719-快中子临界装置与实验-杨成德

快中子临界装置及实验技术,杨成德中物院核物理与化学研究所,2013-07,一、引言,快中子临界装置的基本知识定义、分类，发展历史，一般结构，实验过程，典型示例快中子临界装置实验技术反应性测量技术反应性微扰实验技术缓发中子有效份额测量技术控制棒及其它调节部件反应性价值刻度,二、快中子临界装置,2.1什么是快中子临界装置以工程验证和获取核（基准）参数等目的为开展临界实验而建造的，可在次缓发临界、缓发临界、乃至瞬发临界状态下工作的一种特殊核（反应堆）增殖系统。其特性是：基准性（构型精确、可准确建模）通用性（同一装置可组装成不同系统）,二、快中子临界装置,2.1什么是快中子临界装置（续）左图：FKBN-2M右图：ORNL球形金属富铀系统,基准性,二、快中子临界装置,2.1什么是快中子临界装置（续）,通用性,Np系统的Planet装置,含聚乙烯叠层阵列的Planet,二、快中子临界装置,2.2快中子临界装置发展概况上世纪40年代，为解决核武器理论设计和安全性，核材料、核部件乃至核武器整体的加工、装配、贮存、运输、使用等方面的问题，美俄等相继建立了专门的国家实验室，针对不同的目标，建立了一系列的快中子临界装置。早期主要为核武器服务,二、快中子临界装置,2.2快中子临界装置发展概况（续）美国1947年至今，LANL为了开展临界实验，共在TA-18工号的三个堆厅(Kiva)建造了十多个临界实验装置。活性区材料：裂变材料以及裂变材料的硝化物、硫化物、氢化物和氧化物等实验系统：固态、液态和气态获得了瞬发中子衰减常数、反应性系数、临界质量、中子注量、中子能谱和反应率等参数,二、快中子临界装置,2.2快中子临界装置发展概况（续）,二、快中子临界装置,2.2快中子临界装置发展概况（续）美国阿贡国家实验室ANL阿贡快源堆(AFSR)、TREAT和一座零功率钚反应堆(ZPPR)，建立了30多个临界系统，做了大量临界实验，1995年停运橡树岭国家实验室(ORNL)以溶液为堆芯的临界装置，测量核系统瞬发中子衰减常数、中子寿命、临界质量、谱指标等积分参数以固体为堆芯的临界装置，主要在19501957年期间运行，后来运行任务逐渐减少，到1995年停运,二、快中子临界装置,2.2快中子临界装置发展概况（续）俄罗斯（前苏联）从1947年开始建立包括不同富集度的235U、相和相239Pu、233U材料为活性区，不同厚度的天然铀或其它30多种材料为反射层的临界系统，进行了数以千次的临界实验。FKBN、FKBNM及FKBN2M圆柱形临界装置ROMB，用于检验中子数据，主要用来检验二维计算程序和中子数据,二、快中子临界装置,2.2快中子临界装置发展概况（续）其他英国、法国、德国(包括前西德)、日本、以色列等国也在开展或曾经开展过临界实验，在宏观参数检验方面开展了相应的理论和实验工作；英国建造的VERA系列，ZEBRA系列临界装置前西德建造的SNEAK临界装置系列法国的U、Pu溶液系统的临界实验日本京都大学临界装置(KUCA)、东京大学核工程研究实验室的YAYOI装置(1971年达到临界)和日本原子能研究所的瞬态实验临界装置(TRACY),二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成核系统机械系统控制系统监测系统装置大厅,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）核系统核系统一般由活性区(也称作“芯部”)和反射层以及附属的控制棒、反应性调节部件组成。活性区为易裂变材料，易裂变材料可以是固体，可以是溶液，甚至可以是气体(如UF6)；反射层由非裂变材料或非易裂变材料组成，反射层材料可以是固体或者液体；控制棒、反应性调节部件通常为易裂变材料构成；,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）核系统实例1Flattop系列（美）Flattop-25活性区为高富集铀金属球、半径为6.116cm，反射层为天然铀金属球壳、外半径为24.13cm；Flattop-23U-233富集度为98.13%的金属铀球、半径为4.317cmFlattop-49活性区是金属钚球(Pu-240的含量为4.5%)，半径为4.533cm,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）机械系统临界装置的机械装置包括支撑堆系统、传动机构、探测器的机械框架和各种传动机构机械框架随不同的堆系统而有所不同，大体分为通用机械装置和专用机械装置两类：通用的机械装置，基本上由四根钢支柱支撑的钢框架和铝板平台组成，堆系统的固定部分及一些传动机构均被支撑在铝板平台上专用的机械装置，机械框架由轻便的钢管或铝管组成,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）机械系统（续）传动机构也各不相同，但大体包括下列传动机构：主安全块传动机构，一般支撑在机械框架底座上；辅助安全块传动机构；13根控制棒传动机构；实验样品传动机构和中子源传动机构等。传动机构大体上分为三类：电机驱动的丝杆或蜗轮蜗杆传动机构；气活塞的气动传动装置；液压式传动机构等,Planet,Comet,Godiva,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）控制系统临界装置的控制系统由安全保护控制系统、各传动机构的控制系统和控制台等组成，其中各传动控制系统一般包括：主安全块传动控制系统辅助安全块传动控制系统13根控制棒控制系统中子源传动控制系统和样品传动控制系统等,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）控制系统（续）临界实验装置的安全保护应满足的安全保护准则：单一故障保护的准则；安全保护独立性的准则；多样性保护的准则；采用冗余技术的准则；故障安全的准则；安全报警和显示的准则等。,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）监测系统临界实验装置的监测、监视系统至少应包括安全保护监测系统、剂量监测系统和闭路电视监视系统等闭路电视监视系统是采用摄像头监视堆厅内和堆体周围的各种部件临界装置的安全保护系统应至少包括两套独立的低功率保护监测系统、两套高功率保护监测系统和一套温度保护监测系统辐射剂量监测系统（事故报警及事故后剂量产额监测、堆厅内剂量监测、个人剂量监测、泄露污染检测及监测）,二、快中子临界装置,2.3快中子临界装置一般构成（续）装置大厅堆体及其机械装置部分必须安装在堆厅内，堆厅应满足下列基本要求：辐射屏蔽能力密封性通风过滤系统足够大空间排水系统高强度、抗震,二、快中子临界装置,2.4快中子临界装置分类及一般实验过程按建造目的和用途分类：为检验与裂变链式反应物理研究有关的以及与易裂变金属材料加工有关的临界安全、计算程序和中子物理参数的临界装置，用于开展基准实验，有时称其为基准实验装置；为设计建造和运行各种动力堆和研究试验堆等提供临界安全、设计验证和运行参数验证的临界装置，用于开展模拟实验，有时称其为模拟实验装置,二、快中子临界装置,2.4快中子临界装置分类及一般实验过程（续）按运行状态分类：次临界实验装置临界实验装置脉冲堆本质上来说它们的差别除了运行状态外就是反应性调节裕量的大小和系统的基准性,二、快中子临界装置,2.4快中子临界装置分类及一般实验过程（续）开展临界实验的一般过程(1)根据实验目的和任务制定临界实验方案(2)完成开堆前的各项实验准备工作(3)按运行规程开堆(4)实验运行和参数测量(5)完成预定实验内容后停堆(6)实验数据处理与总结,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（1）Flattop（1958）水平通用实验平台三个核系统：Flattop-25、Flattop-23和Flattop-Pu有一个“无限”厚度的贫化铀反射层球壳（24.13cm），该球壳的一半固定在装置平台上，另一半对分为两部分(1/4球壳)，分别装配在传动机构上，可通过遥控移动组成整球壳反射层或分离（并可实现快退）有三根(两根小的，一根大的)贫化铀控制棒，从下面插入固定的贫化铀半球壳内，实现反应性连续调节,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（1）Flattop（1958）上世纪60年代，开展了以贫化铀为反射层的高浓铀球型核系统、高浓铀-钚（相）混合球型核系统、233U球型核系统的临界基准实验1994年，为了提供乏燃料操作的临界安全指导和校验237Np的散射、裂变截面，开展了237Np和高浓铀的反应性价值测量实验（采用28.4g的Np样品和29.9g的高浓铀样品）2000年，Flattop分别以Pu和U为堆芯测量了等效基模源强度2002年6月，Flattop在停止运行两年半后更换控制棒传动机构并重新运行由于该装置简单、高度的可重复性、安全和运行相对简单，因此主要作为LACEF的培训用的装置,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（2）ORNL的球形金属富集铀系统（1971）堆部件的支撑结构十分简洁，基准性很强，甚至没有控制棒核系统基本分上、中、下三大部分，中间部分固定不动，上、下部分分别安装在传动机构上，可上、下移动，实现系统的组合和分离球的直径为17.61cm(6.934in)，中央有一个直径为0.345cm(0.136in)水平贯通实验孔道，用铀金属表面调节塞实现反应性的调节,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（3）Comet（1950）通用的垂直传动实验平台，由上半部分的固定平台和下半部分可移动的压板构成，下半部分传动由液压传动和步进电机完成，步进电机主要完成精确的调节，可开展各种临界实验、核安全研究及临界安全培训,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（3）Comet（1950）高浓铀、钚实验上世纪五、六十年代开展了高浓铀（球型和柱型），不同反射层（水、聚乙烯、树脂、石蜡、石墨、贫化铀、铍、氘化锂）的临界质量测量实验；高浓铀立方体阵列系统浸入水中的基准实验；相钚活性区、铝反射层球型系统的临界质量测量实验；1979年，开展了以验证242Pu核数据为目的的临界实验，主要为乏燃料的回收与储存提供支持（1gUO2产生的242Pu约为0.30.8mg）。,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（4）Planet(1950s)LANL的Planet机械装置结构示意图，一个垂直传动的平台，Planet由两个部分组成，上半部分固定在平台上，下半部分是可动的传动由液压传动和步进电机完成，步进电机主要完成精确的调节,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（4）Planet(1950s)钚、233U系统基准实验上世纪五十年代开展的相钚（-HEU、W、DU、Be）、233U（-HEU、W、DU、Be）相关基准临界实验,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（4）Planet(1950s)高浓铀、废物基质材料与聚乙烯叠层阵列临界实验19982003年，开展了高浓铀、各种废物基质材料（SiO2、Al、MgO、Gd、混凝土等）与聚乙烯叠层阵列的临界实验，聚乙烯用来作为慢化体和反射体用以模拟洪水场景,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（4）Planet(1950s)2002年2004年，开展237Np系列临界实验（目的在于减小237Np临界质量的不确定度、验证其散射和裂变截面，包括237Np-HEU、237Np-HEU-聚乙烯、237Np-HEU-低碳钢、），为临界安全研究（乏燃料操作）和防止核扩散提供支持；在乏燃料中1gUO2能够产生0.30.5mg的237Np主要来源：,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（4）Planet(1950s)空间堆相关实验最近（2004年左右）在Planet上开展实验和空间堆相关（由普罗米修斯项目支持），实验系统由耐火材料（铼、钼、钽和铌）、慢化材料（石墨和聚乙烯）和高浓铀构成，主要用来评估空间堆设计使用耐火材料的中子反应截面的不确定度,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（5）GodivaIV快中子脉冲堆（1960s）1967年，LANL设计建造了GodivaIV脉冲堆。最初的目的是为脉冲堆发展计划提供一个轻便的堆芯和支撑装置，实验研究获得最大功率密度和最短脉冲半高宽度的脉冲堆的设计技术，活性区为U-1.5%Mo合金（93wt%的235U）,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（5）GodivaIV快中子脉冲堆（1960s）缓发临界时瞬发中子衰减常数为0.85s-1，脉冲温升峰值达到525，脉冲半高宽度约24s，堆表面处的积分中子通量为1014n/cm2，峰值中子通量为41018n/cm2s，脉冲产额为610161975年首次产生核泵浦激光的实验1999年，在GodivaIV上测量了4g和28gHEU样品的反应性系数，并开展了几次脉冲实验，主要目的是检验以S-32为感应材料的中子事故个人剂量计和培训运行人员2003年，开展了自发裂变源（即弱中子源）引发实验,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（6）CFBR-II快中子脉冲堆（1989）CFBR-II快中子脉冲堆(ChinaFastBurstReactor-II)是国内唯一在役的快中子脉冲堆，是核爆辐射场的实验室最佳模拟装置CFBR-II堆可在稳态和脉冲两种方式下运行，稳态运行额定功率300W，脉冲运行时额定脉冲产额为1.31016裂变,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（6）CFBR-II快中子脉冲堆（1989）抗辐射加固研究核辐射生物学效应和辐射剂量学研究堆泵浦激光技术和堆泵浦强激光驱动源概念研究临界事故报警器和剂量仪的检验或校核堆物理研究和裂变核碎片的参数测量培训,二、快中子临界装置,2.5几个典型的快中子临界装置（续）（6）CFBR-II快中子脉冲堆（1989）,三、实验技术,反应性测量技术反应性微扰实验技术缓发中子有效份额测量技术控制棒及其它调节部件反应性价值刻度,三、实验技术,3.1反应性测量技术概述反应性是度量反应堆或临界装置运行工况偏离临界状态的一个重要参数表征堆内整个物理状态的一个综合函数反应堆物理实验中最重要的测量值测量方法：周期法、落棒法、跳源法、瞬发中子衰减常数法、数字逆动态法,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法通过测定堆渐进周期来确定堆系统反应性是临界装置实验中常用的一种简便而实用的方法，通常俗称为周期法由于该方法仅适用于正周期的测量来确定超缓发临界反应性，故有时又称它为“正周期法”,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法定义（3-1）用k表示核系统的有效中子增殖因子，用或表示核系统的缓发中子有效份额(为缓发中子实际份额，为全部缓发中子组的平均有效性系数)，为核系统的反应性，为核系统的以为单位的反应性,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法核系统渐进周期T与反应性的关系即为大家熟知的“倒时数方程”或“倒时数关系”,联系系统有效增殖因子或反应性和系统渐近周期的关系式（3-2）是第i组缓发裂变中子的衰减常数是第i组缓发裂变中子的实际份额是第i组缓发裂变中子的有效性系数（推导过程略，下同）,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法倒时数公式（3-2）参数确定理论计算对于含单纯一种裂变核素的核系统，渐进周期与反应性关系的计算较为简单，即将有关参数代入方程(3-2)对于一个由两种或更多种裂变核素组成的核系统，它的倒时数公式是组成它的各种裂变核素倒时数公式值的权重平均值，更精确地说，是按各种裂变核素产生的有效缓发中子产额的比例线性插值近似获得,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法倒时数公式（3-2）参数确定实验确定瞬发中子脉冲辐照衰减法小样品放在瞬时脉冲中子场辐照后将辐照，后将样品迅速传送到屏蔽室内精确测量样品单位时间释放的缓发中子数随时间变化函数F(t)（修正、归一化）构造函数倒时数确定（3-3）,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法倒时数公式（3-2）参数确定实验确定落棒衰减法对一个稳定功率运行的堆突然“落棒”(控制棒降落)后的中子计数率或功率衰减的测量数据进行数值积分来确定该堆的周期与反应性的函数关系（3-4）说明：表示原来处于缓发临界稳态运行的反应堆发生负的反应性阶跃变化后在时刻堆中的中子数，表示的拉氏变换式n0和n1分别表示落棒前稳态运行的缓发临界系统内和落棒后瞬间核系统内的中子数,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法误差来源（1）渐进周期T测量的偏差用过早测定的周期来代替渐近周期将是产生这种偏差的一个主要原因，因为它包括了瞬变项的贡献，使测得的周期值比渐近周期值要短；（2）常中子源（堆内光中子、外中子源、自发裂变中子等）存在对渐近周期测量误差的影响在这种情况下瞬变项的影响差不多与无外加源情况下的影响相同。在正周期测量中，要使周期测量具有特定的准确度，必须要大大地增加等待时间。中子源强度越强，等待时间就需要越长（3）采用的缓发中子参数引起的误差,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法误差来源（4）在渐近周期测量过程中堆温度变化所带来的误差为了测到渐进周期，必须要等待一定的时间，而且为使的测量精确度提高，往往要等堆功率上升几个周期后测量，因此，在渐近周期测量过程中，堆的温度有可能随功率增加而上升，致使堆的反应性变化(5)在带反射层的次临界系统中出现的虚假根对反应性的测量误差的影响,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.1周期法渐近周期的测量方法与技术在快中子临界装置中，测量渐近周期的方法通常有两种：用窗式周期计直接测量周期和用采集的功率上升数据进行最小二乘拟合得到B-10带补偿型的电离室输出电流正比于堆功率，此电流经小电流放大器放大并转换为变成电压输入到功率电平比较器，电平比较器设置上、下阈，其触发信号输入到时间计数器内的计数控制单元，其逻辑为：只有当功率电平在下阈和上阈之间、且功率是处在上升过程的条件下才能允许“窗”打开、时钟通过，从而获得堆功率从下阈上升到上阈所经历的时间周期功率上升数据最小二乘拟合（略）,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.2落棒法用突然下落控制棒的方法测量棒反应性当量的技术称为落棒法对于热中子反应堆，控制棒为热中子强吸收材料，因而当控制棒下落而更深地插入堆时，则堆反应性负增长，所以对一般的反应堆“落棒法”应该理解为使堆反应性产生急速下降来测反应性变化量的方法测量棒反应性当量(以$为单位)的一种简便而较精确的方法,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.2落棒法原理首先将堆较长时间运行在缓发临界状态，此时堆内的中子密度记为n0在某一时刻，突然将控制棒下落，使堆反应性有一个负阶跃变化，堆内中子密度由n0迅速下降至n1在棒落下后的一个很短的时间内（大于几倍瞬发中子寿命、小于寿命最短的缓发中子先驱核半衰期）缓发中子先驱核浓度无显著变化，由落棒前就存在堆内的先驱核放出的缓发中子在堆内按瞬发中子增殖因子进行倍增，此时堆处在一种准稳定状态棒反应性当量(以$为单位),三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.2落棒法缺点(1)n1精确地观测到实际上是较困难的，因为通常用衰减曲线回推到落棒后瞬间来获得，这就引进了一些误差(2)在落棒实验中，探测器应放置在合适地方，保证无论是在落棒前还是落棒后探测器计数率要正比于核系统的总中子数，以减少中子通量的空间分布形状的变化对测量结果的影响上述缺点可在落棒实验中采用积分技术克服,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.2落棒法积分技术棒反应性当量(以$为单位)（3-5），表示以为权重的调和平均值,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.2落棒法小结测量棒反应性当量(以$为单位)的一种简便而较精确的方法落棒实验中的积分计数克服了测量n0和n1的上述缺点，且不需要测量中子计数率随时间的变化，避免了数据的外推，从而给出更准确的反应性值,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.3跳源法反应性测量的中子源扰动技术包括跳源法、脉冲中子源法和252Cf随机脉冲源法等堆反应性测量技术，在此只介绍跳源法，而脉冲中子源法和252Cf随机脉冲源法将不做介绍,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.3跳源法原理考虑一个次临界核系统，在系统内有一个强度为S的中子源情况下系统中子密度处于稳定状态，系统内中子密度为n0，其与源强S有关式：然后突然将外中子源从堆系统中移走，在外中子源被移去的几倍瞬发中子寿命时间内，系统将调整到一个较低功率的准稳定状态，此时的中子密度为n1，其由前面稳定状态下的缓发中子先驱核形成的源的倍增确定n0和n1的关系：（3-6）,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.3跳源法原理直接从稳定状态下带外源的“点堆”模型动态学方程，可以求解得到关系式：（3-7）由（3-6）得或：（3-8）,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.3跳源法（小结）只要测量到中子源移去前系统功率(或中子通量，或中子密度)水平和移去后瞬间(几个瞬发中子寿命后到衰减最快的缓发中子先驱核半衰期之前的这段时间内)的系统功率(或中子通量，或中子密度)水平之比n0/n1，中子源移去以后堆系统的次临界度，即以$为单位的反应性就可以确定优点：仅仅需要突然移走一个质量很小的中子源可避免如模态效应、棒的屏蔽和探测器位置布局等因素影响在原理上，源跳动法不依赖于源强度的，但是在次临界状态下，如果不采用相当强的中子源(3.71011s-1)的话，则探测器的响应是特别低的，而且散射效应可能比较明显,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.4瞬发中子衰减常数法利用实验测得的瞬发中子衰减常数得到反应性的方法是由Simmons和King首先提出来的，所以也称它为Simmons-King方法或SK方法原理点堆模型无外源瞬发中子衰减常数为表示瞬发中子代时间，为核系统的瞬发反应性设有两个链式反应系统，或者同一个系统有两个不同的反应性状态，其一个系统或状态称其为参考系统，其参数以下标“0”表示,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.4瞬发中子衰减常数法原理两个系统中子衰减常数相除化简可得：（3-9）再考虑系统缓发反应性和瞬发反应性之间关系：可得：（3-10）选参考系统为缓发临界状态，即,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.4瞬发中子衰减常数法原理为了指明参考系统处于缓发临界状态，将处于缓发临界状态的参考系统的瞬发中子衰减常数改记为。再引入负反应性，由（3-10）得：（3-11）由于参考系统与目标系统的瞬发中子代时间与有效缓发中子份额之比近似地保持不变，即因此有（3-12）注意：参考系统不处于缓发临界状态时使用公式（3-10）,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.4瞬发中子衰减常数法小结通过测定瞬发中子衰减常数来确定堆系统反应性的首要要求是精确测量堆系统的和其次近似指参考系统与目标系统的瞬发中子代时间与有效缓发中子份额之比近似地保持不变，而其是依赖于系统的中子通量、空间分布和能谱的。当堆系统或状态变化不大(相应的反应性变化也不大，例如反应性变化小于)时，上述近似的引起的误差可忽略当测量非常大的反应性变化(例如几个)时，必须考虑堆系统瞬发中子代时间变化的影响,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.5数字逆动态法通过分析采集的中子计数率随时间变化来确定反应性的一种方法，其初期理论与实验工作是在19601962年间完成（Sastre和Cohn）20世纪70年代，随着计算机在线测量技术的大量应用，使数字逆动态技术发展成为一种普遍应用的反应性测量方法逆动态数值计算方法和算法程序是这类反应性测量技术的关键,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.5数字逆动态法优点与模拟逆动态法相比，精确度高，动态范围大与各种堆噪声技术相比，它不需要事先测量一些临界参数，对探测器效率要求也低，设备简单，易于实现在线实时分析在动力堆上使用时，可用堆外探测器和常规的运行和控制仪器完成数据采集缺点在进行次临界度测量时，要求对堆有较大的扰动，测量结果受探测器效率等的影响,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.5数字逆动态法点堆动态方程堆内中子总数与置于堆内一定位置处的中子探测器的计数率关系,三、实验技术,3.1反应性测量技术3.1.5数字逆动态法逆动态算法逐点法。逐点分析中子计数率随时间的变化，求出反应性随时间或样品在堆内位置变化的函数（主要用在刻度控制棒、测定扰动反应性效应和动力堆的瞬态分析等方面）符合法。用最小二乘法分析落棒引起的中子计数率随时间的变化，来确定堆的次临界度（又分反应性符合法、通量密度符合法和源强符合法，模拟计算与实验研究表明源强符合法较其他方法好）数字积分法。适合处理无源系统的落棒实验数据。,三、实验技术,3.1反应性测量技术小结周期法通过测定堆渐进周期来确定堆系统反应性落棒法用突然下落控制棒的方法测量棒反应性当量的技术跳源法测量中子源移去前系统功率(或中子通量，或中子密度)水平和移去后瞬间(几个瞬发中子寿命后到衰减最快的缓发中子先驱核半衰期之前的这段时间内)的系统功率(或中子通量，或中子密度)水平之比n0/n1，即可获得中子源移去后堆系统的次临界度瞬发中子衰减常数通过测定瞬发中子衰减常数来确定堆系统反应性数字逆动态法通过分析采集的中子计数率随时间变化来确定反应性,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.1概念微扰实验技术指通过测量放置于临界装置内微扰样品的反应性系数获取核数据和扩充临界数据的有关理论、实验和应用等研究工作该技术在1943年就提出来的，后来Hansen在此基础上发展了二阶微扰理论，并和Engle在Topsy、Godiva和Jezebel等快中子临界装置上做了大量实验和应用研究工作,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.1概念一阶微扰理论、微扰方程及反应性公式一阶微扰理论是描述由于堆内材料的成份或配置的少量变化而引起堆系统反应性的变化描述反应性变化的方程(即微扰方程)的形式不仅仅依赖于样品的性质，而且还依赖于描述参考系统(未扰动系统)和经扰动系统的中子输运方程推导过程略文献2（单群扩散近似、球谐P1）,样品裂变核素组分对扰动引起的反应性增量贡献,俘获吸收(非裂变)对扰动引起的反应性增量贡献,样品材料的散射,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.1概念反应性微扰系数把在系统的空间位置某处处添加一种核素的原子所引起的系统反应性增量定义为该种核素在此处的反应性微扰系数因为任何核素的一个原子在任何系统的任何位置对系统的扰动都极小，而且一个原子也不是实验可操作的实体对象，实验无法直接测量任何核素的反应性微扰系数实验只能够添加有限量的扰动材料，为近似获得线性微扰的效果，原则上可以通过测量扰动材料量逐步减小时系统反应性增量，而外推对应于单位扰动材料(单位体积或单位质量或一个摩尔)的系统反应性增量来确定,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.2微扰实验测量技术微扰实验中，扰动样品的反应性贡献通常是采用正周期法或稳定功率法获得的正周期法通过测量堆内有、无扰动样品时堆功率上升的渐进周期，由倒时数方程计算出该样品的反应性贡献或样品每单位体积的反应性贡献稳定功率法是将扰动样品先放入堆内某位置，使堆运行在缓发临界的稳定功率状态，然后取出扰动样品，通过远离样品的调节棒，仍使堆运行在缓发临界的稳定功率状态，测量调节棒的位置变化，然后由调节棒的反应性效率曲线计算出样品引起的反应性变化,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.2微扰实验测量技术概念测量技术：反应性微扰系数的测量方法,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.2微扰实验测量技术,图示：高富集铀金属球形样品在Godiva装置中心的反应性贡献与之间的关系,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.3微扰实验的应用(1)确定某些材料在堆内中子谱中子作用下的核参数反应性微扰系数球对称系统其中表示材料x在堆中子谱中子作用下的宏观“吸收截面”，表示微扰材料x在堆中子谱中子作用下的宏观散射输运截面,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.3微扰实验的应用(1)确定某些材料在堆内中子谱中子作用下的核参数求得f0(r)和f1(r)，同时测量该材料在位置1、2处的微扰系数，求解下列方程：可获得材料的参数：与材料重要核参数：输运截面：增殖截面：,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.3微扰实验的应用(2)裂变核素在临界装置中子谱下的值(裂变中子数)裂变核素，如233U、235U、239Pu、240Pu、237Np、238U，在快中子临界装置中子谱中子作用下的每次裂变产生的平均中子数的数值是重要的参数，它可以通过反应性微扰系数的测量值来确定(3)裸球形临界核系统上加上薄反射层后芯部临界半径减小量(反射层节省)由测得的各种材料在裸球形临界核系统上的反应性微扰系数随r的分布，可以估计在该临界核系统上外面加一层材料为x的薄反射层后芯部临界半径的减小值,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.3微扰实验的应用(4)估计增殖系统活性区被均匀稀释后临界质量变化（详细过程略，见参考文献2）(5)其他由微扰实验测得的堆芯材料在临界半径处的反应性微扰系数，计算出堆反应性再增加1$而需要的质量增量，即可确定缓发临界到瞬发临界之间的质量差反应性微扰系数可以用理论计算程序进行数值计算，将理论计算值与测量值比较，可以检验计算方法或选用的参数是否合适，或用来调整这些核参数，使计算与实验测量值相符合,三、实验技术,3.2反应性微扰实验技术3.2.4小结方法：测量微扰样品的反应性微扰系数应用：获取核数据、扩充临界数据、校验计算程序、校验调整程序参数使其结果与实验符合,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.1概述缓发中子有效份额是指每次裂变产生的有效缓发中子产额与有效裂变中子(瞬发中子和缓发中子)总产额的比值，通常用来标记缓发中子有效份额与(瞬发)中子寿命和反应性都是反应堆动态特性的重要参数虽然缓发中子数占每次裂变产生的中子数的比例小于1%，但是任何一个裂变链式反应堆在正常运行下的动态特性与堆中缓发中子特性有密切关系，因此缓发中子对于核反应堆的安全运行起重要作用,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.1概述缓发中子有效份额还是反应性测量的基础缓发中子有效份额的准确测量和计算对于堆动态特性的精确研究，通过实验测量来确定的堆的反应性、有效增殖因子k和中子寿命l等参数均的重要性,实验测量以$为单位的反应性,理论计算绝对反应性,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.1概述缓发中子有效份额的测量方法半实验性的技术将一个测得的以$为单位的反应性当量值与该反应性当量的准确或足够准确的理论计算值相对比，从中获得effHansen采用的“m法”和Carpenter采用的252Cf源法反应性替换技术替换技术的基本思想是将堆内燃料元件逐步分批用吸收截面与燃料相当的材料代替燃料中毒技术(不适用于快堆)和莫基尔纳法为代表堆噪声技术利用测得的瞬发中子衰减常数和相关幅度来获得eff的一种方法，具有简易而准确的优点Rossi-法或Feynman法为代表,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.2(瞬发临界与缓发临界间)表面质量增量法原理通过Rossi-实验、反应性微扰系数测量实验等，获得堆系统从缓发临界到瞬发临界需要增加的堆表面质量m用中子输运理论计算程序计算出与此表面质量增量相对应的系统反应性增量或有效中子增殖因子k的变化由于堆系统从缓发临界到瞬发临界的反应性增量刚好是1$，因此用中子输运理论计算程序计算出的绝对反应性增量即为eff,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.2表面质量增量法LANL三个裸金属临界装置上测量值和计算值比较3,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.3252Cf源法将已知强度的252Cf中子源放置在堆的中心，用反应性测量技术测得在一定功率下堆系统的以$为单位的负反应性用理论计算出在该功率下堆系统的绝对反应性计算后者与前者两个量之比就得到堆系统有效缓发中子份额之值eff,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.2252Cf源法为便于使用一维多群SN计算程序计算外中子源在球对称系统中的有效性系数，一般来说都将外中子源放置于系统的对称中心处进行实验外源放置于系统的对称中心时系统内中子注量分布和裂变率空间分布具有对称性选用252Cf自发裂变源作为实验使用的外中子源还考虑到中子源的体积小、源强度比较大以及源强度值比较准确252Cf源法获得eff的相对标准不确定度约在5%水平,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.4Rossi-法利用Rossi-法测量堆系统瞬发中子增殖率常数的实验中获取的参数如、相关幅度A和计数率C等来确定堆系统的缓发中子有效份额effRossi-实验方法在堆内或堆旁放置两路中子探测系统I和II，用探测系统I在t=0时刻已有了一个中子计数后，探测系统II在t到t+dt间隔内又探测到一个中子计数的概率p(t)dt，然后将p(t)dt的实验数据按照理论公式拟合，从中获得、A和C等参数“点堆”模型下：,(3-13),三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.4Rossi-法（1）从缓发临界时测得的相关幅度中获取eff之值式中参数说明：|c|，Rossi-法测得的缓发临界系统的瞬发中子衰减常数g，因“点堆模型”近似性而引入的一个修正因子f，探测器对堆内1次裂变产生1个计数的概率，p每次裂变产生的瞬发中子数上述参数均可由实验测定（|c|，f）或由理论（计算）获得（f，Dv）,(3-14),三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.4Rossi-法（2）从次临界状态下Rossi-实验中测得的平均计数率C中获取eff之值说明g*，修正因子S，源中子的总发射率，每次裂变产生的平均中子数其他参数同前,三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.4Rossi-法（3）从随1/C变化曲线直线外推获取eff之值或其中在缓发临界附近的次临界状态下，核系统的瞬发中子衰减常数|随1/C的变化很好地近似为一直线直线外推到瞬发临界状态(|=0的状态)，直线与1/C轴的交点到轴原点的距离为d由（3-17）式代入相关参数获得eff,(3-16),(3-17),三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.4Rossi-法（4）改进的Rossi-法对于某些核装置，探测器效率f和中子寿命l的绝对测量难以进行GDSpriggs于1993年提出采用两种技巧，使、A和C的联立方程表达式中的f和l被消除斜率法在缓发临界附近，如果在整个测量的范围内方程(3-18)中其它参数相对地保持为一个常数的话，则随1/C的变化近似地呈线性变化Nelson数法、RAPJA技术法（详见参考文献2）,(3-18),三、实验技术,3.3缓发中子有效份额的测量3.3.5小结缓发中子有效份额参数的重要性不同的装置适宜的测量方法不同表面质量增量法：无反射层的快中子临界系统，其误差依赖于理论计算中所用的宏观截面数据替换技术需要将样品放置于堆内所有位置上进行实验测量，对于大多数堆系统来说是不太可能的燃料中毒法对于热中子和中能中子堆系统才适用，不适用于快中子堆堆噪声技术(Rossi-法)依赖于中子寿命l和探测器效率f,三、实验技术,3.4控制棒及其它调节部件反应性价值刻度3.4.1概述为确保临界实验装置的安全运行和顺利完成各种临界实验工作，临界实验装置必须设计有实现反应性连续调节的控制棒和实现反应性阶跃调节的部件实验确定反应性调节部件的反应性价值当量及其分布曲线不需要绝对反应性，只需以eff为单位的相对反应性当量和分布曲线测量方法概括为：动态测量法和静态测量法重点介绍中子倍增法（静态测量）,三、实验技术,3.4控制棒及其它调节部件反应性价值刻度3.4.1概述动态测量：在堆处于缓发临界附近时测量的方法有周期法、振荡法和各种堆噪声分析法，如Rossi-法、Feynman法、随机脉冲源法和Pcc法等在堆处于较深次临界状态测量的方法有落棒法，脉冲中子源法等静态测量以测量堆的中子倍增因子M为基础的一种方法，我们称它为中子倍增法正周期法和中子倍增法是最早、最广泛使用的方法不需要专门的测量仪器，只需用在临界实验装置开堆时必备的功率仪表、中子计数器和周期计等仪器,三、实验技术,3.4控制棒及其它调节部件反应性价值刻度3.4.2次临界系统中子倍增用Nc表示对待测的次临界系统的计数率，用Nc表示对替换系统的计数率，次临界系统相对于替换系统的中子增殖倍数或中子倍增Mobs定义为Mobs=Nc/Nc次临界系统的中子倍增与负反应性,(3-19),三、实验技术,3.4控制棒及其它调节部件反应性价值刻度3.4.2次临界系统中子倍增测量方法独立中子源理想中子源能谱要求是系统本征分布的裂变中子谱，最接近这个要求并强度足够的是252Cf自发裂变中子源含钚量较大的系统中，240Pu自发裂变中子加上钚衰变粒子轰击轻元素杂质所产生的中子强度已足够，不用另外引进独立