[發明專利]一種無空間效應的次臨界度逆動態測量方法

有效

• 申請號: 201610708257.1
• 申請日: 2016-08-23
• 公開（公告）號: CN106297920B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 張瀟湘;吳宜燦;胡麗琴;楊琪;宋婧
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G21C17/104
• 分類號: G21C17/104
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明涉及次臨界系統次臨界度的測量技術領域，尤其涉及一種無空間效應的次臨界度逆動態測量方法。

背景技術

核廢物的最少化是核裂變能可持續發展的關鍵問題。加速器驅動次臨界系統(ADS)是一種高效的核廢料嬗變器，是解決核廢物的關鍵技術。ADS由中能強流質子加速器、外源中子產生靶和次臨界反應堆構成，是一種高效的核廢物嬗變器(或焚燒爐)。ADS由加速器產生的質子束流轟擊設在次臨界堆中的重金屬靶件(如液態Pb或Pb-Bi合金)，引起散裂反應，再通過核內、核外級聯反應產生中子驅動次臨界堆運行。反應堆的次臨界度是ADS的核設計、安全評審以及運行控制的關鍵參數之一。將來ADS的運行和安全的中心問題是在線監測次臨界度，以必須確保使反應堆運行在設計的次臨界度范圍內及在任何條件下都避免臨界或緩發臨界。

目前常用反應性測量用的方法有：源倍增法(ASM)，漸近周期法，跳源法，落棒法，脈沖中子源法，振蕩法，逆動態法，噪聲分析法，平均能量法，以及最近針對ADS次臨界堆反應性測量的流強-通量法(Current to Flux method)和改進的源倍增法(MSM)，針對次臨界監測所需要的在線測量要求，這些方法各有優缺點和適用情況：最典型的反應性測量方法-漸近周期法由于受到短周期限值安全限制，只能用于小的，階躍正反應性測量，而負反應性測量受到緩發中子先驅核半衰期的影響，一般不用于測量負反應性，且測量時間長，無法做到實時；落棒法不能用于不含有控制棒的ADS次臨界度測量；跳源法可用于ADS次臨界度測量，但需要外源階躍擾動，而ADS正常運行時需要穩定源強(長時間燃耗行為需要外源小幅變化以維持功率不變不屬于瞬態時次臨界度監測范圍)，跳源必然引起功率波動，且跳源后計數統計誤差較大，無法做到連續在線實時監測分析；脈沖中子源可用于ADS冷態啟動或低功率次臨界度測量，高功率動力堆中外中子源并非運行在脈沖狀態而不能使用；平均能量法建立次臨界度與堆芯中子平均能量的一一對應關系，有待進一步實驗證實；源倍增法用于反應堆啟動過程燃料裝載的臨界程度外推，目前已有研究嘗試將改進的源倍增法用于ADS次臨界度測量，并且近期國際上也有用于ADS次臨界度監測的流強-通量法，但這些方法均屬于靜態測量方法，在次臨界度較淺時，緩發中子影響增大，而該方法不能考慮緩發中子響應，流強-通量法需要不間斷的定期采用其他方法進行刻度加大了方法使用的復雜度。

理論上說，逆動態法可以針對任意反應性(正負)引入類型做到反應性在線實時測量，可響應緩發中子效應，相對其他的反應性測量方法，它利用了最完整的動力學模型求解，可以測量在變化過程中的瞬時反應性ρ(t)，這樣能夠及時發現意外添加的反應性，以便迅速采取措施，保證反應堆的安全運行；且不同于在待測系統中加入反應性擾動，也不同于加入額外的中子源的測量方法，逆動態法僅通過堆內中子通量密度計數的變化求解動力學方程，不會對堆正常運行產生干擾。逆動態法用于臨界堆的較為成熟，已經制作出各種堆用的反應性儀，強外源驅動的次臨界系統特別加速器驅動的次臨界反應堆次臨界度測量，逆動態的應用需要解決2個問題：(1)次臨界點堆動力學方程的有效性；(2)外源引入后的刻度和參考次臨界度測量問題；

第一個問題可以反過來考慮：次臨界點堆動力學方程有效所應滿足的假設條件如果能夠在堆芯某些空間位置得到滿足，即可證明該方程能夠有效應用到次臨界度測量，根據次臨界點堆動力學公式推導可以看出，只要有源中子通量密度形狀函數分布不隨時間變化，則次臨界點堆動力學模型有效，次臨界逆動態法即可應用。

次臨界點堆動力學導出及假設條件的滿足：

隨外中子源相關的瞬態中子-先驅核耦合方程的算符表示如下：

(1-1a)：

(1-1b)：

其中Φ為Φ(r,E,Ω,t)，F為裂變中子產生率算符，M為吸收、泄露造成的中子損失率算符，S_d為緩發中子源項算符，代表緩發中子的時間相關項，F_d為緩發中子靜態源項算符，S為外中子源項，ξ_k為第k組緩發中子先驅核濃度，υ為中子速度。

選擇初始狀態λ模式伴隨通量作權重函數(以考慮不同能量，不同位置，不同角度中子通量密度的貢獻)乘以(1-1a)式，并對空間、能量積分(用[]表示)，得：

(1-2)：

將中子通量密度函數因子分解如(1-3)，新增一個自由度，但并未近似，p(t)為幅度函數，為形狀函數：

(1-3)：