“启明星1#”外推临界中子空间效应研究

【摘要】：加速器驱动洁净核能系统(简称ADS)是国际公认的嬗变长寿命核废物的最强有力工具,目前ADS研究是世界各国核能研究的热点。中国原子能科学研究院于2005年建成世界上首个“快-热”耦合ADS实验装置-“启明星1#”,为了研究“启明星1#”装置元件装载量与有效增殖系数keff的关系,确定次临界度水平,并研究不同空间位置处的元件对中子倍增的贡献,在该装置上开展了外推临界实验。外推临界实验结果发现不同空间位置处探测器中子计数率变化规律不同,尤其是快热交界处探测器计数率在装载热区元件后出现了先减小后增大的反常现象,如何合理解释这样的物理现象是“快-热”耦合ADS中子学研究所面临的问题。 本文首先对“启明星1#”实验装置外推临界实验进行了全尺度数值模拟,验证计算工具的可行性;其次研究了进入探测器的中子能谱随元件层数的变化并根据堆内中子能谱特点将中子分为快、热两群,研究了相应的中子通量空间分布在外推临界实验中的演变,发现了探测器1#、2#、3#计数率变化成因,再其次通过快区中子裂变与俘获反应率随快区元件装载的变化,发现探测器4#计数率随快区元件层数的变化原因,最后通过热区元件裂变反应率随热区元件层数的变化,发现导致探测器4#在有热区元件装载后出现反常的原因。 本文研究结果表明: (1)对于某一确定外源,进入探测器1#、2#、3#的中子能谱基本不随元件层数增加发生变化。仅有快区元件装载时,由于“已填满快区-未填满快区-热区”三者形成“部分反射条件”,使得进入探测器的中子数与探测器计数率随快区元件层数增加而减小;有热区元件装载后,“部分反射条件”消失,由于堆内中子水平随热区元件层数增加而增大,使得进入探测器的中子数与探测器计数率增大。 (2)对于某一确定外源,在仅有快区元件装载时由于快区内存在裂变与俘获竞争,使得进入探测器4#的热区反射热中子数与探测器计数率随快区元件出现先增大后减小的现象;有热区元件装载后,由于初始3层热区元件对其外侧反射热中子具有屏蔽效应,使得装载1-3层热区元件时,进入探测器的热中子数与探测器计数率随快区元件出现先减小后增大的反常现象;热区装载3层以上元件后,由于裂变中子向快区运动时可以得到充分慢化,使得进入探测器的热中子数与探测器计数率随热区元件层数增加而增大。 (3)在仅有快区元件装载时,由于能量越高的外源中子诱发阈裂变的几率越高,使得探测器4#计数率达峰值时所需的快区元件层数随外源能量增大而增加,对于252Cf、Am-Be和D-T外源,计算结果表明:峰值计数率对应的快区元件层数分别为3、4和6层。