约旦次临界装置物理设计

刘振华，荣春方

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

在核能和平利用日益普及的国际环境下，培养一批核能研究与利用方面的人才成为许多国家的需求。次临界装置结构紧凑、简单，不需要厚重的屏蔽，也不需要临界装置中所用的复杂的安全控制系统，因而大幅节省投资的同时能安全、便利地开展大量的动态、静态反应堆物理实验，是一种非常有用的理解和掌握反应堆物理知识的实验设施，适用于反应堆物理教学和核技术人才培养。在这种需求下，约旦次临界装置（JSA）完成了设计和建造。

JSA 设计和建造合同规定本装置次临界度在0.94～0.95之间，装置的设计、制造、安装、调试、实验的培训和技术转让总时间为1 年。该装置可确保在任何情况下一直处于次临界状态，技术人员可近距离方便操作。

同造价高得多的临界装置相比，JSA 显得安全、简单，但由于次临界装置通量密度非常低，要充分利用这种装置完成很多原来需在临界装置上完成的实验难度很大。按照合同要求，在JSA 的物理设计过程中结合考虑了JSA需体现的次临界装置特点和大量实验研究需要，保证合同的顺利完成。

1 装置描述

JSA 总体设计方案选取了立式平台结构，如图1所示。堆芯容器坐落在支撑板上，由支柱单独支撑，进水、排水回路以及中子源孔道均直接与其相连。贮存水箱布置在操作平台的外部，去离子水制造系统提供贮存水箱的去离子水。中子源贮存罐直接位于堆容器下部。堆容器外部为操作平台，操作平台高度约1.8m，便于人员在平台下部的操作。操作平台直接连有一个小型扶梯，供人员上下使用。

图1 JSA 现场图Fig.1 Overall view of JSA

堆芯容器为立式桶形容器，实验时装载去离子水作为慢化剂，下栅格板采用铝板制造，上栅格板采用有机玻璃板制造，开有313 个φ10.2 mm 的通孔用于支撑燃料元件，栅距19.1mm，呈正方形排列，燃料元件从上栅格板插入，周围布置有3个BF3中子探测器，如图2所示。为方便燃料元件的插入和定位，下栅板上开有与上栅板位置对应的用于定位支撑燃料元件的锥形孔，堆芯容器下部装有4个照明灯罩。

控制室紧邻堆厅，布置有控制台、监控系统显示屏和其他辅助设备，方便实验人员对JSA的观察、控制和操作，如图3所示。

为保证操作人员在控制台远距离操作中子源时，中子源进出堆芯顺畅，以及满足后续实验中对快速撤出中子源的要求，针对本装置，设计了气动中子源驱动系统，用于提升或吹出中子源。中子源为Pu-Be源，源强为1.1×106s-1。

图2 JSA 堆芯容器Fig.2 Core vessel of JSA

图3 控制室布置Fig.3 Layout of control room

核测量信号来自于在堆容器中对称布置的3根BF3正比计数管，通过阻燃屏蔽电缆接入控制台和计算机。电磁阀、水泵的开关信号均通过控制台控制。控制台外接当地的交流电源，提供探测器、电磁阀等的高低压电源输入和开关控制。测量信号接入计算机，用于状态显示和数据处理。本项目开展的物理实验如下：1）启动和逼近临界实验；2）静态实验，包括轴向通量密度分布测量实验、径向通量密度分布测量实验和绝对通量密度分布测量实验；3）动态实验，包括跳源法实验、Rossi-α 方法实验和Feynman-α方法实验。

2 设计程序

JSA 的堆芯物理设计采用WIMS／CITATION 程序和MCNP 程序互核的方式进行理论计算，以理论计算结果作参考进行堆芯装载方案设计。

2.1 WIMS／CITATION 程序

WIMS程序是国际上著名的栅元参数计算程序，可求解各群扩散参数、栅元keff、通量密度及反应率等数据。该程序能谱适用范围很宽，适用于热堆和快堆计算，它能处理平板几何、球几何和圆柱几何，边界条件能采用对称边界、白边界和自由边界。另外，该程序除能处理单棒栅元外，还能处理棒束和超栅元问题。

CITATION 程序可用来求解扩散理论有限差分表示的问题。维数可以是一维、二维或三维，具有任意的群-群散射，可处理x-y-z、θ-R-z、六角形-z、三角形-z等几何。

在进行临界计算时，首先利用WIMS得到不同栅元材料的均匀少群截面（散射、吸收及裂变）和散射矩阵，然后将其作为CITATION 的输入数据并最终获得次临界堆芯的keff和少群绝对通量密度。

2.2 MCNP程序

MCNP程序是美国LANL开发的用于计算复杂三维几何结构的蒙特卡罗中子-光子-电子耦合输运程序，可用于计算中子、光子、电子或中子-光子-电子耦合输运问题及本征值问题等。

上述两套程序均可胜任JSA 的堆芯物理设计，它们采用不同的反应堆物理理论方法，相互之间的配合验证可增加计算结果的可信度。

3 堆芯物理设计

本装置采用正方形栅格布置，通过上下栅格板上的孔道固定燃料元件，上栅格板由透明有机玻璃板制造，下栅格板由铝板制造，通过相连的支柱固定在反应堆容器上。栅格板上有燃料元件孔道位置，keff满足次临界限值的要求（0.94＜keff＜0.95）。堆容器采用铝制造。

考虑到本装置次临界度较深，已确定的中子源强又限制了整个次临界装置的中子通量密度水平，经优化计算，确定了本装置的堆芯参数。

3.1 燃料元件

堆芯燃料元件结构如图4所示。芯块和包壳采用与核电厂一致的燃料制造工艺，在确保燃料元件质量的前提下，提高燃料元件制造经济性，UO2芯块的富集度为3.4%，包壳材料为Zr-4合金。芯块和包壳之间为氦气气隙。燃料元件的燃料芯块高度为430 mm，芯块上下部采用Al2O3块填充，最上端采用弹簧固定，最后焊接加工成型，上下端头设计借鉴了多年研究堆的设计经验，方便燃料元件的定位和固定。

图4 次临界装置燃料元件示意图Fig.4 Schematic diagram of fuel rod for subcritical assembly

3.2 堆芯布置

与临界装置不同，燃料栅距设计采用最佳慢化栅距，堆芯半径约为400mm，栅格板元件孔数为313个，设计装载301根燃料元件，另留有12个备用孔道，堆芯栅格布置方案如图5所示。

图5 堆芯栅格布置方案Fig.5 Layout of reactor core lattice

本文采用WIMS／CITATION 程序搜索最佳慢化栅距，计算结果如图6所示。同时使用MCNP程序对该方案进行校核，该程序的几何描述如图7 所示。最佳慢化栅距的设计结果为19.1mm，对于满足合同要求的保证本装置在任何情况下都处于次临界状态的条件非常重要。

采用上述两套程序针对最终优化方案分别进行临界计算，结果列于表1。可看出，keff设计结果在0.94～0.95之间，满足合同要求，与造价高得多的临界装置相比，有利于科研人员近距离观察和研究。

图6 最佳慢化栅距的搜索曲线Fig.6 Search curve of optimal moderation lattice

图7 MCNP的几何模型Fig.7 Geometric model of MCNP

表1 临界计算结果Table1 Results of critical calculation

3.3 中子通量密度计算

在最终确定的方案基础上，采用WIMS／CITATION 程序进行一系列中子通量密度计算，不同位置的通量密度计算结果如图8、9所示。

可看出，JSA 堆芯最大热中子通量密度约为103cm-2·s-1。类似于其他次临界装置，JSA 的通量密度较临界装置的低得多。在JSA的物理设计过程中重点考虑的就是合同要求的实验较多，这些实验不仅要体现次临界装置应有的轴向特性，还需兼顾本装置通量密度低和一般在临界装置上完成的各实验要求各不相同的特点。上述中子通量密度计算结果经反复分析和验证，能有效优化实验方案，确定活化探测材料和测量仪器等的使用，指导实验的顺利完成，从而也保证了本装置能较其他次临界装置完成更多一般需在临界装置上完成的实验研究。

图8 中心元件轴向通量密度分布Fig.8 Distribution of axial neutron flux density in center fuel rod

4 小结

约旦次临界装置安全、简单、实用，给物理设计提出了较高要求。在物理设计过程中，既需考虑它与临界装置的不同，又需兼顾实验研究需要，本文给出了优化的次临界装置方案和相应物理设计结果。目前该项目已在约旦科技大学顺利完成合同规定的所有实验的培训、演示和技术转让任务。现场调试与实验结果表明，本文物理设计结果与装置实际状况吻合良好，对于实验的顺利完成起了很好的指导作用。