[发明专利]一种无空间效应的次临界度逆动态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及次临界系统次临界度的测量技术领域，尤其涉及一种无空间效应的次临界度逆动态测量方法。

背景技术

核废物的最少化是核裂变能可持续发展的关键问题。加速器驱动次临界系统(ADS)是一种高效的核废料嬗变器，是解决核废物的关键技术。ADS由中能强流质子加速器、外源中子产生靶和次临界反应堆构成，是一种高效的核废物嬗变器(或焚烧炉)。ADS由加速器产生的质子束流轰击设在次临界堆中的重金属靶件(如液态Pb或Pb-Bi合金)，引起散裂反应，再通过核内、核外级联反应产生中子驱动次临界堆运行。反应堆的次临界度是ADS的核设计、安全评审以及运行控制的关键参数之一。将来ADS的运行和安全的中心问题是在线监测次临界度，以必须确保使反应堆运行在设计的次临界度范围内及在任何条件下都避免临界或缓发临界。

目前常用反应性测量用的方法有：源倍增法(ASM)，渐近周期法，跳源法，落棒法，脉冲中子源法，振荡法，逆动态法，噪声分析法，平均能量法，以及最近针对ADS次临界堆反应性测量的流强-通量法(Current to Flux method)和改进的源倍增法(MSM)，针对次临界监测所需要的在线测量要求，这些方法各有优缺点和适用情况：最典型的反应性测量方法-渐近周期法由于受到短周期限值安全限制，只能用于小的，阶跃正反应性测量，而负反应性测量受到缓发中子先驱核半衰期的影响，一般不用于测量负反应性，且测量时间长，无法做到实时；落棒法不能用于不含有控制棒的ADS次临界度测量；跳源法可用于ADS次临界度测量，但需要外源阶跃扰动，而ADS正常运行时需要稳定源强(长时间燃耗行为需要外源小幅变化以维持功率不变不属于瞬态时次临界度监测范围)，跳源必然引起功率波动，且跳源后计数统计误差较大，无法做到连续在线实时监测分析；脉冲中子源可用于ADS冷态启动或低功率次临界度测量，高功率动力堆中外中子源并非运行在脉冲状态而不能使用；平均能量法建立次临界度与堆芯中子平均能量的一一对应关系，有待进一步实验证实；源倍增法用于反应堆启动过程燃料装载的临界程度外推，目前已有研究尝试将改进的源倍增法用于ADS次临界度测量，并且近期国际上也有用于ADS次临界度监测的流强-通量法，但这些方法均属于静态测量方法，在次临界度较浅时，缓发中子影响增大，而该方法不能考虑缓发中子响应，流强-通量法需要不间断的定期采用其他方法进行刻度加大了方法使用的复杂度。

理论上说，逆动态法可以针对任意反应性(正负)引入类型做到反应性在线实时测量，可响应缓发中子效应，相对其他的反应性测量方法，它利用了最完整的动力学模型求解，可以测量在变化过程中的瞬时反应性ρ(t)，这样能够及时发现意外添加的反应性，以便迅速采取措施，保证反应堆的安全运行；且不同于在待测系统中加入反应性扰动，也不同于加入额外的中子源的测量方法，逆动态法仅通过堆内中子通量密度计数的变化求解动力学方程，不会对堆正常运行产生干扰。逆动态法用于临界堆的较为成熟，已经制作出各种堆用的反应性仪，强外源驱动的次临界系统特别加速器驱动的次临界反应堆次临界度测量，逆动态的应用需要解决2个问题：(1)次临界点堆动力学方程的有效性；(2)外源引入后的刻度和参考次临界度测量问题；

第一个问题可以反过来考虑：次临界点堆动力学方程有效所应满足的假设条件如果能够在堆芯某些空间位置得到满足，即可证明该方程能够有效应用到次临界度测量，根据次临界点堆动力学公式推导可以看出，只要有源中子通量密度形状函数分布不随时间变化，则次临界点堆动力学模型有效，次临界逆动态法即可应用。

次临界点堆动力学导出及假设条件的满足：

随外中子源相关的瞬态中子-先驱核耦合方程的算符表示如下：

(1-1a)：

(1-1b)：

其中Φ为Φ(r,E,Ω,t)，F为裂变中子产生率算符，M为吸收、泄露造成的中子损失率算符，S_d为缓发中子源项算符，代表缓发中子的时间相关项，F_d为缓发中子静态源项算符，S为外中子源项，ξ_k为第k组缓发中子先驱核浓度，υ为中子速度。

选择初始状态λ模式伴随通量作权重函数(以考虑不同能量，不同位置，不同角度中子通量密度的贡献)乘以(1-1a)式，并对空间、能量积分(用[]表示)，得：

(1-2)：

将中子通量密度函数因子分解如(1-3)，新增一个自由度，但并未近似，p(t)为幅度函数，为形状函数：

(1-3)：