一种基于中子平均能量的次临界系统次临界度测量方法

摘要

本发明提供一种基于中子平均能量的次临界系统次临界度测量方法，其包括：在堆芯布置单个或多个探测器，测量探测器位置所有中子的平均能量；通过SuperMC等程序或替代燃料等实验方法，得到探测器位置处外源中子和裂变中子各自的平均能量；通过SuperMC等程序计算外源中子相对裂变中子的中子价值；利用得到的外源中子平均能量、裂变中子平均能量和外源中子价值，从探测得到的所有中子平均能量计算得到待测的次临界度；也可以在测量之前得到中子平均能量与次临界度的刻度曲线，对于待测状态，在测得所有中子平均能量之后，利用刻度曲线得到待测状态的次临界度；在上述过程中的测量或计算中子平均能量过程，只测量或计算高能部分中子，可以显著提高测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及测量次临界系统次临界度测量的技术领域，尤其涉及一种基于中子平均能量 的次临界系统次临界度测量方法。

背景技术

加速器驱动次临界系统通过外源中子驱动裂变堆芯裂变产生裂变中子，同时释放能量。 由于外源中子和裂变中子能谱和分布不同，其在堆芯不同位置处的平均能量也不相同；次临 界系统中，与次临界度对应的系统有效增殖因子k_eff可以表示为裂变中子在所有中子的份额。

由于堆芯所有中子的平均能量除与外源中子平均能量E_s和裂变中子平均能量E_f相关外， 还与两种中子的比例相关，因此可能通过所有中子的平均能量求得次临界系统的次临界度。

在已有的手段中，可以通过SuperMC等程序计算给出外源中子和裂变中子单独存在时 各自的平均能量，也可以通过替代燃料的方法测量出各自的平均能量。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于中子平均能量的次临界系统次临界度测量方法，该方 法避免传统测量方法由于其基于点堆假设而在次临界系统中不适用的弊端。本发明涉及的方 法直接基于次临界度的含义，通过测量堆芯中子的平均能量进行测量。

本发明采用的技术方案为：一种基于中子平均能量的次临界系统次临界度测量方法，所 述该次临界系统为带外源中子的加速器驱动次临界系统，所述方法包括以下步骤：

步骤(101)、通过程序计算或替代燃料的实验，得到堆芯中单个或多个位置P处的外源 中子平均能量E_s,ave；

步骤(102)、通过程序计算或临界实验，得到上述步骤中位置P处的裂变中子平均能量 E_f,ave；

步骤(103)、通过程序计算，得到外源中子相对与裂变中子的中子价值

步骤(104)、在次临界系统运行过程中，测量得到上述步骤中P处位置所有中子的平均 能量，通过以下关系式得到系统源有效增殖因子k_s：

$k_s=\frac{E_{s,\mathrm{ave}}-E_{\mathrm{ave}}}{E_{s,\mathrm{ave}}-E_{f,\mathrm{ave}}}$

其中，E_ave为整个堆芯内所有中子的平均能量；

步骤(105)、在得到源有效增殖因子k_s之后，由以下关系式得到待测次临界度k_eff：

其中，其所需参数E_s,ave、E_f,ave、未知情况下，通过如下步骤完成次临界度测量：

步骤一、多次改变次临界系统的状态，测量得到这些状态下探测器位置处的中子平均能 量；

步骤二、对于上述步骤一中的次临界状态，通过其它测量手段得到对应的次临界度；

步骤三、将上述步骤一、二中一系列次临界状态的中子平均能量与次临界度建立刻度曲 线；

步骤四、对任一次待测临界状态，测量得到探测器位置处的中子平均能量，之后利用上 述步骤三中的刻度曲线得到系统的次临界度值。

其中，在计算或测量中子平均能量时，统计的中子可选择所有能量的中子或是仅选择高 能量段例如大于等于7MeV中子并获得不同测量精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明方法利用外源中子与裂变中子平均能量不同进行测量，对于加速器驱动 次临界系统(ADS)具有天然适用性；

(2)、本发明方法原理上未做点堆假设，具有更高的测量精度，可以测量较深的次临 界度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。

图1表示的是本发明一实例的测量方法流程图；

图2表示的是本发明实例提供的铅冷快堆的堆芯布置示意图；

图3利用所有中子的平均能量建立刻度曲线并进行测量得到的测量值与真实值的比较；

图4表示的是利用高能中子的平均能量建立刻度曲线并进行测量得到的测量值与真实值 的比较。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附 图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种基于中子平均能量的次临界系统次临界度测量方法，其流程图如图1 所示。包括如下步骤：

步骤(101)、通过SuperMC等程序关闭燃料裂变截面进行计算或通过替代燃料的实验， 得到堆芯中单个或多个位置的外源中子平均能量；

步骤(102)、通过SuperMC等程序进行计算或临界实验，得到步骤(101)中同样位 置的裂变中子平均能量；

步骤(103)、通过SuperMC等程序进行计算，得到外源中子相对于裂变中子的中子价 值；

步骤(104)、在堆芯中与步骤(101)相同位置处，布置单个或多个探测器测量中子的 平均能量；

步骤(105)、利用上述步骤中得到的参数，求得系统的次临界度。

可选的，上述步骤(101)至(103)的参数在无法得到的情况下，可以通过其它测量方 法(如脉冲源法)测量多个状态(通过调节控制棒等)的次临界度，再由步骤(104)中测 得的平均能量，反推得到上述步骤(101)至(103)的参数。

可选的，在不实现上述步骤(101)至(103)的前提下，可以通过其它测量方法(如脉 冲源法)测量多个状态(通过调节控制棒等)的次临界度，再与步骤(104)中测得的平均 能量建立刻度曲线。之后对于待测的状态，在通过步骤(104)测得中子的平均能量后，可 以根据该刻度曲线进行测量。

可选的，在上述步骤(101)、(102)和(104)中，可以只得到高能中子的平均能量， 并利用高能中子的平均能量进行测量，可以显著提高测量精度。

为解决传统测量方法在次临界系统中不适用的问题，本申请提供了一种不基于点堆方程 而是基于平均能量的次临界度测量方法。该方法原理简单，易于实现，其原理为：

从已有的资料中，可以知道系统有效增殖因子k_eff与源有效增殖因子k_s具有如下的关系：

上式中的表示的是外源中子相对于裂变中子的价值；

假设某一稳态时刻，堆芯内中子中有n_s个由外源直接释放的中子，有n_f个裂变产生的中 子，其平均能量分别为E_s,ave和E_f,ave。则整个堆芯内所有中子的平均能量E_ave为：

$E_{\mathrm{ave}}=\frac{n_s{E}_{s,\mathrm{ave}}+n_f{E}_{f,\mathrm{ave}}}{n_s+n_f}---\left(2\right)$

由源有效增殖因子k_s的定义可以知道：

$k_s=\frac{n_f}{n_s+n_f}---\left(3\right)$

由(2)式和(3)式可以得到：

E_ave＝(1-k_s)E_s,ave+k_sE_f,ave＝E_s,ave-k_s(E_s,ave-E_f,ave)  (4)

$k_s=\frac{E_{s,\mathrm{ave}}-E_{\mathrm{ave}}}{E_{s,\mathrm{ave}}-E_{f,\mathrm{ave}}}---\left(5\right)$

在测得中子平均能量后，可由(5)式得到源有效增殖因子k_s，再由(1)式可得到系统 有效增殖因子k_eff，进而可以得到系统的次临界度。

可选的，在上述原理介绍中，可以通过只对高能中子进行分析以提高测量精度。

可选的，如果外源中子平均能量E_s,ave、裂变中子平均能量E_f,ave以及外源中子价值不 可知的情况下，假设：

(1)外源中子和裂变中子在次临界度改变时能谱不发生或发生很小变化，即可以认为 E_s,ave和E_f,ave保持不变；

(2)外源中子价值(效率)在各种工况下不发生变化，或退而求其次，只随次临界 度改变而改变，这实际上是忽略了外源价值在不同工况时的改变；

在如上假设前提下，则可以通过建立中子平均能量与次临界度的刻度曲线进行测量。

为详细说明本发明申请的实施方式，下面在一个参考堆芯上进行了通过刻度曲线进行测 量的模拟实验：

图2是一个铅冷次临界堆芯示意图，其中外源中子在中间组件产生，裂变中子在燃料区 域产生。

(1)首先通过同步调节控制棒得到不同的状态，得到不同状态的理论次临界度：这里 使用SuperMC计算得到的理论k_eff代替其它实验手段(如脉冲源法)的测量结果；

(2)对于步骤(1)中得到的不同状态，通过“模拟”探测器—1-6#探测器进行模拟测量， 可以得到堆芯中子平均能量；

(3)使用步骤(1)和(2)中得到的理论次临界度与中子平均能量建立刻度曲线；

(4)对于次临界系统的任意不同状态(如异步调节各个控制棒的棒位)，利用1-6#探测 器模拟测量中子平均能量，并利用步骤(3)中得到的刻度曲线进行测量，得到待测状态的“测 量”次临界度。

对图2所示的模拟堆芯进行了模拟测量，期间利用程序直接计算模拟得到堆芯中子平均 能量，结果如图3所示：其中横坐标为堆芯所有中子的平均能量，纵坐标为各个不同状态的 理论次临界度。在图3中还标识出了五个待测状态相对于刻度曲线的位置。

本申请发明还提供了进一步提高测量精度的方法：

(1)首先通过同步调节控制棒得到不同的状态，得到不同状态的理论次临界度：这里 使用SuperMC计算得到的理论k_eff代替其它实验手段(如脉冲源法)的测量结果；

(2)对于步骤(1)中得到的不同状态，通过“模拟”探测器—1-6#探测器进行模拟测量， 可以得到堆芯高能中子的平均能量；

(3)使用步骤(1)和(2)中得到的理论次临界度与高能中子平均能量建立刻度曲线；

(4)对于次临界系统的任意不同状态(如异步调节各个控制棒的棒位)，利用1-6#探测 器模拟测量高能中子平均能量，并利用步骤(3)中得到的刻度曲线进行测量，得到待测状 态的“测量”次临界度。

对图2所示的模拟堆芯进行了模拟测量，结果如图4所示：其中横坐标为高能中子(7MeV 以上)的平均能量，纵坐标为各个不同状态的理论次临界度。在图4中还标识出了五个待测 状态相对于刻度曲线的位置。