一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法及鈉空泡實驗組件的製作方法

2023-12-11 20:05:37

專利名稱:一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法及鈉空泡實驗組件的製作方法
技術領域：
本發明屬於反應堆反應性系統校正技術領域：
，具體涉及一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法及鈉空泡實驗組件。
技術背景
快中子反應堆是下一代核能系統的主要堆型，其中鈉冷快中子動力堆(簡稱鈉冷快堆)以其技術成熟度及優良性能等優勢，在下一代核能系統開發中佔有重要地位。鈉冷快堆採用液態金屬鈉作為冷卻劑，其鈉空泡反應性效應是設計過程中的重要內容之一，涉及燃料選型、堆芯布置、安全系統及燃料管理、安全分析等。中國實驗快堆是我國首座鈉冷快中子動力堆，為了進行設計驗證，並確立鈉冷快堆安全審評標準，需在該堆上進行鈉空泡反應性價值測量試驗。鈉空泡反應性效應屬於小反應性效應，其準確測量是鈉冷快堆面臨的難題之一。上世紀六七十年代，國外實驗快堆中採用專門試驗通道移動鈉空腔、鈉空泡實驗組件替代燃料組件等方法進行過鈉空泡反應性的測量，國外堆芯組件由於結構不同，形成鈉空腔所採用的密封方法不同，同時由於當時測量和控制技術比較落後，給測量結果造成較大誤差。

發明內容
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的一個目的是提供一種精確的鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法。
本發明的另一個目的是提供一種用於測量鈉冷快堆鈉空泡反應性的鈉空泡實驗組件。
為達到以上目的，本發明採用的技術方案是一種鈉冷快堆鈉空泡反應性價值的測量方法，具體包括以下步驟
( I )在鈉冷快堆物理啟動試驗階段，在堆芯選擇一個測量位置；
(II)在正常操作狀態下步驟(I)中測量位置堆芯燃料組件存在鈉冷卻劑，調節反應堆狀態至微小超臨界狀態，準確記錄微小超臨界狀態下的堆芯狀態參數、各控制棒的棒位以及在上述測量位置的中子探測器計數和反應性儀記錄的反應性數據，根據中子探測器計數擬合計算得出微小超臨界狀態下中子指數增長的倍增周期，進而計算出進行了中子源和死時間修正的基準點的超臨界反應性P !；
(III)完成基準點測量後，降棒停堆，待計數降低到本底時，採用無鈉冷卻劑存在的鈉空泡實驗組件替換步驟(II)的燃料組件，調節預先選取的測量用控制棒，使反應堆狀態恢復至前述微小超臨界狀態，並保證堆芯狀態參數與步驟(II)的堆芯狀態參數相同，其他控制棒恢復至之前基準點棒位，準確記錄在上述測量位置的中子探測器計數和反應性儀記錄的反應性數據，按步驟(II)的方法得到進行了中子源和死時間修正的測量點的超臨界反應性P 2 ；
(IV)由P「P 2得到鈉空泡反應性的測量值；[0010](V)針對所選定的測量位置按步驟(ΙΙ)、(ΠΙ)各重複測量多次，對該測量值進行統計偏差修正，並進行溫度修正、易裂變材料成分區別修正和綜合誤差修正，得到鈉空泡反應性的標準誤差修正值。
進一步，步驟(I)中的鈉冷快堆物理啟動試驗階段已完成燃料裝載試驗、控制棒價值刻度試驗及核發熱點測量試驗。
進一步，步驟(II)、(III)中，反應堆狀態調節至微小超臨界狀態時，中子指數增長的倍增周期為100 120秒；要準確記錄的堆芯狀態參數包括反應堆循環泵轉速、堆芯冷卻劑溫度、覆蓋氣體壓力。
進一步，調節各控制棒時，各控制棒都採用單向提升方式。
進一步，步驟(III)中所採用的鈉空泡實驗組件包括步驟(II)中燃料組件的燃料元件棒區和分別密封連接在該燃料元件棒區上、下部的操作頭、管腳，燃料元件棒區包括固定於柵格板上的成束的燃料元件棒和包容該棒束的外套六角導管，燃料元件棒束之間及燃料 元件棒束與六角導管之間的空隙被操作頭、管腳封閉形成實驗所需的鈉空腔。
再進一步，操作頭包括組件操作端頭和組件上過渡接頭，組件上過渡接頭與燃料元件棒區的六角導管之間密封連接。
進一步，管腳採用適應流量區柵格插孔的結構形式並製作成實心；管腳與燃料元件棒區的六角導管之間密封連接。
本發明測量鈉空泡反應性價值時，採用專門設計的鈉空泡實驗組件，除引入鈉空腔外，其與測量位置燃料組件的結構成分保持最大可能的相似性，以減少結構成分變化引入的反應性對鈉空泡小反應性測量的影響，因此採用本發明方法能較精確測量鈉冷快堆鈉空泡反應性價值；此外，實驗組件設計具備一定的通用性，以保證能測量多個位置的鈉空泡反應性價值，得出其沿軸向的分布。


圖I是本發明提供的用於測量中國實驗快堆鈉空泡反應性的鈉空泡實驗組件的結構示意圖；
圖2是圖I中沿A-A向的截面圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步描述。
以下以中國實驗快堆為例說明所提供的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性價值的測量方法。在具體說明本發明測量方法之前，簡要說明一下測量所使用的燃料組件和鈉空泡實驗組件。
中國實驗快堆採用的燃料組件一般包括燃料元件棒區和分別位於燃料元件棒區上、下部的上、下管座，燃料元件棒區2包括固定於柵格板23上的成束的燃料元件棒21和包容該棒束的外套六角導管22。燃料元件棒21是由包殼管內填充氧化鈾材料芯塊做成的細棒，以三角形式排列成六角形狀，固定於柵格板23上，裝載於六角導管22中。反應堆進行裂變反應時，下管座使鈉冷卻劑進入燃料元件棒區2內部並沿其中的燃料元件棒21向上流動，以帶走產生的熱量。[0023]如圖I所示，中國實驗快堆採用的鈉空泡實驗組件由上述燃料組件改造而成，具體改造方法是用專門設計製造的操作頭I和管腳3分別替換一盒燃料組件的上、下部，並使操作頭I、管腳3分別與燃料組件中部的燃料元件棒區2密封連接，其餘結構及成分與燃料組件一致，並進行氦氣撿漏。
上述鈉空泡實驗組件中，操作頭I包括組件操作端頭11和組件上過渡接頭12。操作頭I不設置出鈉通道，組件上過渡接頭12與燃料元件棒區2的六角導管22之間密封連接，以確保組件內鈉空腔的形成和保持，其他結構與燃料組件相同。
管腳3採用適應所有流量區柵格插孔的結構形式。管腳3不設置進鈉通道並製作成實心，管腳3與燃料元件棒區2的六角導管22之間密封連接，確保實驗組件鈉空腔的形成和保持。
本發明通過採用上述結構布置，即通過操作頭I和管腳3封閉鈉冷卻劑進出燃料組件的所有進、出口，燃料元件棒束之間及燃料元件棒束與六角導管22之間的空隙被操作頭I、管腳3封閉形成實驗所需的鈉空腔。
以下具體說明本發明所提供的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，該方法包括以下步驟
( I )在鈉冷快堆物理啟動試驗階段,在堆芯選擇一個測量鈉空泡反應性的測量位置。
鈉空泡反應性的測量通常在中國實驗快堆的物理啟動試驗階段進行，並且是在已完成燃料裝載試驗、控制棒價值刻度試驗及核發熱點測量試驗之後進行的。
其中核發熱點測量試驗中，測量的核發熱點，反應堆功率約為熱功率IOOkW,相當於滿功率65MW的I. 5%。，而實際的鈉空泡反應性的測量試驗是該功率水平的幾分之一，也就是幾十千瓦的水平，這是全堆79盒燃料組件的功率，平均到實驗組件也就千瓦量級，相對於滿功率狀態是非常低的。並且這種功率水平只維持幾秒的時間，累積發熱很少。鈉空泡反應性的測量試驗是在上述極低功率下、對無鈉冷卻的實驗組件在試驗狀態可能最大功率水平進行釋熱評估，保證其試驗的安全性。
在後續測量開始前，通過換料系統將已製造好的前述鈉空泡實驗組件運輸至堆芯乏燃料貯存阱暫存位置預熱。
(II)在正常操作狀態下步驟(I)中測量位置堆芯燃料組件存在鈉冷卻劑，調節反應堆狀態至微小超臨界狀態，中子指數增長的倍增周期約為100秒，準確記錄微小超臨界狀態下的堆芯狀態參數、各控制棒的棒位以及在上述測量位置的中子探測器計數和反應性儀記錄的反應性數據(該反應性數據為實時的，所以是波狀的數據，實際應用時，取穩定區一段數據的平均值)。
對已準確記錄下來的數據進行處理，即通過對中子探測器計數進行最小二乘法擬合計算得出微小超臨界狀態下中子指數增長的倍增周期，進而採用核反應堆物理中通用的計算方法計算出進行了中子源和死時間修正的基準點的超臨界反應性P 10
(III)完成基準點測量後，降棒停堆，待計數降低到本底時，採用鈉空泡實驗組件替換步驟(II)的燃料組件，此時需要調節預先選取的測量用控制棒，使反應堆狀態恢復至前述微小超臨界狀態，並保證堆芯狀態參數與步驟(II)的堆芯狀態參數相同，其他控制棒恢復至之前基準點棒位，準確記錄在上述測量位置的中子探測器計數和反應性儀記錄的數據，然後按步驟(II)的方法得到進行了中子源和死時間修正的測量點的超臨界反應性p2。
(IV)由P「P 2得到鈉空泡反應性的測量值。
(V)針對所選定的測量位置，按步驟(II)與(III)各重複測量5次，對測量值進行統計偏差修正；並進一步進行溫度修正、易裂變材料成分區別修正以及綜合誤差修正，得到鈉空泡反應性的標準誤差修正值。
本實施例中，根據記錄堆芯狀態比較，對測量結果進行溫度修正，反應性溫度係數可採用計算值或測量值；此外，參照測量位置組件與實驗組件產品說明書的成分區別，主要是易裂變材料成分區別，通過計算給出成分區別的修正值。
測量過程中，為保證鈉空泡實驗組件替換前後狀態的可比較性，需保證堆芯狀態參數不變，例如反應堆循環泵轉速固定為150r pm、堆芯冷卻劑溫度維持在245 255°C、覆蓋氣體壓力調節在5kPa;調節各控制棒時，各控制棒都採用單向提升方式，保證儘量多的 控制棒與基準點棒位一致；此外，還應根據測量前分析計算值恰當選取測量用控制棒，通過調節該控制棒調節反應堆狀態至微小超臨界狀態。
根據本發明提供的方法，用已製造好的鈉空泡實驗組件分別依次替換堆芯5個測量位置中原有的燃料組件，每次替換隻針對一個測量位置，分別獲取5個測量位置處鈉空泡反應性的測量結果，如表I所示。
表I

鈉空泡反應性效應測量/pcm
測量位置 ----
測量校正值溫度修正成分修正標準誤差修正值
①-40. I ±3. O -4+1-43. I ± 5. 8Φ
②-47. 3± 2. 5O+4-43. 3 ±5. 6
③-40.4 ± 2. O+4O-36. 4 ± 4
④—43. 0± I. 5O+3-40. O ± 5. 2
⑤-34 8 + 2. 5-4+2一36· 8 ±5. 6
注①含周期法計數率經過死時間與外源修正，及測量統計偏差；
②考慮綜合誤差±5pcm後的標準誤差。
本發明提供的方法就液態金屬反應堆(包括鈉冷反應堆及鉛冷、鉛鉍冷反應堆)具有通用性，其燃料選型、堆芯布置、安全分析等方法都可以參照採用。對於不同堆芯布置，具體測量位置不一定與實施例完全一樣，但採取典型位置、儘量包容全部流量區、避免在控制棒附近減少幹涉效應等原則是通用的，也就是說，不同堆芯的試驗位置大同小異。
上述實施例只是對本發明的舉例說明，本發明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實施，而不偏離本發明的要旨或本質特徵。因此，描述的實施方式從任何方面來看均應視為說明性而非限定性的。本發明的範圍應由附加的權利要求
說明，任何與權利要求
的意圖和範圍等效的變化也應包含在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，具體包括以下步驟 (I)在鈉冷快堆物理啟動試驗階段，在堆芯選擇一個測量位置； (II)在正常操作狀態下步驟(I)中測量位置堆芯燃料組件存在鈉冷卻劑，調節反應堆狀態至微小超臨界狀態，準確記錄微小超臨界狀態下的堆芯狀態參數、各控制棒的棒位以及在上述測量位置的中子探測器計數和反應性儀記錄的反應性數據，根據中子探測器計數擬合計算得出微小超臨界狀態下中子指數增長的倍增周期，進而計算出進行了中子源和死時間修正的基準點的超臨界反應性PI; (III)完成基準點測量後，降棒停堆，待計數降低到本底時，採用無鈉冷卻劑存在的鈉空泡實驗組件替換步驟(II)測量位置處的燃料組件，調節預先選取的測量用控制棒，使反應堆狀態恢復至前述微小超臨界狀態，並保證堆芯狀態參數與步驟(II)的堆芯狀態參數相同，其他控制棒恢復至之前基準點棒位，準確記錄在上述測量位置的中子探測器計數和反應性儀記錄的反應性數據，按步驟(II)的方法得到進行了中子源和死時間修正的測量點的超臨界反應性P 2 ； (IV)由P「P2得到鈉空泡反應性的測量值； (V)針對所選定的測量位置按步驟(II)、(III)各重複測量多次，對該測量值進行統計偏差修正，並進行溫度修正、易裂變材料成分區別修正和綜合誤差修正，得到鈉空泡反應性的標準誤差修正值。
2.根據權利要求
I所述的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，其特徵在於，步驟(I )中的鈉冷快堆物理啟動試驗階段已完成燃料裝載試驗、控制棒價值刻度試驗及核發熱點測量試驗。
3.根據權利要求
I或2所述的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，其特徵在於，步驟(II)、(III)中，反應堆狀態調節至微小超臨界狀態時，中子指數增長的倍增周期為100-120秒；要準確記錄的堆芯狀態參數包括反應堆循環泵轉速、堆芯冷卻劑溫度、覆蓋氣體壓力。
4.根據權利要求
I所述的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，其特徵在於，調節各控制棒時，各控制棒都採用單向提升方式。
5.根據權利要求
I所述的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，其特徵在於，步驟(III)中所採用的鈉空泡實驗組件包括步驟(II )中燃料組件的燃料元件棒區(2)和分別密封連接在該燃料元件棒區(2)上、下部的操作頭(I)、管腳(3)，燃料元件棒區(2)包括固定於柵格板(23)上的成束的燃料元件棒(21)和包容該棒束的外套六角導管(22)，燃料元件棒束之間及燃料元件棒束與六角導管(22)之間的空隙被操作頭(I)、管腳(3)封閉形成實驗所需的鈉空腔。
6.根據權利要求
5所述的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，其特徵在於，操作頭(I)包括組件操作端頭(11)和組件上過渡接頭(12)，組件上過渡接頭(12)與燃料元件棒區(2)的六角導管(22)之間密封連接。
7.根據權利要求
5所述的一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，其特徵在於，管腳(3)採用適應所有流量區柵格插孔的結構形式並製作成實心；管腳(3)與燃料元件棒區(2)的六角導管(22)之間密封連接。
8.—種鈉空泡實驗組件，其特徵在於，包括燃料元件棒區(2)和分別密封連接在該燃料元件棒區(2)上、下部的操作頭(I)、管腳(3)，燃料元件棒區(2)包括固定於柵格板(23)上的成束的燃料元件棒(21)和包容該棒束的外套六角導管(22)，燃料元件棒束之間及燃料元件棒束與六角導管(22)之間的空隙被操作頭(I)、管腳(3)封閉形成實驗所需的鈉空腔。
9.根據權利要求
8所述的一種鈉空泡實驗組件，其特徵在於，操作頭(I)包括組件操作端頭(11)和組件上過渡接頭(12)，組件上過渡接頭(12)與燃料元件棒區(2)的六角導管(22)之間密封連接。
10.根據權利要求
8所述的一種鈉空泡實驗組件，其特徵在於，管腳(3)採用適應流量區柵格插孔的結構形式並製作成實心；管腳(3)與燃料元件棒區(2)的六角導管(22)之間密封連接。
專利摘要
本發明涉及一種鈉冷快堆鈉空泡反應性的測量方法，包括(Ⅰ)在堆芯選擇測量位置；(Ⅱ)在正常操作狀態下步驟(I)中測量位置堆芯燃料組件存在鈉冷卻劑，調節反應堆狀態至微小超臨界狀態，記錄堆芯狀態參數、各控制棒的棒位以及中子探測器計數和反應性數據，擬合計算出基準點的超臨界反應性ρ1；(Ⅲ)降棒停堆，待計數降低到本底時，採用無鈉冷卻劑存在的鈉空泡實驗組件替換步驟(Ⅱ)的燃料組件，按步驟(Ⅱ)的方法得到測量點的超臨界反應性ρ2；(Ⅳ)由ρ1-ρ2得到鈉空泡反應性的測量值；(Ⅴ)對該測量值進行各種修正。本發明還提供用於該方法的鈉空泡實驗組件。採用本發明的方法和組件能夠得到比較準確的鈉空泡反應性價值。
文檔編號G21C3/16GKCN102810338SQ201210295960
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月17日
發明者喻宏, 周科源, 胡贇, 楊曉燕, 剛直, 陳儀煜 申請人:中國原子能科學研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan