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ADS次临界反应堆核功率和中子通量监测技术研究

何一川  
【摘要】:加速器驱动的次临界系统(ADS)中,加速器束流轰击散裂靶产生一个很强的外部散裂中子源,该散裂中子源驱动次临界反应堆里的核裂变链式反应。也就是说,ADS次临界反应堆的中子空间分布主要由高能散裂中子决定。然而,常见的商用临界反应堆中的中子空间分布是由边界条件决定,因此,ADS次临界堆的中子学特征是不同于商用临界反应堆的中子学特征的,ADS次临界堆的核功率和中子监测方法也将不同于商用临界反应堆的监测方法。本论文探索ADS次临界堆堆芯和堆外中子的监测方法。ADS次临界反应堆功率的控制是通过调节高能质子加速器的束流强度来实现的。ADS堆外中子通量的监测为加速器束流强度的调节和次临界堆功率的控制提供重要的依据。而且,堆外中子通量的监测为反应堆控制和保护系统在启动、运行和停堆等过程中提供必不可少的信息,因此,堆外中子通量监测系统在ADS控制和保护系统中起着至关重要的作用。本文提出的监测方法是利用三套裂变电离室和三套非补偿电离室来监测堆外中子通量。由于裂变电离室可以工作在脉冲、电流和均方电压三个操作模式,裂变电离室能监测很宽范围的中子通量,其范围包括源量程、中间量程和功率量程。本文提出的监测方法增加了独立监测信道的冗余度,提高了保护系统的可靠性,并能获得更多的轴向和径向功率分布的信息。在商用压水反应堆中,堆芯中子通量的测量通常是由几个可移动式的裂变室从反应堆压力容器顶部插入堆芯进行测量。考虑到ADS反应堆顶部已经被加速器束流注入系统和散裂靶冷却系统占用,因此,ADS次临界反应堆堆芯中子通量测量采用固定式的自给能中子探测器。由于散裂中子的通量在垂直方向之间的差异达到三个数量级,本文提出通过监测ADS次临界堆三维堆芯中子通量来进行三维堆芯功率分布的在线再构,其中,堆芯功率的径向分布通过径向布置的多个测量通道来完成,堆芯功率的轴向分布通过测量上、中、下三个垂直位置的中子通量来得到。裂变电离室、非补偿电离室以及自给能中子探测器已经非常成功地应用于商用热中子压水堆,但是中子引起的反应截面随中子能量的变化而变化,这些用于热中子监测的中子探测器不能直接用于ADS次临界堆的快中子监测。为了更准确地监测ADS堆芯和堆外的中子通量,本文提出了一个校准中子探测器的好方法。提出的校准方法主要分为两个步骤:第一步用一个标准的中子源校准中子源的中子通量与中子探测器输出信号之间的关系;第二步通过比较ADS中子能谱和中子源能谱的差异,来计算出一个修正因子。基于Geant4的仿真结果表明,裂变电离室、非补偿电离室和自给能中子探测器的修正因子分别为5、42和26。综上所述,本文的三大主要工作为ADS次临界堆三维堆芯功率分布的在线再构方法、可靠的堆外功率监测方法,以及非常有效的中子探测器校准方法。


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