含氢反射层对金属活性区快中子脉冲反应堆特性参数的影响

卢琳龙，李 兵，高 辉

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所， 四川绵阳 621900)

20世纪50年代以来，作为强中子和γ射线辐射源，可控和可重复使用的强脉冲重核裂变装置广泛应用于科学与技术领域，这类装置通常称为脉冲反应堆[1]，属于研究堆的范畴。以高浓缩金属铀及合金作为活性区燃料的快中子脉冲反应堆是其中较为特殊的一类装置，这类装置在全世界建造了约30座[2-3]。建造这类装置的主要目的是模拟核爆炸产生的中子和γ射线强辐射环境，用于材料、电子元器件及仪器仪表等的辐照效应研究、生物辐照效应研究、中子剂量学、短寿命同位素研究及核参数测量等，也可用于核泵浦激光技术研究[3]。

金属活性区快中子脉冲反应堆一般不含中子慢化材料，这类装置的中子物理特性有别于一般的研究堆。在实际应用中常需在活性区内部或周围布置辐照样品，如含有中子慢化材料,特别是含氢材料样品,那么有可能显著改变反应堆的中子物理特性，甚至影响反应堆的运行安全。鉴于此，研究中子慢化材料样品对快中子脉冲反应堆特性参数的影响，对保障这类装置的应用和运行安全有重要意义。

1 金属活性区快中子脉冲反应堆的脉冲特性

金属活性区快中子脉冲反应堆爆发裂变脉冲主要基于材料的热膨胀负反应性效应，产生裂变脉冲的过程为：当用控制棒使反应堆阶跃到超瞬发临界后，通过脉冲外中子源或反应堆内的自发裂变中子源点火引发链式裂变反应；稳定裂变链建立起来后，裂变反应强度(功率)按超瞬发临界反应性和平均瞬发中子代时间所决定的规律快速增长；裂变释放出来的能量使材料温度急剧上升并造成热膨胀，使中子泄漏份额增大，降低反应性；热膨胀负反馈使反应堆重新过渡到瞬发临界点时，反应堆内的裂变强度(功率)达到最大值，此后随着材料温度进一步上升反应堆过渡到次瞬发临界状态；最后，裂变强度(功率)急剧下降，裂变脉冲被猝灭。

由于缓发中子先驱核的衰变过程相对缓慢，寿命最短的一群缓发中子先驱核的半衰期约为0.2 s，而快中子脉冲反应堆的脉冲宽度一般为几十到几百微秒，即缓发中子事实上来不及参与形成脉冲峰的链式裂变过程。缓发中子只是对长脉冲后沿有影响，在脉冲过程中变化相对较小，相当于次瞬发临界增殖状态的“源”中子。热膨胀负反应性反馈效应使反应堆过渡到次瞬发临界状态后，反应堆对先前裂变过程中累积的缓发中子先驱核释放出来的缓发中子增殖，即反应堆过渡裂变强度(功率)相对稳定的“坪”状态。反应堆处在“坪”状态时功率仍然较高，约几兆瓦，需用外部结构使反应堆快速解体，达到深次临界状态，并实现彻底停堆。

金属活性区快中子脉冲堆的动力学行为可用点堆模型近似处理。假设处在临界点附近的反应堆内出现扰动时，裂变强度分布(或中子注量率分布)只是幅度随时间变化，而空间分布、中子能谱分布和角分布形状保持不变。当反应堆内独立中子源等效强度为S(t)，初始时刻反应堆由次临界状态阶跃到反应性为ρ0的超临界状态时，反应堆动力学方程可表示为[2-4]

其中：n(t)为t时刻反应堆的裂变强度；Λ为瞬发中子代时间；ci，λi分别为第i群缓发中子先驱核数和衰减常数；βeff，βeff，i分别为缓发中子有效份额和第i群缓发中子的有效份额；ν为每次裂变释放出来的平均中子数；γ为准静态反馈系数，即每次裂变释放的能量所改变的反应性。

由于缓发中子事实上来不及参与形成裂变脉冲峰的过程，在近似处理时可忽略缓发中子对脉冲峰的影响，即缓发中子份额近似为0。另外与脉冲期间的裂变率相比，独立中子源强度S(t)和反应堆初始裂变率n0很小，可忽略。在此条件下求解式(1)可得到脉冲峰裂变数Np、包括“坪”下裂变数在内的总裂变数N、脉冲峰裂变率nm和脉冲半高宽τ1/2等特征参数，表示为[ 2-4]

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(5)

其中：ρp0为初始时刻的超瞬发临界反应性，ρp0=ρ0-βeff；α为功率增长初始周期的倒数，α=ρp0/Λ；td为“坪”长，取决于外部结构将反应堆快速退到次临界的时间，通常为几十毫秒。

活性区内部及周围布置的中子慢化反射体对反应堆特性的影响主要体现在[3]：(1)反射体会改变反应堆的临界质量，为抵消其影响需改变活性区裂变材料的数量或控制棒的位置，但这会导致反应堆形状函数的变化及点堆模型中子物理特性参数的变化，如负反馈系数等；(2)中子在反射层内需经历一定时间，且中子能谱会发生变化，被反射体散射返回活性区的中子引发裂变反应的时间-空间分布和没有离开过活性区的中子引发裂变反应的时间-空间分布存在差别。中子慢化反射体对反应堆特性参数的影响与慢化反射体的性质、数量及位置有关。对金属活性区快中子脉冲反应堆来说，需特别关注含氢介质的中子慢化反射体，当活性区内部及周围存在较多中子反射慢化体时，快中子脉冲反应堆的中子物理特性可能偏离点堆动力学模型所描述的规律，甚至点堆动力学方程式(1)不再适用[3]。

2 CFBR-Ⅱ堆在不同条件下的脉冲特性

2.1 实验装置及实验条件

CFBR-Ⅱ堆[5]是我国的一座金属活性区快中子脉冲反应堆，该堆活性区燃料部件由高浓缩金属铀制成，分为基本对称的上、下2个半球，外面设置有贫化铀反射层和铜反射层。图1为CFBR-Ⅱ堆活性区结构和实验样品布置示意图。

由图1可见，上、下半球被一个钢托盘隔开，在钢托盘内设置有2根控制棒孔道、一个辐照空腔及与辐照空腔连通的2个孔道。控制棒也由高浓缩铀金属材料制成。上半球和不锈钢托盘固定不动。下半球与传动系统相连，构成可动安全块。利用上半球表面附近的空间进行样品辐照时，根据需要可布置一个含浓缩10B材料的去耦罩。用于实验研究的样品为3层聚乙烯环，环的厚度约为60 mm，3层环的总高约为75 mm。无去耦罩时，3层聚乙烯环的反应性当量约为1.2βeff；有去耦罩时，3层聚乙烯环的反应性当量约为0.8βeff。

实验时，在4种条件下爆发了系列裂变脉冲，这4种条件分别为：(1)活性区内部及周围没有布置实验样品的“裸堆”系统；(2)在“裸堆”上半球表面布置有去耦罩的系统；(3)在上半球表面布置有3层聚乙烯环的系统；(4)在上半球表面布置有3层聚乙烯环和去耦罩的系统，如图1所示。

2.2 不同条件下CFBR-Ⅱ堆的脉冲特性

CFBR-Ⅱ堆爆发裂变脉冲所需的超临界反应性ρ0可通过正周期法多次刻度控制棒反应性得到，然后由快速传动的控制棒(脉冲棒)阶跃到此反应性值。图2为4种系统状态下爆发系列脉冲时功率增长初始周期倒数α随反应性ρ0与βeff比值的变化关系，其中，各点为实验测量点，曲线为拟合曲线。

理论上，瞬发临界点的初始周期倒数α应趋于0，但由图2可见，曲线显然没有通过ρ0=βeff这一点。根据正周期法测量，反应性预估的瞬发临界点并不是真正的瞬发临界点，二者之间的差称为反应性定向差Δρ，ρ0与α的关系可表示为

(6)

其中，αc为缓发临界时瞬发中子衰减常数，αc=βeff/Λ。Δρ主要由2种因素引起：一是正周期法测量反应性所用的缓发中子群参数存在偏差；二是正周期法测量反应性时没有考虑反应堆厅墙体等反射回活性区的慢中子的影响。后者一般作为附加缓发中子群来处理[4]。由图2可得到Δρ/βeff和αc，如表1所列。

表1 4种反应堆系统的αc和Δρ/βeffTab.2 αc and Δρ of four reactor systems

CFBR-Ⅱ堆爆发裂变脉冲的过程可近似看作绝热过程，脉冲总裂变数N与温度监测点温升ΔT之间的关系为N≈2.2×1014ΔT，温度监测点位于上半球高浓缩铀部件底部中心位置。图3和图4分别为温度监测点温升ΔT随ρp0/βeff及初始周期倒数α的变化关系。

图5为实验测量得到的脉冲峰裂变率nm随ρp0/βeff的变化关系，曲线为点堆模型的计算结果。根据图5数据和式(4)可得CFBR-Ⅱ堆每次裂变释能的反应性反馈系数γ为(6.3～8.6)×10-18βeff。

图6为脉冲半高宽度τ1/2随ρp0/βeff的变化关系，曲线为点堆模型的计算结果。由图6可见，布置含氢样品后，CFBR-Ⅱ堆的脉冲宽度被显著展宽了。

综合4种实验状态，带聚乙烯环系统的状态与其他3种系统差异较大，这是含氢材料的慢化效果。聚乙烯环+去耦罩的状态与只有聚乙烯环的状态差异较大的原因是裂变元件和聚乙烯环之间的去耦罩含有10B涂层，对低能中子具有较强的吸收能力，对慢化效果有所抵消。因此，去耦效应使聚乙烯环+去耦罩状态与只有聚乙烯环的状态差异较大，反而与裸堆状态差异较小。

3 结论

(1) 在相同的反应性条件下，布置含氢样品后，CFBR-Ⅱ堆的瞬发中子代时间出现了显著的变长，使参数αc值降低，进而使脉冲峰裂变率降低和脉冲半高宽变宽。

(2) CFBR-Ⅱ堆的反应性定向差受活性区周围布置样品的影响，4种系统状态的脉冲裂变数-反应性关系变化曲线并不相同，实验前预估裂变脉冲参数必须考虑定向差的影响和经验的外推曲线。

(3) 根据CFBR-Ⅱ堆脉冲峰裂变率、活性区监测点温升即“坪”裂变率等参数随超瞬发临界反应性的变化关系可得到裂变反应性反馈系数γ，为(6.3～8.6)×10-18βeff，大于文献[3]估计的金属铀球活性区的最大反应性反馈系数(约为5.5×10-18βeff) ，原因有待进一步研究。

(4) 由实验结果可知，CFBR-Ⅱ堆活性区表面布置3层聚乙烯环后，瞬发中子平均寿命约为1.5×10-7s，远小于脉冲期间的功率变化周期，这种情况下中子慢化反射体可视为紧密慢化反射体来处理。但对于反应性贡献更大的样品，如整个活性区包有较厚含氢慢化反射体的样品，在使用点堆模型来描述动力学行为时需进一步开展理论与实验研究。