启明星1#次临界装置的裂变率分布

启明星1#次临界装置的裂变率分布
王璠;朱庆福;陈熙萌;权艳慧
【摘要】启明星1#次临界装置是我国为开展加速器驱动的次临界系统(ADS)研究而建立的国际上第1个具有快-热耦合结构的次临界反应堆实验装置.启明星1#次临界装置在确定的装载下、由不同能量的外中子源作用时,利用MCNP程序分别对装置快中子能谱区、热中子能谱区燃料元件的径向及轴向裂变率分布进行模拟计算,所使用外中子源的中子能量分别为2 5、5、14 MeV.计算结果表明:在外中子源源强相同的情况下,源中子能量越高,裂变率越大;在源中子能量相同的情况下,次临界反应堆的轴向裂变率分布为中间高、两端低,径向裂变率分布在快中子能谱区先减小后增大,而热中子能谱区则是先增大后减小,然后,随着接近反射层又逐渐增大.该裂变率分布计算结果为后续实验测量和探测器布置提供了参考.
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2010(044)010
【总页数】4页(P1191-1194)
【关键词】加速器驱动的次临界系统;启明星1#次临界装置;MCNP程序;裂变率分布
【作者】王璠;朱庆福;陈熙萌;权艳慧
【作者单位】兰州大学,核科学与技术学院,甘肃,兰州,730000;中国原子能科学研究院,反应堆工程研究设计所,北京,102413;中国原子能科学研究院,反应堆工程研究设计所,北京,102413;兰州大学,核科学与技术学院,甘肃,兰州,730000;中国原子能科学研究院,反应堆工程研究设计所,北京,102413
【正文语种】中文
【中图分类】TL326
加速器驱动的次临界系统（ADS）被国际核能界广泛认为是嬗变核废料的最强有力工具［1］，国际原子能机构把它列入新型核能系统中，称之为“新出现的核废物嬗变及能量产生的核能系统”［2－3］。

系统依靠加速器加速高能质子与重靶核发生散裂反应产生大量中子，散裂中子作为外中子源驱动次临界反应堆，使次临界反应堆在一定功率下运行［4］。

ADS既可嬗变核废物特别是次锕系核素，又可产能供给电力系统。

不论嬗变核废物还是产能，都与次临界反应堆系统的裂变率有关。

次临界反应堆系统的有效倍增因数k eff确定后，系统的裂变率与外源强度、能量及位置有关。

本工作对我国的ADS——启明星1＃次临界装置进行裂变率分布计算，旨在对今后的实验工作进行预测。

1 理论
令n（v）为在中子速度v附近单位速度间隔d v内的中子密度，则总中子密度n 为：
根据中子注量率的定义，则总中子注量率φ为：
式中：φ（v）＝n（v）v，为中子速度为v的中子注量率。

若用能量E表示中子速度，则总中子注量率φ（E）也可写成：
中子注量率分布为反应堆的设计和运行提供数据，但中子注量率不能直接测量，而是通过中子与物质相互作用的核反应来进行测量，即测量的是中子与物质作用的核
反应率。

对于中子与裂变材料反应的核裂变率R可写为：
其中：Σ（E）为裂变截面，即能量为E的中子与裂变材料发生核反应的平均数。

在实验上通过对核裂变率分布的测量可验证反应堆的设计，并为运行提供数据。

为此，有必要先进行理论计算，为今后实验测量提供参考。

本工作用MCNP程序对启明星1＃次临界装置的裂变率进行计算。

图1 启明星1＃轴向（a）及径向（b）切面Fig.1 Axial（a）and radial（b）tangent plane of Venus 1＃sub－critical assembly
2 启明星1＃次临界装置［5］
启明星1＃次临界装置布置示于图1。

图1a为堆芯轴向布置图，图1b为堆芯径
向布置图，轴向中心为活性区，径向由源区、快中子能谱区（快区）、热中子能谱区（热区）、反射层、屏蔽层组成。

图2示出堆芯局部示意图，即MCNP程序需要描写的结构。

考虑要与实验结果校核，为实验时方便，只在前端加反射层和屏蔽层。

各区的具体参数参见文献［5］。

3 计算方案
堆芯装载量为：快区264根＋6个半根，热区2 046根。

中子源位于堆芯中心。

利用MCNP程序计算了不同能量外源作用下，装置快、热区不同位置的裂变率，共模拟了D－T、Am－Be、252 Cf等点源，它们的能量分别为14、5、2.5 Me V。

计算时，将堆芯轴向快区燃料元件分为20段，热区燃料元件分为14段，每段为
5 cm，分别计算每一段的平均裂变率；堆芯径向分别计算距堆芯中心不同距离每
根元件的裂变率；最后给出裂变率分布。

4 计算结果及讨论
表1、2列出不同能量外源作用下单位源中子引起的径向快区及热区裂变率分布情
况。

从表1、2可看出，在外中子源源强相同的情况下：1）源中子能量越高，裂变率越大，这是与物理规律相一致的，同时说明在快区内，源中子能量越高，快裂变贡献越大；2）径向裂变率分布为在快区先减小后增大，说明在快区内，源中子在最内层作用较大，随径向远离源位置，其作用减小，因此裂变率也逐步减小，直到接近热区附近，由于热区裂变率高于快区（大1个量级），快区和热区是双向耦合的，使得热区的中子耦合到快区，增加了快区的裂变率；3）热区则是先增大、后减小，然后随着逐渐接近反射层又逐渐增大，这与一般反应堆变化规律相一致。

该裂变率分布计算结果为后续实验测量和探测器布置提供了参考。

图2 源区（a）、快区（b）、热区及反射层（c）的局部示意图Fig.2 Location of neutron source zone（a），fast neutron zone（b），thermal neutron zone and reflector（c）
表1 快区径向裂变率Table 1 Fission rate distributions of fast neutron section 外源能量/MeV 105快区径向不同位置（cm）裂变率R/（cm－3·s－1）5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 2.5 1.687 27 1.357 24 1.347 75 1.535 21 1.943 37 2.698 01 4.157 54 7.318 69 5 1.837 94 1.490 63 1.473 70 1.651 21 2.085 00 2.873 74 4.417 62 7.670 30 14 3.202 45 2.514 16 2.414 80 2.650 36 3.268 23 4.485 81 6.854 36 11.974 6
表2 热区径向裂变率Table 2 Fission rate distributions of thermal neutron section外源能量/MeV 104热区径向不同位置（cm）裂变率R/（cm－3·s－1）25.2 26.4 27.6 28.8 30.0 31.2 32.4 33.6 34.8 36.0 37.2 2.5 3.149 48 3.267 20 3.271 37 3.171 84 2.998 48 2.798 02 2.609 19 2.415 28 2.271 02 2.405 38 3.100 33 5 3.256 15 3.432 19 3.460 89 3.331 34 3.157 98 2.968 16 2.734 05 2.519 82 2.410 23 2.508 07 3.258 05 14 4.992 77 5.176 44 5.133 3 4.961 87
4.723 92 4.446 92 4.068 72 3.800 72 3.622 74 3.739 75 4.846 44
图3示出不同外源能量作用下轴向裂变率分布。

由图3可见，在源中子能量相同
的情况下，次临界堆的轴向裂变率分布为中间高、两端低，这与堆芯轴向中子注量率呈余弦分布是一致的，但呈非对称分布，主要是因为装置仅在一端加装反射层，因此，有反射层一端的裂变率高于另一端。

在快区最外圈轴向35 cm处有一拐点，此处为快区、热区、反射层的交界点，因部分中子被反射，使得裂变率有所增加。

图3 不同外源能量作用下快区及热区轴向裂变率分布Fig.3 Fission rate distributions of axial direction driven by different source energy for fast neutron zone and thermal neutron zonea，d——2.5 MeV；b，e——5 MeV；c，f——14 MeV a、b、c为快区，元件距堆芯中心距离（cm）为：■——5.0，●——7.5，▲——10.0，▼——12.5，◀——15.0，►——17.5，◆——20.0，★——22.5；d、e、f为热区，元件距堆芯中心距离（cm）为：■——25.2，●——26.4，▲——27.6，▼——28.8，◀——30.0，►——31.2，◆——32.4，○——33.6，□——34.8，★——36.0，△——37.2
5 结论
蒙特卡罗中子输运程序MCNP能够有效地进行ADS堆芯的裂变率计算，计算结
果表明：1）启明星1＃堆芯轴向裂变率基本呈对称分布；2）启明星1＃堆芯径向裂变率分布符合快－热耦合装置的特点；3）该理论计算结果为今后的实验测量及探测器的布置提供了参考。

【相关文献】
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［2］RUBIA C，ROBIO J A，BUONO S，et al.Conception design of a fast neutron operated high power energy amplifier，CERN/AT/95－44（ET）［R］.Geneva：CERN，1995.
［3］丁大钊.未来核能利用的方案探讨——加速器驱动的放射性洁净核能系统［C］∥加速器驱动的放射性洁净核能系统概念研究论文集.北京：原子能出版社，2000：3－27.
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SHI Yongqian，XIA Pu，LUO Zhanglin，et al.ADS sub－critical experimental assembly—Venus 1＃［J］.Atomic Energy Science and Technology，2005，39（5）：447－450（in Chinese）.。