CN112133462A - 一种临界装置功率刻度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种临界装置功率刻度方法，在零功率装置堆芯探测点处同时布置探测活化片I和探测活化片II，所述探测活化片I用于进行绝对通量测量，所述探测活化片II用于进行相对通量分布测量；测量过程中同时辐照探测点处的探测活化片I和探测活化片II，同时进行绝对通量测量和相对通量分布测量。本发明利于减少开堆的次数，减少功率刻度消耗的时间。

Description

一种临界装置功率刻度方法
技术领域
本发明涉及反应堆物理试验与测量技术领域，具体涉及一种临界装置功率刻度方法。
背景技术
根据相关规定，在零功率装置上进行试验运行，零功率装置最高运行功率不得超过堆芯平均中子注量率1×108n/(cm2s)所对应的功率水平。因此，为了保证零功率装置不突破规定运行限值，同时也保证装置的运行安全，在零功率装置上开展实验均需进行功率刻度试验。
零功率装置传统功率刻度方法为：功率刻度试验一般需开展数个通量台阶的测量任务，通过测量堆芯中子通量相对分布(相对测量)以及特定点的绝对通量水平(绝对测量)，计算得到堆芯平均通量。通过每个台阶的平均通量以及堆上指示仪表，可以刻度堆芯平均通量以及堆上指示仪表的对应曲线，进而外推得到通量为1×108n/(cm2s)时的堆上仪表指示值。
上述功率刻度方法存在以下不足：1)完成一次功率刻度试验往往需要在数个不同通量台阶下开展实验，且每个台阶下均需开展绝对通量测量以及相对通量分布测量，这就需要进行多次开堆试验。2)为了得到足够精度的相对通量分布，需要在堆芯布置大量探测材料，这也增加了单次开堆测量的时间。
因此，改进优化功率刻度试验方法，减少开堆的次数，并且减少每次开堆的测量时间，具有极强的现实意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种临界装置功率刻度方法，利于减少开堆的次数，减少功率刻度消耗的时间。
本发明通过下述技术方案实现：
一种临界装置功率刻度方法，在零功率装置堆芯探测点处同时布置探测活化片I和探测活化片II，所述探测活化片I用于进行绝对通量测量，所述探测活化片II用于进行相对通量分布测量；测量过程中同时辐照探测点处的探测活化片I和探测活化片II，同时进行绝对通量测量和相对通量分布测量。
传统的，每个台阶下的测量分为绝对测量以及相对测量。绝对测量采用Au探测片测量堆芯某一点(即归一点)的绝对中子通量，相对测量采用活化探测片在堆芯内布置大量探测材料(其中包括归一点)来测量中子通量在探测点处的相对大小。通过绝对测量与相对测量既可以得到堆芯中子通量的绝对值及其相对分布，如图1所示。
以往的测量过程中，需要进行辐照试验两次，分别进行绝对与相对测量，即在归一点处分别辐照Au探测片以及活化探测片来完成整个测量过程。
本发明通过分析间隙内热中子特性，将绝对测量与相对测量归并测量，使得测量过程仅需辐照试验一次即可完成堆芯热中子注量率测量工作，零功率装置堆芯探测点处同时布置探测活化片I和探测活化片II，测量过程中同时辐照探测点处的探测活化片I和探测活化片II，同时进行绝对通量测量和相对通量分布测量，如图2所示；可以将功率刻度试验的开堆次数减少一半。
进一步优选，所述探测活化片I和探测活化片II的探测材料选取参数包括活化截面积、活化产物的半衰期、化学稳定性和结构强度。
对于探测活化片的材料选择，需要材料易于获取，化学性质稳定，吸收截面和半衰期适当等。具体来讲，就是要求：
1)根据可能达到的通量水平选择活化片的原材料，活化片的活化截面应当大小适中以保证足够的测量精度；
2)活化产物的半衰期应合适，太长或太短均不便于测量；
3)活化材料还应具有易于获取、便于加工、化学稳定、并且有一定的强度等特点。
进一步优选，所述探测活化片I采用Au-197材料，所述探测活化片II采用Mn做为活化材料的Mn-Ni合金材料。
由于单质金属普遍有质软、机械加工性差的特点，目前的活化片基本使用金属合金制成。主活化材料一般有In、Dy、Mn、Au等。
In的丰度较低，仅4.23％，并且在1.44eV能量处有一很强的共振峰，所以In不适合矩形窄间隙的热中子注量率测量。
Dy为稀有元素，较为昂贵，容易得到的是Dy2O3化合物粉末，一般需要混合压制加热后才能进行加工，制作过程比较复杂。并且由于混入其他元素，Dy做成的活化片中Dy的含量相对较低，并且Dy的吸收截面较大，对于窄间隙通道的热中子注量率扰动较大，所以Dy不适于本文的测量工作。
Au较为昂贵，进行相对测量时需要布置大量探测片，因此使用Au进行测量成本较高。但是，由于Au-197在自然界几乎丰度100％，其中子活化产物Au-198的半衰期2.7天，半衰期适中，可以对其进行较长时间的测量。且纯金质软，容易加工成为很薄的形式，本发明采用Au-197作为绝对测量的材料。
Mn为较常见金属，且55Mn的丰度接近100％，活化核素56Mn的半衰期约2.5小时，长度适中，微观吸收截面13.2b，对窄间隙通道的热中子场扰动较小。所以本发明选择Mn做为活化材料，同时选择Ni做为合金材料，制成Mn-Ni合金片，其中Mn的含量约为80％，可以计算出Ni的活性干扰不足0.1％。
采用合并测量的方法，由于Au探测片对中子的吸收作用，使得Au探测片附近区域出现热中子注量率的凹变，此时将Mn探测片布置于Au片附近，较之于单独放置活化探测片时会出现一定误差。需要分析Au探测片与Mn活化探测片之间的相互干扰，只有两者对中子场扰动不大时，才不会对测量结果造成显著影响。本发明认为，当Au片以及Mn片对堆芯中子场扰动不超过1％时，归并测量结果可以接受。
进一步优选，所述探测活化片I的厚度为0.1mm；所述探测活化片II的厚度为0.2mm。
一般的，零功率装置堆芯中子能量最概然值为1.0E-7MeV，在此能量下，Au197的总截面约60bar，Mn56的截面约为8.8bar。在1.0E-7eV能量下，Au197的宏观截面为：
Figure BDA0002698820330000031
Mn55的宏观截面为：
Figure BDA0002698820330000032
当探测片的厚度为1mm时，可以计算出1.0E-7MeV的热中子在Au探测片内与Au发生作用的概率为，即对中子场的扰动不超过1％时，Au的厚度为：
d＝p/ΣAu＝0.01/18.34＝0.000545m＝0.545mm
计算出1.0E-7MeV的热中子在0.2mm厚度的Mn探测片内与Mn发生作用的概率，即对中子场的扰动不超过1％时，Mn的厚度为：
d＝p/ΣMn＝0.01/9.64＝0.00104m＝1.04mm
即当Au片厚度不超过0.545mm，Mn厚度不超过1mm时，其对堆芯中子场的扰动不会超过1％。
本发明优选采用0.1mm厚度的Au探测片以及0.2mm厚的Mn活化探测片，可以计算出，两个探测片合并测量造成的误差均不超过0.2‰。所以，本实施例使用绝对测量与相对测量合并的方法，不会对彼此的测量结果造成较大误差，是合理的。
进一步优选，还包括堆芯探测材料布置操作：对1/4堆芯象限布置探测材料进行测量，其它三个象限布置若干功率对照点；所述探测材料为探测活化片I和探测活化片II，所述功率对照点用于校核测量结果并检验堆芯通量分布对称性。
一般的，堆芯每个通量台阶下均需要开展中子通量相对分布测量试验，通过对堆芯进行大量布置探测材料以确定堆芯通量分布，如图4所示。
由于布置了大量探测材料，对这些材料进行测量需消耗大量时间，并且增加了测量人员受辐照剂量。同时，由于探测材料本身对中子的吸收，会对堆芯中子场造成一定扰动，进而导致一定的测量误差。另外，大量的探测材料也增加了试验测量的成本。为解决以上问题，本发明在进行测量时，合理布置了探测材料：在测量实验中，主要对1/4堆芯象限进行测量，其它三个象限布置若干功率对照点，用于校核测量结果并检验堆芯通量分布对称性。
进一步优选，在零功率装置堆芯功率刻度过程中，针对每个通量台阶进行绝对通量测量和相对通量分布测量的同时测量、以及堆芯探测材料布置操作。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明设计了一种改进的功率刻度试验方法，将中子通量绝对测量和相对分布测量合并进行，可以将功率刻度试验的开堆次数减少一半；并设计制造了一批用于绝对测量与相对测量合并测量适用的Au探测片和Mn合金活化探测片，两个探测片合并测量造成的误差均不超过2‰，不会对彼此的测量结果造成较大误差；通过合理设计每个台阶的探测材料布置方式，大幅减少了每次相对测量使用探测材料数量，进而减少了功率刻度消耗的时间。
本发明将绝对测量和相对分布测量探测材料合理布置于堆芯中，辐照考验，进行测量得到功率刻度试验结果，进而可以计算得到堆芯平均中子通量1×108n/(cm2s)时堆上仪表值，达到功率刻度试验的目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有技术中绝对测量与相对测量单独测量示意；其中，(a)表示绝对测量，(b) 表示相对分布测量；
图2为本发明的绝对测量和相对分别测量合并示意图；
图3为现有技术堆芯中子通量相对分布测量点示意图；
图4为本发明堆芯中子通量测量探测材料分布示意图；
图5为本发明堆芯中心中子通量分布测试结果。
附图中标记及对应的零部件名称：1-燃料板，2-矩形水隙，3-Au探测片，4-活化探测片， 5-探测片I，6-探测片II。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例提供了一种临界装置功率刻度方法，主要通过以下三方面实现：
1、堆芯中子通量探测材料选择
对于探测活化片的材料选择，需要材料易于获取，化学性质稳定，吸收截面和半衰期适当等。具体来讲，就是要求：
1)根据可能达到的通量水平选择活化片的原材料，活化片的活化截面应当大小适中以保证足够的测量精度；
2)活化产物的半衰期应合适，太长或太短均不便于测量；
3)活化材料还应具有易于获取、便于加工、化学稳定、并且有一定的强度等特点。
本实施例选择Au-197和Mn-Ni合金分别作为探测活性片I和探测活性片II，以下简称 Au探测片和Mn探测片。
Au较为昂贵，进行相对测量时需要布置大量探测片，因此使用Au进行测量成本较高。但是，由于Au-197在自然界几乎丰度100％，其中子活化产物Au-198的半衰期2.7天，半衰期适中，可以对其进行较长时间的测量。且纯金质软，容易加工成为很薄的形式，本实施例采用Au-197作为绝对测量的材料。
Mn为较常见金属，且55Mn的丰度接近100％，活化核素56Mn的半衰期约2.5小时，长度适中，微观吸收截面13.2b，对窄间隙通道的热中子场扰动较小。所以本实施例选择Mn 做为活化材料，同时选择Ni做为合金材料，制成Mn-Ni合金片，其中Mn的含量约为80％，可以计算出Ni的活性干扰不足0.1％。
2、堆芯绝对通量测量与相对通量分布测量合并测量
本实施例通过分析间隙内热中子特性，将绝对测量与相对测量归并测量，使得测量过程仅需辐照试验一次即可完成堆芯热中子注量率测量工作，如图3所示，零功率装置堆芯探测点处同时布置探测活化片I(即Au探测片)和探测活化片II(即Mn探测片)，测量过程中同时辐照探测点处的Au探测片和Mn探测片，同时进行绝对通量测量和相对通量分布测量。
采用合并测量的方法，由于Au探测片对中子的吸收作用，使得Au探测片附近区域出现热中子注量率的凹变，此时将Mn探测片布置于Au片附近，较之于单独放置活化探测片时会出现一定误差。需要分析Au探测片与活化探测片之间的相互干扰，只有两者之间的相互干扰相对较小时，才不会对测量结果造成显著影响。
本实施例采用0.1mm厚度的Au探测片以及0.2mm厚的Mn活化探测片，可以计算出，两个探测片合并测量造成的误差均不超过2‰。所以，本实施例使用绝对测量与相对测量合并的方法，不会对彼此的测量结果造成较大误差，是合理的。
3、每个台阶下探测材料分批布置
本发明在进行测量时，分批布置了探测材料。以传统的三个测量台阶为例，在进行相对分布测量时，每个测量台阶不再像以往一样全堆芯均要布设测量点(图3)，而是分批在每个测量台阶下布设测量点，同时，在中心位置设置了归一点(图中加圆圈的点)，通过归一点以及三个台阶下的布置点，可以得到全堆芯的分布。每个台阶下的分批布置比较以往的全堆芯布置，测量时间大幅下降。
具体测量原理如下所示：
测量前，根据已有的分析结果，将载有Au探测片和Mn探测片的玻璃条布置在堆芯窄间隙通道内。随后，启堆稳功率同时辐两个活化片，辐照完成后降棒停堆，当堆厅γ剂量与中子计数降到本底水平时，取出探测片进行测量。使用相对中子注量率分布测量系统测量前，先标定探头相对效率。由于采用多道进行测量，每个探头所加高压略有不同，探头灵敏度也有差异，因而需要标定各个探头的相对效率。标定时，将同一玻璃条上活化片分别置于各探头下，测量探头相对效率。然后，测量活化片活性，分批次将各玻璃条上活化片置于相对通量分布测量装置上进行活性测量。最后，对测量数据进行汇总处理，得到全堆芯中子通量分布。
在测量实验中，主要对1/4堆芯象限进行测量，其它三个象限布置若干功率对照点，用于校核测量结果并检验堆芯通量分布对称性。图5是根据测量数据绘制的堆芯中心、边缘中子通量分布图以及活性区200mm高度处中子通量分布三维图。从图中可以看出，堆芯中心中子通量较高，边缘较低，堆芯上部较低，底部较高。测量时，堆芯边缘控制棒全部提出，中间控制棒提至约350mm高度处，从图中可以看出，中心通量沿轴向变化较边缘更为剧烈，并且在堆芯半高度处出现较大变化。从测量结果可以看出，分布图所展示的中子通量分布较为准确地反映了堆芯的实际装载情况，这对堆芯上进行的各项物理工作提供了非常有用的信息。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种临界装置功率刻度方法，其特征在于，在零功率装置堆芯探测点处同时布置探测活化片I和探测活化片II，所述探测活化片I用于进行绝对通量测量，所述探测活化片II用于进行相对通量分布测量；测量过程中同时辐照探测点处的探测活化片I和探测活化片II，同时进行绝对通量测量和相对通量分布测量。
2.根据权利要求1所述的一种临界装置功率刻度方法，其特征在于，所述探测活化片I和探测活化片II对堆芯中子场扰动不超过1％。
3.根据权利要求2所述的一种临界装置功率刻度方法，其特征在于，所述探测活化片I采用Au-197材料，所述探测活化片II采用Mn做为活化材料的Mn-Ni合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种临界装置功率刻度方法，其特征在于，所述Au-197的厚度不超过0.545mm，Mn的厚度不超过1mm。
5.根据权利要求4所述的一种临界装置功率刻度方法，其特征在于，所述探测活化片I的厚度为0.1mm；所述探测活化片II的厚度为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种临界装置功率刻度方法，其特征在于，还包括堆芯探测材料布置操作：对1/4堆芯象限布置探测材料进行测量，其它三个象限布置若干功率对照点；所述探测材料为探测活化片I和探测活化片II，所述功率对照点用于校核测量结果并检验堆芯通量分布对称性。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种临界装置功率刻度方法，其特征在于，在零功率装置堆芯功率刻度过程中，针对每个通量台阶进行绝对通量测量和相对通量分布测量的同时测量、以及堆芯探测材料布置操作。
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