高 輝，尹延朋，項偉靈，劉曉波，范曉強

(1.中國工程物理研究院中子物理學重點實驗室，四川綿陽621900；2.中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川綿陽621900)

脈沖堆動態(tài)引發(fā)過程中初始反應性的測量

高 輝，尹延朋，項偉靈，劉曉波，范曉強

(1.中國工程物理研究院中子物理學重點實驗室，四川綿陽621900；2.中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川綿陽621900)

提出了脈沖堆動態(tài)引發(fā)過程中初始反應性測量的當量外推方法，由逆動態(tài)反應性測量系統(tǒng)、控制棒定位監(jiān)測系統(tǒng)和裂變脈沖波形測量系統(tǒng)共同獲得的數(shù)據(jù)而得到系統(tǒng)的反應性。此方法在裂變脈沖動態(tài)引發(fā)實驗中成功地得到了應用，獲得了初始反應性及其分布。

反應性； 脈沖堆； 當量外推法

脈沖堆是可超瞬發(fā)臨界爆發(fā)裂變脈沖的裝置，其脈沖可由內(nèi)部固有的內(nèi)源或外加單脈沖中子源來引發(fā)。為了研究脈沖引發(fā)的隨機性規(guī)律，需要開展脈沖堆動態(tài)條件下的引發(fā)脈沖實驗。就是在反應性動態(tài)加載[1]過程中注入單脈沖中子源，源注入時刻定為初始時刻，觀測源注入后裂變脈沖的引發(fā)情況。為了確定實驗的初始狀態(tài)，需要知道初始時刻系統(tǒng)的反應性。

反應性測量方法主要有中子源倍增法、周期法、落棒法、跳源法、震蕩法、逆動態(tài)法、功率譜密度方法、脈沖中子源法等。在脈沖堆動態(tài)過程中反應性在快速變化中，并且中子數(shù)較少，漲落現(xiàn)象強烈，因此上述方法均不適用。

本文提出了用于測量系統(tǒng)動態(tài)變化過程中初始時刻的反應性的當量外推法。由脈沖棒達到某一位置時的已知反應性，根據(jù)脈沖棒的反應性當量外推到初始時刻的反應性。

1 測量原理

在動態(tài)引發(fā)脈沖實驗中，整個過程中反應性在不斷的變化中，因此初始時刻的反應性不能直接測量得到，只能通過間接的方式得到。脈沖棒反應性當量外推法就是先對脈沖棒反應性當量進行刻度，得到脈沖棒的當量函數(shù)ρ(x)。然后測量每一發(fā)脈沖的脈沖棒加載過程，得到加載函數(shù)X(t)和初始時刻的位置X0。同時測量每一發(fā)裂變脈沖的波形，得到峰時刻反應性ρm和峰時刻tm。那么由峰時刻tm和脈沖棒加載曲線就得到了峰時刻脈沖棒的位置為，

Xm=X(tm)

(1)

因此從t0時刻到tm時刻，反應性的增加量為，

Δρ=ρ(Xm)-ρ(X0)

(2)

所以初始時刻t0的反應性為，

ρ0=ρm-Δρ

(3)

這樣由峰時刻的反應性通過當量曲線外推得到了初始時刻的反應性。

因此得到初始時刻的反應性，需要反應性當量刻度、脈沖棒加載測量和波形測量三個系統(tǒng)共同來完成。

脈沖棒的反應性當量刻度采用逆動態(tài)法，對脈沖棒總行程的進行刻度。點堆模型下的裂變系統(tǒng)無源逆動態(tài)學方程[2]如下所示：

(4)

式(4)中βeff是緩發(fā)中子有效份額，Λ為中子代時間，ai第i組緩發(fā)中子相對份額，λi為第i組緩發(fā)中子的衰減常數(shù)，Ci(t)為第i組緩發(fā)中子驅(qū)核總數(shù)?？潭葧r脈沖堆在緩發(fā)臨界附近，待功率達到一定的水平后有電機帶動脈沖棒緩慢插入，同時記錄功率和脈沖棒位置隨時間的變化，把功率隨時間曲線代入式(4)就得到了反應性變化曲線，由時間關(guān)聯(lián)建立反應性和位置的一一對應關(guān)系，便得到了脈沖棒反應性當量曲線，為了方便數(shù)據(jù)分析，由實驗數(shù)據(jù)擬合得到反應性關(guān)于位置x的函數(shù)表達式如下：

(5)

脈沖棒加載測量由定位測量系統(tǒng)[3]完成，爆發(fā)脈沖時對脈沖棒行進的位置進行測量。當脈沖堆動態(tài)方式爆發(fā)脈沖時，脈沖棒采用氣動方式快速打入，由定位測量系統(tǒng)進行全程監(jiān)測，得到脈沖棒位置時間曲線X(t)，初始時刻定在脈沖棒達到X0位置時刻，即當脈沖棒達到位置X0時，系統(tǒng)給出t0信號，其他參數(shù)測量系統(tǒng)也是此為初始時刻。

峰時刻以及對應的反應性有波形系統(tǒng)[4]測量得到。爆發(fā)裂變脈沖時由波形系統(tǒng)對整個脈沖過程的泄漏中子強度進行測量，由裂變脈沖得到峰時刻和對應的反應性。本次實驗中反應性加入速度相對瞬發(fā)中子增殖常數(shù)是較慢的，脈沖峰持續(xù)過程相對較短，反應性可以近似不變，那么脈沖峰的形狀與靜態(tài)情況下相同。因此脈沖峰的波形符合點堆模型下的忽略緩發(fā)中子的對稱性公式[2]：

(6)

(7)

2 實驗測量

在進行動態(tài)引發(fā)脈沖實驗之前進行了脈沖棒的反應性當量刻度實驗。采用逆動態(tài)法測量了CFBR-Ⅱ堆多個超緩發(fā)臨界狀態(tài)，脈沖棒由外限逐步插入內(nèi)限，采用10B電離室測量系統(tǒng)功率變化，同時測量脈沖棒位置信息。為了提高測量精度進行了多次插入、退出脈沖棒重復測量。測量得到脈沖棒當量效率曲線如圖1所示，其總行程為0～175.2mm，脈沖棒有外限到內(nèi)限的反應性當量變化為0～123.2 ￠(1￠=0.01βeff)。

圖1 脈沖棒反應性曲線Fig.1 Reactivity Curve of Pulse Rod

在反應性動態(tài)加入條件下，CFBR-Ⅱ爆發(fā)近百次超瞬發(fā)裂變脈沖。實驗中由定位測量系統(tǒng)得到脈沖棒的位置時間曲線和初始時刻觸發(fā)信號?；贚VDT(Linear Variable Differential Transformer)的快速現(xiàn)場檢測傳感器，以LabView為開發(fā)工具，采用計算機多線程技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)及信號處理技術(shù)等，研制了脈沖棒定位測量系統(tǒng)。定位觸發(fā)采用對射式光纖傳感器和光纖放大器組成，由發(fā)光二極管(LED)向接收器端發(fā)射出一束調(diào)制光，接收器瞬間接收的信號經(jīng)光纖放大器輸出端快速輸出一個低脈沖信號，此信號提供快速定位觸發(fā)，對脈沖棒行進過程進行全程監(jiān)測，當脈沖棒達到X0位置時定為初始時刻t0，此時為中子源和波形參數(shù)測量系統(tǒng)提供觸發(fā)信號。實驗測量得到了每一發(fā)脈沖的位置-時間曲線X(t)，典型的X(t)如圖2所示。脈沖棒由外限到內(nèi)限用時120ms，在末端附近近似勻速運動。

圖2 位置曲線Fig.2 Curve of Position

波形測量系統(tǒng)的時間是與脈沖棒位置測量系統(tǒng)同步的，即脈沖棒達到X0處時，對應波形測量系統(tǒng)的零時刻。波形測量探測器是由塑料閃爍體(ST401)和光電管(GD100)組成，數(shù)據(jù)采集采用的是多通道并行高速數(shù)字化儀(NI-PXI5105)。波形系統(tǒng)對每一發(fā)脈沖均進行監(jiān)測，由式(6)擬合得到峰時刻和對應的瞬發(fā)中子衰減常數(shù)，典型脈沖波形圖如圖3所示。然后由式(2)、式(3)和式(7)獲得初始時刻的反應性。

圖3 脈沖波形Fig.3 Wave of the Pulse

由此得到了所有近百發(fā)脈沖的初始反應性，其分布如圖4所示，相對瞬發(fā)臨界初始反應性的平均值為-2.89 ￠，分布半高寬為0.23 ￠，可見動態(tài)實驗中對初始反應性的控制比較好。

圖4 t0時刻反應性分布Fig.4 Distribution of Reactivity at t0

3 結(jié)論

在脈沖堆動態(tài)引發(fā)過程中，初始反應性雖不能直接測量，但是可以經(jīng)過當量外推法由脈沖峰時刻的反應性外推得到，當量外推法是動態(tài)引發(fā)脈沖實驗中有效的反應性測量方法。

測量結(jié)果顯示，脈沖棒達到某個位置作為初始時刻，其反應性可以控制在較小的波動范圍內(nèi)，可為動態(tài)引發(fā)脈沖實驗提供較為穩(wěn)定的初始狀態(tài)。

[1] 高輝，劉曉波，范曉強.反應性動態(tài)加入對脈沖堆中子脈沖波形的影響[J].核動力工程,2013,34(2)：68-71.

[2] 賀仁輔，鄧門才. 快中子臨界裝置和脈沖堆實驗物理[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2012.

[3] 項偉靈，葉岑明，蔣治國，等. 臨界裝置反應性加入速度測量系統(tǒng)設(shè)計[J]. 核動力工程，2007，28(增刊)：64-66.

[4] 高輝，劉曉波，蔣勇，等. CFBR-Ⅱ堆爆發(fā)脈沖關(guān)閉系數(shù)測量[J].核電子學與探測技術(shù)，2011，31(3)： 315-318.

MeasurementoftheInitialReactivityintheDynamicProcessofInitiatingBurstReactors

GAOHui,YINYan-peng,XIANGWei-ling，LIUXiao-bo,FANXiao-qiang

(1. CAEP Key Laboratory of Neutron Physics, Mianyang, 621900, China；2. Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900, China)

The method of equivalent extrapolation is presented for measuring initial reactivity in the dynamic process of initiating burst reactors. Through this method the reactivity is extrapolated from the data acquired by the reactivity measurement system of the reverse dynamic point reactor model, the measurement system of orientation of control rods and the measurement system of pulse waves. The initial reactivity and its distribution are acquired successfully using the method of equivalent extrapolation in the experiment of initiating pulses on the dynamic state.

Reactivity; Burst reactors; Equivalent extrapolation

2016-12-20

國家自然科學基金青年科學基金項目(11305153)

高 輝(1979—)，男，山東棗莊人，博士，現(xiàn)從事反應堆物理工作

TL329

：A

：0258-0918(2017)04-0560-04