HFETR材料辐照时间快速估算方法

刘水清+梁光远+冉忠康+刘红倩+王皓+徐涛忠

【摘 要】高通量工程试验堆（HFETR ）进行材料辐照时，通常需要快速确定在堆芯一定位置辐照时所需要的辐照时间。本文对HFETR第67炉9#孔道辐照W试样的辐照时间进行了快速估算，采用ANISN程序对其中子能谱进行计算，中子注量率计算采用堆芯三维程序ECP，并与第61炉的计算进行比较。计算结果表明，当HFETR运行1449MWd时，W试样可出堆，其中子注量∫φf（E≥1MeV）计算值为1.5x1019cm-2。W试样堆内辐照根据预示计算的辐照时间出堆，其中子注量测量结果为1.63x1019cm-2，与计算预示值的偏差为+8.67%，小于10%的要求，设计预示计算满足材料辐照的要求。

【关键词】ANISN程序；ECP程序；辐照时间

【Abstract】It is necessary to determine the irradiation time rapidly when carrying out material irradiation in the certain position of High Flux Engineering Test Reactor （HFETR） core.This paper calculated the irradiation time rapidly of the W samples irradiating within the 9# channel of HFETR 67th core .The neutron energy spectrum was calculated using ANISN code， and the neutron flux was calculated using ECP code， the calculation values were compared with the 61th cores results. The calculation results show that the W samples can be discharged out of the core when HFETR operated 1449MWd， and the neutron flux ∫φf（E≥1MeV） calculated was 1.5×1019cm-2. The W samples were discharged out of the core according to the calculating irradiation time， the neutron flux measured was 1.63×1019cm-2.The relative deviation between the measured value and calculated value was +8.67%（<10%），which shows that predictive calculation meets the requirements of the material irradiation.

【Key words】ANISN Code； ECP Code； Irradiation time

0 引言

材料辐照考验是HFETR主要任务之一，高通量工程试验堆（HFETR）最大快中子（>0.625eV）注量率可达1.7×1015cm-2，最大热中子（<0.625eV）注量率可达6.2×1014cm-2，可在很短的時间内使辐照材料达到很高的辐照中子注量。目前，反应堆的中子注量计算通常采用基于确定论方法或概率论方法的程序。确定论方法的程序具有计算效率高的特点，但不具备任意几何结构描述能力及实现任意要求能量段中子注量率的计算。概率论方法的程序可以实现任意几何结构描述，但计算效率很低。高通量工程试验堆（HFETR ）进行材料辐照时，通常需要快速确定在堆芯一定位置辐照时所需要的辐照时间。HFETR在第67炉9#孔道辐照W试样， 辐照的目标中子注量为1.5（±10%）×1019n/cm2， 为了确定W试样堆内辐照时间，用ANISN程序对其中子能谱进行计算，中子注量率计算采用堆芯三维程序ECP，并与第61炉的计算进行比较，由此估算出W试样在HFETR辐照考验的辐照时间。结果表明：设计预示计算满足材料辐照的要求。

2 材料辐照快速估算

2.1 HFETR简介

HFETR是我国自主设计、建造的用于研究和工程应用的大型压力壳型反应堆，其堆芯采用规则六角形栅元的三角点阵布置，燃料组件采用多层套管燃料元件，布置非常灵活而且紧凑，堆芯采用规则的三角点阵布置，每个燃料组件、铍组件、铝组件、钴靶件等均占据一个栅元，可按需要互换位置。18根控制棒连同其导管各占一个固定的栅格。燃料装载可根据任务能多能少，辐照孔位置是固定的，其数目可多可少，在孔道不用时，被孔道破坏的规则栅格，可用异形填塞块恢复完整；考验件的中子能谱可按需要调整，因此堆芯布置上有高度的灵活性和适应性。不仅如此，铍组件和铝件中心有φ20mm的孔道，正常使用时，中心孔道内分别插有一根φ17mm的小铍棒和小铝棒，冷却水通过环隙流道，铍组件和铝组件能得到充分冷却，其表面温度不超过90℃。铍组件和铝组件中心孔道及元件中心（φ12mm）可作为辐空间利用，59Co靶还可用作控制棒跟随体。这些都给物理方案设计计算带来了较大的困难。

HFETR自建成至今，已经安全运行了30多年，其主要任务之一是材料辐照考验。 HFETR具有中子注量率高的特点，最大快中子注量率（>0.625eV）可达1.7×1015n/cm2，最大热中子注量率（<0.625eV）可达6.2×1014n/cm2。在堆芯和反射层内共布置11个辐照孔道，各孔道的快、热中子注量率值可各不相同，可满足不同考验目标的要求。辐照孔道所处栅格位置见图1。endprint

2.2 计算程序

计算采用ANISN程序和ECP程序。

ANISN程序是离散坐标Sn方法求解中子输运方程的一维程序。是国际上广泛使用、用FORTRAN编写的计算中子和光子的程序，计算中中子按能量分为46群，见表1。

ECP程序是一个镶嵌耦合中子扩散程序，和CELL-D栅元和组件少群群参数程序一起组成HFETR燃料管理程序系统。CELL-D程序是在WIMS（Winfrith Improved Multi-group Scheme）程序基础上改编而成的，计算并生成ECP程序输入文件中各种材料的截面。CELL-D程序按照计算流程共分为四个部分：基本栅元的69群计算；具体几何栅元的少群计算；泄漏修正；燃耗计算。

HFETR堆芯装载设计计算时，ECP程序将堆芯划分成许多三维网格，用细网有限差分方法对中子扩散方程离散化，得到中子扩散方程的差分方程组。对网格的通量计算采用追赶法，用最佳松弛因子加以修正；同时用粗网再平衡方法加速源迭代收敛，得到再平衡方程。求解再平衡方程组的内迭代用逐次超松驰法，外迭代用切比雪夫外推来加速收敛。

HFETR堆芯燃耗计算设定了外边界条件和内边界条件，内边界条件是假定中子通量和中子流连续分布，外边界条件选择外推边界。

2.3 材料辐照快速估算过程

首先根据科研生产任务，采用ECP程序进行HFETR堆芯装载方案设计。根据堆芯物理方案设计准则进行堆芯装载方案设计。

堆芯物理方案设计准则为：满足HFETR运行限值条件的要求，保证HFETR安全运行；保证堆内材料辐照与考验和同位素生产等运行任务的完成；在满足HFETR的安全运行和生产任务完成的前提下力求降低运行成本。

堆芯物理方案设计的物理、热工限值为： 堆芯在1、2AB提起后，全堆的冷态次临界度大于1.0βeff； 堆芯有足够的运行寿期，全堆有较高的允许功率，较小的径向功率不均匀系数； 满足燃料元件、材料的辐照试验条件；考验组件在HFETR一定功率运行下，其表面热流密度不超过允许的最大热流密度限值。 同位素靶件处的中子注量率水平应在其允许值之下，但要尽量接近其允许值，使之产量最多。

HFETR堆芯装载方案设计完成后，得到辐照材料处的φf（E≥0.625eV）值，再采用ANISN程序进行辐照材料处的中子能谱计算。

采用ANISN程序计算辐照材料处的中子能谱，计算得到φf（E≥1MeV）/ φf（E≥0.625eV）值。

HFETR堆芯布置较复杂，而ANISN程序是一维的，计算中必须进行适当的简化。但是又必须使其结果具有可用性与普遍性。堆芯內分散布置的控制棒和元件区的同位素靶件考虑到燃料元件中，铍区的同位素靶件考虑到铍区中。堆芯简化成由燃料元件区、铍区、铝区、辐照件和水层的同心圆环所组成。堆芯中燃料元件区、铍区、铝区等各区参数由ECP程序计算给出。

由辐照材料处的φf（E≥0.625eV）值和φf（E≥1MeV）/φf（E≥0.625eV）值可计算出辐照材料的中子注量∫φf（E≥1MeV）值。如果不满足要求，则重复上述过程，直到满足材料辐照要求为止。

2.4 计算结果

本文在HFETR第第67炉9#辐照孔道辐照W试样，辐照的目标中子注量为1.5（±10%）×1019n/cm2。首先进行HFETR第67炉堆芯方案设计，给出W试样的处φf（E≥0.625eV）。设计出HFETR装载方案后，利用ANISN程序计算出φf（E≥1MeV）/φf（E≥0.625eV），再利用ECP程序计算出辐照材料处的φf（E≥0.625eV），计算得到材料辐照的φf（E≥1MeV）， 从而计算出材料辐照的中子注量∫φf（E≥1MeV）。

HFETR第67炉9#辐照孔道辐照W试样中子能谱计算结果见表1，中子注量计算结果见表2。由表2知，当HFETR运行1449 MWd时， W试样可出堆， 中子注量∫φf（E≥1MeV）计算值为1.5×1019cm-2。

3 结论

HFETR第67炉9#辐照孔道辐照W试样堆内辐照，根据预示计算的辐照时间出堆。出堆后中子注量测量结果表明W试样的辐照中子注量∫φf（E≥1MeV）为1.63×1019cm-2，与计算预示值的偏差为+8.67%，小于10%的要求 ，设计预示计算满足材料辐照的要求；并且能够快速进行预示计算。本方法适用于同类型研究堆的材料辐照考验工作。

[责任编辑：朱丽娜]endprint