高富集度铀的opaz-堆热反应研究

高富集度铀的opaz-堆热反应研究

图达-az-ii是俄罗斯开发的空间核反应堆。使用热离子换热器将核反应波转化为能耗。它具有体积小、重量轻、比功率高、寿命长等特点。这是空间核反应堆最先进的电源之一。TOPAZ-Ⅱ反应堆采用固态氢化锆作为慢化剂。固态氢化锆为晶体结构,氢原子在晶体中处于束缚状态,因此,它的中子物理特性与其他含氢介质不同。当中子与氢化锆晶体相互作用时,有可能激发晶体的振动态,这种振动态的量子称为声子。中子可通过碰撞得到或失去声子,从而引起能量转移,即中子与氢化锆晶体之间存在着量子化的能量交换,中子可获得或失去0.137eV整数倍的能量。因此,当中子能量高于0.137eV时,氢化锆是很好的慢化剂,而当能量低于0.137eV时,中子只能通过效率较低的激发声学模失去能量。正是因为中子与氢化锆晶体间存在量子化的能量交换,中子热化时将从氢核获得0.137eV整数倍的能量。当氢化锆温度升高后,处于激发态的晶体数目增多,热中子从氢化锆晶体的激发态获得量子化能量的几率增大,使得中子能谱变硬,慢化性能减弱,这就使得采用氢化锆作为慢化剂的反应堆(如TRIGA堆)产生了较大的负温度系数。然而,有关资料表明,TOPAZ-Ⅱ反应堆为正慢化剂温度效应,且其值超过了燃料多普勒效应的绝对值,使整个反应堆呈现出正温度效应。本工作采用MCNP程序对TOPAZ-Ⅱ反应堆慢化剂升温前后的中子能谱和各种反应率进行计算,探究产生正温度效应的原因。1tfe堆芯结构TOPAZ-Ⅱ反应堆的堆芯由37根热离子燃料元件(TFE)、氢化锆慢化剂、堆芯筒体、端部铍反射层、侧铍反射层、12个转鼓以及其他一些堆内构件组成。除中心1根外,其余TFE分3圈布置在慢化剂内。12个转鼓放置在侧反射层内的圆柱状套管中,其中9个为控制鼓,3个为安全鼓。每个转鼓的外表面覆盖有圆心角为120°的碳化硼吸收体镶块。TOPAZ-Ⅱ反应堆的堆芯结构示于图1。TFE是单节圆柱状的热离子发射转换器,两端有氧化铍反射层,中间部分为多层管结构。在TFE的中心布置环形二氧化铀燃料,沿半径方向,由内到外依次为发射极、发射极涂层、铯气腔、接收极、接收极绝缘、氦气腔、不锈钢包壳、钠钾合金冷却剂流道和不锈钢套管等。TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯的基本参数列于表1。2计算速度剂的温度影响2.1蒙特卡罗程序由于TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯的体积小,结构和材料组成复杂且有强烈的不均匀性,不适于采用确定论的扩散程序计算。蒙特卡罗程序具有很好的处理复杂几何结构及模拟复杂物理过程的能力,在小型反应堆的物理设计中得到广泛应用。本工作采用MCNP程序计算TOPAZ-Ⅱ反应堆的慢化剂温度效应。对于与热中子碰撞的介质,MCNP选用自由气体模型或S(α,β)模型进行处理,其中,S(α,β)模型主要用于处理介质的化学键和晶体结构对热中子散射截面的影响。2.2慢化剂温度对碳化硼发展的影响假设TOPAZ-Ⅱ反应堆慢化剂温度为T1时的有效增殖因数为keff1,温度为T2时的有效增殖因数为keff2,则可用下式计算慢化剂温度从T1变化到T2时引入的反应性:ρ=keff2-keff1keff2×keff1(1)ρ=keff2−keff1keff2×keff1(1)计算中,所有转鼓的碳化硼镶块均处于远离活性区的位置;除慢化剂外其他材料的温度均为常温,且保持不变。由于氢化锆为固态,温度变化对其密度影响较小,计算中不作考虑,只是通过改变氢化锆在不同温度下的S(α,β)截面数据,分别计算出不同温度时的有效增殖因数,从而得到反应性效应。计算结果列于表2。根据式(1)计算得到TOPAZ-Ⅱ反应堆慢化剂温度从300K变化到800K时引入的总反应性为1.101%,其中,300～400K之间的慢化剂温度系数为2.69912×10-5K-1,而在运行温度范围的600～800K之间的温度系数为1.28804×10-5K-1。可见,TOPAZ-Ⅱ反应堆为正慢化剂温度效应,且其值较大,在反应堆从冷态到热态的启动过程和功率变化时需要格外关注。3正温度效应的原因分析选取慢化剂温度为300和800K时的计算数据进行分析来说明产生正温度效应的原因。3.1慢化剂升温前后的中性注量率分布慢化剂温度升高后,热中子从氢化锆的激发态获得能量,导致中子能谱变硬。将0.001eV～20MeV的能量区间等对数能降划分为200个能群,采用MCNP的F4卡对慢化剂和燃料芯体在慢化剂升温前后的中子注量率分能区进行了计数,计数结果归一化到每个源粒子。计算结果示于图2。从图2可见,慢化剂温度升高后,中子能谱的硬化主要发生在1eV以下的能量区间,其中,0.133eV(0.137eV不是能群划分边界)以下中子注量率减少,而0.133～1eV之间中子注量率增加。而对于不同的区域,活性区的能谱变硬现象比反射层要明显。这是因为中子能谱硬化首先发生在慢化剂内,然后导致其他区域的能谱变化,而反射层的大部分区域与慢化剂相隔较远,能谱所受影响较小。3.2反应率的变化1慢化剂升温后中日泄漏率的变化中子能谱硬化一般会造成中子泄漏和燃料共振吸收的增加。表3列出慢化剂升温前后中子泄漏率和燃料俘获反应率的变化(计算结果归一化到每个源粒子,并对发生反应的所有区域积分,以下同)。从表3可见,慢化剂升温后,中子泄漏率有所增加,但增加不大。这是因为中子能谱硬化主要发生在堆芯内部,反射层中子能谱的硬化不明显,且反射层材料为铍,在中子能谱变化的能量区间,其中子吸收截面很小,散射截面近似为常数,所以中子泄漏增加较小。燃料俘获反应率的增加也不大,这是因为燃料中238U的含量较低,且能谱硬化主要发生在1eV以下的能量区间,远小于238U能量最低的共振峰所对应的6.67eV,所以共振吸收增加有限。2慢化剂对燃料的作用对于绝大多数核素,在小于1eV的低能区,其微观吸收截面随中子能量的增加而逐渐减小,即与中子的速度成反比,即1/v律。TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯内除燃料外的其他材料主要为氢化锆、不锈钢、单晶钼等,它们的吸收截面在低能区都呈现明显的1/v律。慢化剂温度升高后,1eV以下中子能谱的硬化必然导致慢化剂和包壳等中子吸收的减少,这将使得低能中子更容易进入燃料区域,从而被燃料吸收。表4列出TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯主要区域中子吸收率(包含裂变反应、(n,2n)反应和(n,3n)反应)在慢化剂升温前后的变化。从表4可见,慢化剂升温后,发射极、接收极、不锈钢包壳和套管、慢化剂等的中子吸收率减小较多,从而使整个堆芯的中子吸收率变小。同时可看出,燃料的中子吸收增加明显,超过表3中列出的燃料俘获反应率的增量,由此可知燃料的裂变反应率也是增加的。裂变反应率在慢化剂升温前后的变化为4.87600×10-3(裂变反应率升温前为0.408412,升温后为0.413288)。裂变反应率的增加主要是由燃料在低能区的非1/v裂变特性导致的。3慢化剂对中等生成率的影响慢化剂升温后,裂变反应率的增加必然使由裂变反应产生的中子数增加。同时,中子产生率还应该包括(n,2n)和(n,3n)反应所产生的中子。表5列出中子产生率在慢化剂升温前后的变化。从表5可见,慢化剂温度升高后,中子产生率增加较多。3.3堆芯有效增殖的计算从中子平衡关系的角度,系统的有效增殖因数可按下式定义:keff=系统内中子的产生率系统内中子的总消失(吸收+泄漏)率(2)表6列出慢化剂升温前后TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯的中子平衡关系。可见,按式(2)计算的有效增殖因数与表2中实际计算的非常接近。由此可总结出TOPAZ-Ⅱ反应堆出现正慢化剂温度效应的原因:氢化锆温度升高后,堆芯1eV以下的中子能谱明显硬化,使吸收截面遵守1/v律的发射极、接收极、不锈钢包壳和套管、慢化剂等区域的中子吸收明显减少,而由于采用了超高富集度燃料,燃料的吸收截面和裂变截面在低能区为非1/v律,这使得燃料芯体的中子吸收增加,裂变反应率增大,中子产生率也随之增大。与此同时,堆芯的总中子吸收率减小,且由于采用了较厚的高效铍反射层,中子泄漏率增加也不大,使得中子总消失率的增量比产生率的增量低很多。以上这些因素最终使TOPAZ-Ⅱ反应堆呈现出正的慢化剂温度效应。3.4栅元效应的影响对TRIGA型反应堆,氢化锆与浓缩铀(富集度约20%)均匀混合在一起制成燃料元件,大量低能中子在燃料中产生。温度升高后,氢化锆与燃料的中子能谱同时变硬,除增加中子泄漏和燃料的共振吸收外,还增大低能中子从燃料中的逃脱几率,使低能中子在燃料棒外被吸收的几率增大,降低热中子利用系数,反应性下降,这就是所谓的栅元效应。栅元效应是TRIGA型反应堆具有很大的瞬发负温度系数的主要原因。而在TOPAZ-Ⅱ反应堆中,氢化锆与超高富集度(96%)的燃料分开布置,低能中子主要在慢化剂内产生。氢化锆升温主要使慢化剂等区域的中子能谱硬化,降低氢化锆、不锈钢、单晶钨等材料对低能中子的吸收,而燃料在低能区的非1/v吸收和非1/v裂变特性使燃料的中子吸收增加,裂变反应率和中子产生率也随之增加,从而产生正温度效应。因此,氢化锆与燃料的布置方式和燃料富集度的差异是它们产生不同慢化剂温度效应的主要原因。4慢化剂温度的影响与TRIGA堆等采用氢化锆作为慢化剂的反应堆不同,TOPAZ-Ⅱ反应堆具有较大的正慢化剂温度效应。通过分析氢化锆升