hfetr緩發(fā)中子與破探流量的關(guān)系的研究

1、<p>　　HFETR緩發(fā)中子與破探流量的關(guān)系的研究</p><p>　　摘 要：堆內(nèi)破損探測系統(tǒng)是HFETR在線監(jiān)測元件破損情況的重要系統(tǒng)，通過測量取樣水的緩發(fā)中子與總γ為運(yùn)行人員提供實(shí)時(shí)元件破損情況的判據(jù)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在工作流量下緩發(fā)中子計(jì)數(shù)受破損探測系統(tǒng)流量影響較大。由于閥門的敏感度高，破探系統(tǒng)流量常常變化進(jìn)而引起緩發(fā)中子的變化，給運(yùn)行人員對元件破損情況的實(shí)時(shí)研判與甄別分析帶來了影響。該文通過實(shí)

2、驗(yàn)，觀察到在工作流量下（60～80 L/h）中子本底相同的情況下緩發(fā)中子計(jì)數(shù)與破探系統(tǒng)流量呈線性關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系對緩發(fā)中子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到更直觀和科學(xué)的緩發(fā)中子數(shù)據(jù)，有利于進(jìn)行元件破損分析。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：破損探測 緩發(fā)中子 HFET 破探流量 </p><p>　　中圖分類號：TL33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0147-0

3、3 </p><p>　　堆內(nèi)破損探測系統(tǒng)是HFETR在線監(jiān)測元件破損情況的重要系統(tǒng)，通過測量取樣水的緩發(fā)中子與總γ為運(yùn)行人員提供實(shí)時(shí)元件破損情況的判據(jù)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在工作流量下緩發(fā)中子計(jì)數(shù)受破損探測系統(tǒng)流量影響較大，這就導(dǎo)致運(yùn)行人員難以直觀的了解反應(yīng)堆一回路的水中緩發(fā)中子的變化情況，影響對元件破損的判斷。同時(shí)，在工程應(yīng)用中存在破探流量不斷變化的情況。該文通過試驗(yàn)及歷史數(shù)據(jù)分析的方式，發(fā)現(xiàn)在工作流量下（60～8

4、0L/h）中子本底相同的情況下緩發(fā)中子計(jì)數(shù)與破探系統(tǒng)流量呈線性關(guān)系，據(jù)此建立緩發(fā)中子與流量的關(guān)系式，解決在破探流量變化的情況下無法直接使用緩發(fā)中子數(shù)據(jù)的問題。 </p><p>　　1 緩發(fā)中子計(jì)數(shù)率計(jì)算模型 </p><p>　　鈾核裂變放出的中子，99%以上都是在裂變發(fā)生后10-7～10-4s的極短時(shí)間內(nèi)放射出來的，這些中子稱為瞬發(fā)中子，其余不到1%的中子則是在裂變1/10 s到數(shù)分鐘

5、的不同時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的，它們稱為緩發(fā)中子[1]。緩發(fā)中子來源于元件中裂變碎片穿出或反沖，裂變碎片在固體物質(zhì)中的行程約25μm。根據(jù)核素的釋放模型，裂變碎片若要從燃料芯體中直接釋放出來，需要穿過其2倍射程的基體材料，由于元件包殼的存在，裂變碎片釋放的一次水中的可能性大大降低，但如果燃料元件有破損，則裂變碎片就會(huì)釋放到一次水中，裂變碎片產(chǎn)生的緩發(fā)中子也會(huì)被探測到[2]。 </p><p>　　緩發(fā)中子是由緩發(fā)中子先驅(qū)

6、核衰變產(chǎn)生，緩發(fā)中子發(fā)射周期長是維持反應(yīng)堆的可控性的重要因素。同時(shí)，反應(yīng)堆元件破損時(shí)，釋放出的緩發(fā)中子先驅(qū)核素會(huì)釋放出緩發(fā)中子，從一回路引出一部分冷卻劑并且測量其緩發(fā)中子就可在線監(jiān)測元件破損情況，于元件外表面有鈾粘污等原因，在一次水中會(huì)有中子本底[3]。 </p><p>　　設(shè)Ri為緩發(fā)中子先驅(qū)核素i釋放速率，Ci為核素i堆芯冷卻劑出口的濃度，則有： </p><p><b>

7、　?。?） </b></p><p>　　其中，Q為冷卻劑流量；μ為核素i在一回路的衰減系數(shù)；t為冷卻劑循環(huán)一周所需要的時(shí)間。在從一回路進(jìn)行取樣后，在探測器監(jiān)測處的核素i濃度為： </p><p><b>　　（2） </b></p><p>　　其中，為核素i的衰變常量，為冷卻劑出口到探測器的延遲時(shí)間。之后可以計(jì)算出核素i探測器處

8、的中子源強(qiáng)： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　其中為單位時(shí)間內(nèi)取樣水中緩發(fā)中子先驅(qū)核i產(chǎn)生的中子源強(qiáng)； </p><p>　　V為單位時(shí)間內(nèi)取樣水體積；ε為緩發(fā)中子先驅(qū)核i每次衰變的中子產(chǎn)額。 </p><p>　　之后緩發(fā)中子經(jīng)過石蠟慢化，被BF3計(jì)數(shù)管探測到。緩發(fā)中子的技術(shù)是計(jì)數(shù)管

9、處的熱中子注量率與探測器乘積。源強(qiáng)與BF3計(jì)數(shù)管處的熱中子注量率可由MCNP得到，在這里我們設(shè)其對應(yīng)關(guān)系保持不變，由于探測器效率固定，則源強(qiáng)的變化線性的反映于計(jì)數(shù)率的變化上[4]。 </p><p>　　從式（1）、式（2）、式（3）可以看出：當(dāng)反應(yīng)堆4泵功率運(yùn)行時(shí)，冷卻劑流量穩(wěn)定，延遲時(shí)間不變。此時(shí)，由于破損探測系統(tǒng)閥門開度不穩(wěn)定造成的破探流量不穩(wěn)定影響到了單位時(shí)間取樣水的體積，進(jìn)而影響到了緩發(fā)中子的計(jì)數(shù)。 &

10、lt;/p><p>　　在60～80 L/h的工作流量下，由于工作區(qū)間較窄，可忽略破談系統(tǒng)流量變化引起的延遲時(shí)間的變化，且當(dāng)破損情況一定時(shí)，不變，、為常數(shù)。 </p><p><b>　　1 （4） </b></p><p>　　l為破損探測系統(tǒng)流量；為取樣的單位時(shí)間。 </p><p><b>　?。?） <

11、;/b></p><p><b>　　令，則有 </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　從上式可以看出緩發(fā)中子的計(jì)數(shù)與流量成線性關(guān)系。且該斜率表征了水中緩發(fā)中子先驅(qū)核素的多少。 </p><p>　　2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)分析 </p>&

12、lt;p>　　2.1 試驗(yàn)爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù) </p><p>　　選取實(shí)驗(yàn)爐反應(yīng)堆運(yùn)行壽期中前期，將破探流量從60 L/h依次調(diào)至80 L/h。每隔2 L/h待系統(tǒng)流量穩(wěn)定，且計(jì)數(shù)率穩(wěn)定后記錄十組數(shù)據(jù)?？紤]到破探系統(tǒng)閥門的靈敏度高的問題，只要求測點(diǎn)盡量分布均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。 </p><p>　　利用線性回歸對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到該系統(tǒng)狀態(tài)下緩發(fā)中子與流量的關(guān)系式： <

13、/p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　該式相關(guān)系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性好。容易看出隨著破探系統(tǒng)流量的增加，緩發(fā)中子計(jì)數(shù)呈線性增加。 </p><p>　　2.2 樣本一爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù) </p><p>　　查閱HFETR運(yùn)行日志，選取元件情況穩(wěn)定的爐段，可認(rèn)為24 h內(nèi)一回路中緩發(fā)中子先驅(qū)核素穩(wěn)定。

14、由于破探系統(tǒng)閥門靈敏度高，破探系統(tǒng)流量會(huì)緩慢變化，選取流量變化平穩(wěn)的時(shí)段進(jìn)行分析。圖2是樣本一爐中某時(shí)段緩發(fā)中子與流量的關(guān)系。 </p><p>　　利用線性回歸得到關(guān)系式： </p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　　該式相關(guān)系數(shù)。 </b></p><p>　　在

15、該爐段緩發(fā)中子平均水平較實(shí)驗(yàn)爐段高，故斜率較實(shí)驗(yàn)高。 </p><p>　　2.3 樣本二爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù) </p><p>　　圖3為樣本二爐某時(shí)段緩發(fā)中子與流量關(guān)系。 </p><p>　　利用線性回歸得關(guān)系式： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　該式相關(guān)系數(shù)

16、。該爐緩發(fā)中子緩發(fā)中子水平與實(shí)驗(yàn)爐段相當(dāng)，斜率相近。 </p><p>　　2.4 樣本三爐段緩發(fā)中子數(shù)據(jù) </p><p>　　圖4為樣本三爐緩發(fā)中子與流量的關(guān)系。 　　利用線性回歸得到關(guān)系式： </p><p><b>　?。?0） </b></p><p>　　該式相關(guān)系數(shù)。該爐段緩發(fā)中子水平較試驗(yàn)爐段低，斜率也

17、較實(shí)驗(yàn)爐段低。從圖4可以看出，在緩發(fā)中子計(jì)數(shù)小于0.3時(shí)線性度差，分析是由于水中緩發(fā)中子先驅(qū)核素濃度過低導(dǎo)致核素在水中分布的離散度較大，在BF3計(jì)數(shù)管的中子場不穩(wěn)定進(jìn)而測得中子計(jì)數(shù)隨機(jī)性較大。由于在運(yùn)行過程中運(yùn)行人員并不需要對低計(jì)數(shù)值進(jìn)行分析，故在低計(jì)數(shù)值的情況下線性度不佳不影響對破損的研判。 </p><p>　　從式（7）～（10）可看出，破損探測系統(tǒng)流量與緩發(fā)中子線性相關(guān)性好，且緩發(fā)中子平均計(jì)數(shù)水平越高，斜

18、率越大，符合理論計(jì)算式。 </p><p>　　3 緩發(fā)中子測量數(shù)據(jù)與流量關(guān)系的應(yīng)用分析 </p><p>　　從該文得出的結(jié)論可以知道：水中緩發(fā)中子先驅(qū)核素一定時(shí)，緩發(fā)中子隨破探系統(tǒng)流量增加而增加，呈現(xiàn)出線性關(guān)系。由于元件布置、粘污、溫度等各方面影響，每一爐段的斜率關(guān)系不同，不宜使用統(tǒng)一換算關(guān)系式來描述一爐中緩發(fā)中子的變化，但在堆內(nèi)無異常變化時(shí)，同一爐段斜率關(guān)系保持穩(wěn)定。 </p&

19、gt;<p>　　破探系統(tǒng)變流量工況下，運(yùn)行人員為了維持流量限值需不斷調(diào)節(jié)破探流量而造成緩發(fā)中子計(jì)數(shù)大幅改變，影響了操作人員對元件破損情況的判斷。引入斜率數(shù)據(jù)處理法可解決這一問題，同時(shí)在同一爐段出現(xiàn)斜率大幅偏移時(shí)可分析是否發(fā)生了元件破損。 </p><p>　　在運(yùn)行人員對元件情況產(chǎn)生疑問時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)破探系統(tǒng)流量來標(biāo)定其斜率（認(rèn)為在標(biāo)定過程中緩發(fā)中子水平穩(wěn)定）。標(biāo)定點(diǎn)越多值越精確，考慮到運(yùn)行人員

20、勞動(dòng)強(qiáng)度，推薦標(biāo)定2～3個(gè)點(diǎn)作為判別依據(jù)，流量間隔建議在5～10 L。 </p><p><b>　　4 結(jié)語 </b></p><p>　　該文通過實(shí)驗(yàn)證明在工作流量下緩發(fā)中子計(jì)數(shù)與破探系統(tǒng)流量呈線性變化關(guān)系，根據(jù)理論計(jì)算。提出在不通過頻繁調(diào)節(jié)破探流量的辦法，獲得較準(zhǔn)確的緩發(fā)中子數(shù)據(jù)，并在發(fā)生斜率突變時(shí)考慮元件破損的可能，有助于運(yùn)行人員研判元件破損情況。該文所采用的

21、數(shù)據(jù)均來自高通量堆試驗(yàn)及高通量堆的運(yùn)行記錄，所得出的結(jié)論目前僅適用于高通量工程試驗(yàn)堆，通過此方法，可以提高運(yùn)行人員通過緩發(fā)中子分析元件破損的準(zhǔn)確度，解決人員頻繁調(diào)節(jié)破探流量的問題，提高運(yùn)行安全。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]楊朝樂.核反應(yīng)堆內(nèi)緩發(fā)中子與相對中子密度的研究[J].科學(xué)與財(cái)富，2014（12）：222-223

22、. </p><p>　　[2]李蘭，楊紅潤.壓水堆核電廠燃料元件破損診斷方法[J].核動(dòng)力工程，2008（4）：135-139. </p><p>　　[3]徐治龍，劉興民.緩發(fā)中子計(jì)算燃料元件破損方法研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2013（47）：169-171. </p><p>　　[4]楊寧.燃料元件破損監(jiān)測用緩發(fā)中子探測器的國內(nèi)發(fā)展及其技術(shù)要點(diǎn)[J].核電