CN109903866A - 一种监测次临界反应堆反应性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测次临界反应堆反应性的方法，在反应堆的两处不同位置放置中子探测器用于获取中子计数率，用两个探测器记录到的中子计数率的比值C来表征中子通量密度空间分布形状的特征参数；逐渐改变反应堆的反应性，并记录同一时刻的中子计数率的比值C和有效增殖系数k_eff；拟合出各个时刻中子计数率的比值C与有效增殖系数k_eff的刻度曲线图；在实际监测反应堆的反应性时，实时记录两个中子探测器的中子计数率，得到二者的比值，将其代入刻度曲线图中，即可得到反应堆的有效增殖系数。本发明较传统方法更直观、简单、方便，可在线实时监督系统的反应性变化，并不受外源强度影响，避免了传统方法在深次临界情况下需要进行空间效应修正的困扰。

Description

一种监测次临界反应堆反应性的方法

技术领域

本发明属于核反应堆的反应性监测技术，具体涉及一种监测次临界反应堆反应性的方法。

背景技术

加速器驱动的次临界系统(ADS嬗变系统)是利用加速器产生的高能离子轰击散裂靶产生高通量、高能量中子，用产生的中子作为中子源来驱动次临界反应堆系统，该次临界反应堆在散裂中子源驱动下在一定的高功率水平运行。而临界装置(即零功率反应堆)则是在中子有效倍增因子k_eff＝1的情况下运行，无需监督，只需要释放其后备反应性用以弥补运行中由于燃料燃耗所引起的反应性降低。在临界装置设计时，需要有一个较大的后备反应性，如对于大型压水堆，反应堆初装量k＝1.26，多出的反应性和停堆深度所需要的反应性则通常需要靠控制棒、可燃毒物棒和硼溶液浓度进行补偿和控制，但对于如此大的后备反应性，ADS是绝对不允许的。ADS次临界反应堆是在次临界状态下(即k_eff<1)运行，没有后备反应性，随着运行时间的增加，由于核燃料的燃耗增加，k_eff在不断的减小，另一方面如果堆内有增殖材料，则随着ADS运行而使k_eff增加，因此k_eff的变化将影响ADS功率稳定运行，为了使ADS功率维持稳定，必须随时对k_eff进行监测，当监测的k_eff变化超出功率允许波动的范围后，对ADS的加速器束流进行调整，以使ADS在一定功率下运行。

目前，国际上尚未有ADS嬗变系统工程化应用的先例。为此，中国原子能科学研究院设计并建造了启明星Ⅱ号“双堆芯”零功率实验装置(即水堆和铅堆)，开展ADS嬗变系统工程化基础研究，为高功率ADS工程建设获取大量自主的ADS堆物理与堆靶耦合特性的关键实验数据，水堆主要侧重于原理性验证以及热中子能谱环境下的基准性验证实验研究，铅堆主要侧重于工程性验证以及快中子能谱环境下的基准性验证试验研究；ADS反应性监督与测量在铅堆上进行。

次临界反应堆反应性的测量方法有跳源法、脉冲中子源法、Ross i-α、Feynma-α法等等，这些传统方法无一不是受外源强度影响、得到的结果需要经过诸多处理才能得到次临界度，如在深次临界情况下要进行空间效应修正。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种简单有效的监测次临界反应堆反应性的方法，从而在线实时监督系统的反应性变化，并不受外源强度影响，避免传统方法在深次临界情况下需要进行空间效应修正的困扰。

本发明的技术方案如下：一种监测次临界反应堆反应性的方法，在反应堆的两处不同位置放置中子探测器用于获取中子计数率，用两个所述中子探测器记录到的中子计数率的比值C来表征中子通量密度空间分布形状的特征参数；逐渐改变反应堆的反应性，并记录同一时刻的中子计数率的比值C和有效增殖系数k_eff；建立坐标系，通过所记录的各个时刻中子计数率的比值C与有效增殖系数k_eff拟合出C与k_eff的刻度曲线图；在实际监测次临界反应堆的反应性时，实时记录两个所述中子探测器的中子计数率，得到二者的比值，并将其代入制成的刻度曲线图中，即可得到此时反应堆的有效增殖系数。

进一步，如上所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其中，所述中子探测器采用BF₃计数管。

进一步，如上所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其中，通过匀速分段插入调节棒引入负反应性的方式改变反应堆的反应性。

进一步，如上所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其中，通过跳源法确定各个时刻反应堆的有效增殖系数k_eff。

进一步，如上所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其中，所述坐标系以C为横坐标，k_eff为纵坐标，绘制C与k_eff的刻度曲线图。

本发明的有益效果如下：本发明通过测量次临界系统内中子通量密度空间分布形状的信息来在线监测反应堆的次临界度，该方法与传统测量次临界度的方法相比较，具有简便、可在线实时监督系统的反应性变化，并不受外源强度影响等优点，也避免了传统方法在深次临界情况下需要进行空间效应修正的困扰。

附图说明

图1为监测次临界反应堆反应性的系统结构图；

图2为本发明具体实施例中中子探测器的布置示意图；

图3为本发明具体实施例中中子通量密度分布形状特征参数C与k_eff之间的刻度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

对于有外源驱动的次临界反应堆，其中子通量密度分布的求解问题是中子输运方程式用矩阵表示的非齐次方程的定解问题，即：

AΦ₁＝MΦ₁+S(其中，S为独立外中子源) (1)

式中，A为输运算子(包含有泄漏、散射和吸收)，M为增殖算子，Φ₁为有源时中子通量密度(或功率)，S为独立外中子源。

在单群近似下，该反应堆内的中子通量密度空间分布为：

其中，k_n为系统的n阶本征值，k₁为系统的最大特征值，即系统的有效增殖系数k_eff，而参数Sn为外源的多项式展开系数，可事先求得。

当系统处于次临界时，k₁＜1，此时所有的k_n-1都为负，于是(2)式中指数项将随时间衰减为0，最后系统的稳态中子通量密度分布为：

由(3)式可知，对于有外源驱动的次临界反应堆来说，其稳态时的中子通量密度的空间分布不但与基波本征函数有关(即(3)式的)，还与系统的高次谐波本征函数有关(即(3)式的)，且各本征函数在堆稳态时中子通量密度的贡献与对应的本征值的大小有关。当k₁接近1时，基波本征函数前的系数就越大，这意味着在对所有本征函数求和中基波本征函数将占优势，系统稳态中子通量密度的空间分布的形状也将接近系统的基波本征函数分布。这说明，对外源驱动的次临界反应堆，其稳态中子通量密度的空间分布的形状与系统的有效增殖系数有着直接的联系，利用这样的联系，就有可能实现对反应堆有效增殖系数或次临界度的监测。

从反应堆理论导出稳态中子通量密度的空间分布的形状与系统的中子有效增殖系数的关系：AΦ＝MΦ(3)，式中：A为输运算子(包含有泄漏、散射和吸收)，M为增殖算子，Φ为无源稳态时中子通量密度(或功率)。

式(3)是一个关于Φ的线性齐次方程。它的解为：

k_eff为方程的特征值，即为反应堆的中子有效倍增因子，公式(4)可写为：

其共轭方程为：

经过一系列运算整理后可得：

从反应堆物理理论可知，对一个次临界反应堆，无外源情况下的价值函数(即(6)式中的Φ^*)是唯一的，在引入中子源后，该次临界反应堆内的中子通量密度的分布(即(6)式中的Φ₁)也将是唯一确定的，因此，从(6)式看出，外源驱动的次临界反应堆内的中子通量密度的分布和系统的有效增殖系数k_eff确实存在着一一对应的关系。另外从(1)式可知，当外源分布给定的情况下，中子通量密度的大小与外源强度(即幅度)成正比，而式(6)的右端与外源无关，这样就可以由有源次临界反应堆的中子通量密度空间分布的形状来唯一确定反应堆的中子有效增殖系数k_eff，通过利用这样的联系，实现对反应堆有效增殖系数或次临界度的监测。在运行时，实际是在该反应堆的两个不同位置放置中子探测器，由这两个位置处的中子探测器获取中子计数率，其比值C来表征中子通量密度空间分布形状的特征参数，给出C与中子有效增殖系数之间的“刻度曲线”。由此曲线可实时在线监督和测量系统的反应性。

该方法在启明星Ⅱ号“双堆芯”零功率实验装置的铅堆上进行应用，拔取一定数量的燃料元件，在某一初始的次临界度下进行匀速下插某一根调节棒，以此引入负反应性的方式改变堆的反应性。先通过跳源法来确定装置初始k_eff(k_eff＝0.986)，再通过铅堆内匀速分段插入某一根调节棒的方式来引入负反应性，然后由布置在铅堆反射层内的两个不同位置的中子探测器来记录堆内插入调节棒过程中的中子计数，两个中子探测器记录到的中子计数率的比值C表征中子通量密度空间分布形状的特征参数，调节棒每插入一段均需要通过“跳源法”确定此刻的k_eff，此后，随着调节棒的不断插入可得到相应的比值C和对应的k_eff，直至全部插入堆芯内，最后，以C为横坐标，k_eff为纵坐标，制成刻度曲线图，如图3所示。有了这条刻度曲线，之后在核电厂或次临界装置随着燃耗的积累，选取得到该刻度曲线相对应的两个中子探测器并实时记录中子计数，得到二者的比值Cx，将其代入制成的刻度曲线图中，就可得到此时系统的k_eff，从而实现在线监督和测量系统的反应性，此刻度曲线可作为监督堆芯反应性的尺子来量度。

本发明的监测次临界反应堆反应性的系统结构如图1所示，以上、下两台启动监测装置对应的BF₃计数管作为中子探测器，BF₃计数管的布置位置如图2所示，中子探测器的位置不放置在中子源能够直射探测器的位置，即中子源与探测器间都要经过慢化和反射材料。在启明星Ⅱ号“双堆芯”零功率实验装置的控制台上选择铅堆，选定需要记录中子计数的两个不同位置的探测器，并选定需要进行匀速分段插入堆芯的调节棒，此处选取2#调节棒进行模拟引入负反应性，通过Labview程序编制获取程序，实时记录下落过程中中子计数的变化情况反应性的变化曲线图，直至该棒插入到堆芯底部为止。

首先，通过拟准备进行实验的次临界度结合单根燃料棒的反应性价值，拔取一定数量的燃料棒，使之处于次临界状态，之后按照开堆顺序启堆提控制棒，当将控制棒全部提出堆芯后，运用跳源法测量得到此时装置实际的次临界度，然后，选中需要进行下插的2#调节棒进行分段匀速下插，每次下插长度应一致，每次下插后通过上、下两台启动监测装置记录各自的中子计数，待记录完成后，再用跳源法测量此时段装置的次临界度，以此类推，之后分别用相同方法进行记录两组中子计数和运用跳源法记录对应的次临界度，直至该调节棒全部插入堆芯内为止。从调节棒全部在顶部到全部下插到底部过程中，得到一系列中子计数(上、下两台中子启动监测装置)和对应的次临界度(相当于中子有效增殖系数k_eff)，然后得到中子计数的比值C，再以此比值C作为横坐标，对应的次临界度(相当于k_eff)作为纵坐标作图，在该图中得到一系列点，然后拟合出曲线，最后，得到如图3中所示的特征参数C与中子有效增殖系数之间的“刻度曲线”，图3中R²是指趋势线拟合程度的指标，它的数值大小可以反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度，拟合程度越高，趋势线的可靠性就越高；R平方值的取值范围在0～1之间的数值。由此曲线可实时在线监督和测量系统的反应性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种监测次临界反应堆反应性的方法，其特征在于：在反应堆的两处不同位置放置中子探测器用于获取中子计数率，用两个所述中子探测器记录到的中子计数率的比值C来表征中子通量密度空间分布形状的特征参数；逐渐改变反应堆的反应性，并记录同一时刻的中子计数率的比值C和有效增殖系数k_eff；建立坐标系，通过所记录的各个时刻中子计数率的比值C与有效增殖系数k_eff拟合出C与k_eff的刻度曲线图；在实际监测次临界反应堆的反应性时，实时记录两个所述中子探测器的中子计数率，得到二者的比值，并将其代入制成的刻度曲线图中，即可得到此时反应堆的有效增殖系数。

2.如权利要求1所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其特征在于：所述中子探测器采用BF₃计数管。

3.如权利要求1所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其特征在于：通过匀速分段插入调节棒引入负反应性的方式改变反应堆的反应性。

4.如权利要求1所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其特征在于：通过跳源法确定各个时刻反应堆的有效增殖系数k_eff。

5.如权利要求1所述的监测次临界反应堆反应性的方法，其特征在于：所述坐标系以C为横坐标，k_eff为纵坐标，绘制C与k_eff的刻度曲线图。