则选取探测箔布置位置。

由于堆芯采用环形燃料元件与实心燃料元件混合装载，径向分别选取处于1/8对角线上具有代表性位置的3根实心燃料元件与4根环形燃料元件，由栅格板左下角开始计数元件孔位，对应位置为[10，10](A)、[8，10](B)、[6，10](C)、[6，6](D)的环形燃料元件，位置[4，10](E)、[2，10](F)、[4，6](G)的实心燃料元件。7根待测元件轴向以每10 cm为一测点，每根元件轴向8个测点，轴向共56个测点。径向位于燃料元件的外表面，方向统一朝向堆芯中心。测点布置图示于图4，其中A点为靠堆芯中心方向。

第1行为xz方向，第2行为xy方向a，e——全能量区间，0～20 MeV；b，f——热中子，0～1 eV；c，g——超热中子，1 eV～0.1 MeV；d，h——快中子，0.1 MeV～20 MeV图3 环形燃料堆芯中子通量密度分布Fig.3 Neutron flux density distribution in annular fuel core

a——径向；b——轴向图4 1/8堆芯测点布置Fig.4 Layout of measuring point for octant core

3.3 相对中子通量密度分布测量

用胶带将活化片(金片)固定于待测元件包壳的指定位置，然后将外表面含有活化片的燃料元件布置在堆芯待测位置，将反应堆运行至功率探测器电流0.3×10-7A对应的功率水平，中子辐照120 min后正常停堆，拆解取出活化片，通过高纯锗γ谱仪对金箔的γ活度进行测量，根据式(3)得到堆芯不同位置处的相对中子通量密度分布。

4 结果与讨论

轴向、径向相对中子通量密度测量结果分别列于表1、2。采用堆芯轴向、径向通量密度最高区γ在A点的计数3 323作为归一化点。

表1 轴向相对中子通量密度测量值分布Table 1 Distribution of measured value of axial relative neutron flux density

使用蒙特卡罗程序进行全堆精细模拟，选取堆芯辐照样品布置位置进行计数，统计探测箔对应位置处金箔的(n，γ)计数响应。相对中子通量密度测量值与计算值的比较示于图5、6。结果表明，在环形与实心核燃料混合装载的环形燃料零功率反应堆中，环形燃料元件通量密度分布形状与实心燃料近似。距离堆芯中央通量密度分布最高处的元件A与B理论与测量值符合最好。现有蒙特卡罗分析手段可较好地分析堆内环形及实心燃料元件外表面通量密度分布情况，理论值与测量值的最大相对偏差在12%以内，推测可能的原因是对于通量密度分布边缘的小概率抽样事件问题，计算的统计方差相对较大。通量密度分布测量结果符合实验设计预期。

表2 径向相对中子通量密度测量值分布Table 2 Distribution of measured value of radial relative neutron flux density

图5 径向相对通量密度计算值与测量值比较Fig.5 Comparison of calculated and experimental values of radial relative neutron flux density

a——位置[10，10]，环形燃料；b——位置[8，10]，环形燃料；c——位置[6，10]，环形燃料；d——位置[6，6]，环形燃料；e——位置[4，10]，实心燃料；f——位置[2，10]，实心燃料；g——位置[4，6]，实心燃料图6 不同位置堆芯轴向相对通量密度计算值与测量值比对Fig.6 Comparison of calculated and experimental values of axial relative neutron flux density at different positions

5 总结

中子通量密度分布测量对了解环形燃料堆芯反应堆物理特性、开展安全分析及设计方法验证具有指导意义。本文测量了环形燃料零功率反应堆堆芯相对中子通量密度分布，并与蒙特卡罗理论计算值进行分析比较，测量值与计算值的最大相对偏差在12%以内。中子通量密度实验测量值可用于环形燃料反应堆的核设计与理论程序验证。本文结果可为环形燃料的工程应用顺利开展提供实验数据支撑。