中国实验快堆某辐照实验组件燃耗分布测量

2019-06-14陈效先陈晓亮赵阶成段馨竹章秩烽

原子能科学技术 2019年6期

陈效先，陈晓亮，赵阶成，李海，梁松，胡晓，段馨竹，章秩烽

(中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部，北京 102413)

中国实验快堆(CEFR)是我国自行设计、建造和调试的第一座钠冷快中子反应堆，其热功率为65 MW，电功率为20 MW[1]。CEFR于2010年首次达到临界，2011年完成40%功率并网发电，目前正在进行满功率发电前的各项实验。CEFR最大中子通量密度为3.15×1015cm-2·s-1，最大快中子通量密度为2.15×1015cm-2·s-1，CEFR是一座优良的辐照实验平台，可开展燃料、材料辐照考验，同位素生产等多种辐照实验。

目前在CEFR中已开展了快堆结构材料、同位素生产研究等辐照实验。为了解CEFR堆芯不同位置的辐照性能，验证快堆堆芯燃耗计算程序，对CEFR某一燃料实验组件进行相对燃耗分布测量，并与理论计算结果进行对比，为后续在CEFR中开展各种类型的辐照实验，确定乏燃料组件燃耗奠定基础。

1 测量介绍

1.1 相对燃耗测量原理

燃耗测量对于验证堆芯燃料管理和设计，确定燃料组件的燃料损伤或燃料特性等方面均有十分重要的意义[2-4]。对反应堆的乏燃料组件或燃料实验组件的燃耗测量已逐步发展了多种方法，一般分为无损方法和破坏性方法[5-8]。无损方法就是通过γ扫描等非破坏性的方法对燃料元件中裂变产物进行相对或绝对活度测量，通过组件在堆内的辐照功率史，确定燃料组件的燃耗[9-12]。其中通过测量燃料中裂变产物活度，如137Cs活度，来确定实验组件相对燃耗就是一种常见的无损测量方法[13-15]。虽然快堆中子能谱相比热堆有较大差异，但各种裂变材料生成137Cs的裂变产额仍较高，在快堆中仍可采用137Cs活度来确定燃料组件的燃耗分布。

组件燃耗可由式(1)来确定：

(1)

在相对燃耗分布测量中，对137Cs活度测量处于相同的测量条件下，式(1)中的γ射线的探测效率、自吸收修正均为同一值，因此组件不同位置处的燃耗就正比于不同位置测量得到的137Cs γ射线的活度。

1.2 辐照实验组件

辐照实验组件结构如图1所示。辐照实验组件由操作头、上过渡接头、燃料元件棒、六角管、下过渡接头及管脚构成。辐照实验组件内部由7根燃料元件棒构成。辐照实验组件可在CEFR初始检验热室开展组件解体的操作。组件解体后，可将燃料元件棒从六角管中取出，开展外形尺寸检查、表面检查及相对燃耗分布测量等工作。

图1 辐照实验组件的结构Fig.1 Irradiation test subassembly structure

1.3 相对燃耗测量装置

CEFR设置有初始检验热室，可开展组件解体、表面检查、外形尺寸测量等工作。热室内还安装有开展元件相对燃耗分布测量的装置，测量装置结构如图2所示。测量装置主要由轨道小车、准直器及高纯锗探测器构成。从解体的辐照组件中取出待测的燃料元件棒，固定在轨道小车上。轨道小车可在传动履带的带动下在水平方向上平行移动。在热室屏蔽墙中设置有准直器，准直器中准直孔的一端正对轨道小车上的燃料元件棒，另一端正对高纯锗探测器。

图2 相对燃耗分布测量装置示意图Fig.2 Scheme of relative burn-up distribution measuring equipment

2 测量过程

辐照后的实验组件经清洗后转运至热室，利用热室的切割装置将实验组件两端解体，取出其中的燃料元件棒。利用机械手将燃料元件棒固定在轨道小车上。

由于辐照实验组件辐照时间较短，燃耗较浅，为提高探测器的有效计数，减少测量时间，将准直孔狭缝截面调整至2 mm ×7 mm，并将高纯锗探测器紧贴准直孔的一端。

燃料元件棒活性区尺寸为80 cm，为确保燃耗测量均匀，设置40个测量点，每2 cm设置1个测量点。轨道小车设置有标尺，通过小车控制系统可使燃料元件棒待测位置与准直孔对齐。

利用高纯锗探测器测量由燃料元件棒发出并经过准直孔的137Cs的活度，即可得到该位置的相对燃耗。为保证137Cs活度测量的统计偏差小于2%，测量过程中需要137Cs 662 keV光峰面积大于4 000个计数。

选择实验组件内两个典型位置的燃料元件棒，即4#及6#燃料元件棒，对其活性段的相对燃耗分布进行测量。

3 结果及讨论

图3示出4#及6#燃料元件棒在不同轴向位置处的相对燃耗分布。由图3可看出，4#及6#燃料元件棒不同位置的相对燃耗分布较为连续，未出现锐利的峰值，表明燃料元件棒内部芯块成分及位置分布较为均匀。相对燃耗分布并不对称，这主要是由于CEFR内燃料区设置有高度不一致的上转换区及下转换区导致的。燃料元件棒燃耗分布曲线的峰值相对平坦，峰值出现在活性区中心偏向下转换区的位置，这与实验组件所在位置的中子通量密度分布有关。

图3 燃料元件棒不同位置的相对燃耗Fig.3 Relative burn-up in different positions of fuel element rods

在图3的某些测点位置，相对燃耗出现了局部涨落，这可能是由于该位置恰好处于燃料元件棒中两个芯块的接触位置，导致燃耗相比其他位置存在一定的差异。

两根燃料元件棒虽处于实验组件的不同位置，但相对燃耗分布基本一致，表明在实验组件内部不同位置，轴向功率分布差异不大。理论模拟采用MCNP和ORIGEN2的耦合程序Mx_o进行三维燃耗计算，Mx_o的数据库文件Mx_o_Data0、Mx_o_Data1、Mx_o_Data2分别对应ORIGEN2文件中3种核素的分类，即活化产物、锕系核素与裂变产物。通过程序计算CEFR满功率运行1个周期冷却2 a后的相对燃耗[15]。

由图3可看出，实验测量与理论计算结果在大部分区域符合较好，在上转换区及下转换区某些位置两者出现一定偏差，可能是由于理论计算中用于燃耗计算的组件栅元高度设置较大，未能体现栅元中中子能谱变化较大的情况，中子能谱的变化会导致137Cs裂变产额发生变化。

燃耗分布测量中的主要误差包括轨道小车定位的误差及137Cs活度测量的误差。由于轨道小车在测试中出现故障，未能采用定位较准确的自动运行方式，采用了误差较大的手动定位方式，通过对某一位置多次重复定位测量，处理得到小车定位不准导致的相对误差在10%左右。137Cs活度测量也会对结果引入一定误差，这主要是由γ峰面积的统计误差导致的。在实际测量中，137Cs 662 keV光峰面积的计数均在4 000以上，确保其统计误差均在2%以内。综合上述误差来源，该实验组件燃耗分布测量的相对误差在10.2%以内。