ADS次临界实验装置--启明星1#

文章介绍加速器驱动次临界系统（ADS）中次临界实验装置——启明星1#的设计目的、要求、结构和可开展的工作。启明星1#是由快中子能谱区和热中子能谱区耦合组成的堆芯和由高压倍加器氘-氚反应中子源来驱动的次临界系统。快中子能谱区处在堆芯内部，该区提供快中子谱，还可放大外中子源，以驱动热区；热中子能谱区处在堆芯外部，主要用来能量放大，以维持装置的链式裂变反应。     

启明星1#次临界装置上第2阶段实验研究

启明星1#次临界装置建成后,在第1阶段的实验研究即用Am-Be稳态外中子源驱动启明星1#次临界装置,Am-Be稳态外中子源的平均中子能谱约4MV,初步测量了其中子学特性后,又于2005年10月到11月进行了第2阶段的实验,,即用高压倍加器产生的脉冲外中子源驱动启明星1#次临界装置。高压倍加器产生的脉冲外中子源能谱为14MV,测量其中子学特性,包括:1)验证第1阶段的实验,外推临界质量;2)跳源方法测量启明星1#的不同装载时的次临界度;3)用脉冲外中子源驱动启明星1#次临界装置,测量不同装载下不同空间位置的中子衰减特性等。其中,外推临界质量与第1阶段…     

3 启明星1#次临界装置上第1阶段实验研究

在启明星1#次临界装置设计、加工过程中，先后建立在线、瞬时响应的测量仪器一次临界反应堆多时空动态测量系统，该系统包括16个^3He探测器及其前置放大器、16个主放大器、16个甄别成型单道及1台16通道同时信号采集和分析器，可测量ADS启明星次临界实验平台对加速器束流的瞬时响应。     

4 ADS次临界实验装置——启明星1#

加速器驱动的次临界系统（ADS）是嬗变放射性核废物、有效利用核资源及产生核能的装置。该系统包括中能强流质子加速器、外源中子产生器和次临界反应堆。当加速器加速的高能质子轰击重金属靶（如铅）时，与重金属靶核发生散裂反应，一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，用散裂产生的中子作为中子源作用于次临界反应堆上，次临界反应堆发生并维持链式反应，在一定功率下运行。因此，ADS概念一经提出就受到极大关注，被世界核能界公认为是目前解决大量放射性废物，降低深埋储藏风险的最具潜力的工具。     

4 启明星1#次临界装置上第2阶段实验研究

启明星1#次临界装置建成后，在第1阶段的实验研究即用Am-Be稳态外中子源驱动启明星1#次临界装置，Am-Be稳态外中子源的平均中子能谱约4MV，初步测量了其中子学特性后，又于2005年10月到11月进行了第2阶段的实验，即用高压倍加器产生的脉冲外中子源驱动启明星1#次临界装置。     

启明星1#次临界装置的裂变率分布

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、14MeV。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。     

启明星1#次临界中子学动态实验研究进展

在次临界实验平台启明星1#上开展中子学动态实验研究有助于深入了解和认识ADS系统的中子学时空特性,对今后合理设计、安全运行ADS次临界系统具有重要意义。ADS次临界中子学动态实验研究已经取得很大进展。建立了ADS次临界实验中子通量密度时空分布测量与数据采集系统。该测量与     

ADS启明星Ⅱ号临界外推实验

正启明星Ⅱ号ADS零功率实验装置,是以原重水零功率堆为基础建造的具备水堆和铅堆双堆芯的临界实验装置,于2016年12月底完成调试。随后在启明星Ⅱ号水堆和铅堆上分别实现了首次临界,并开展了一系列反应堆中子物理学参数测量实验,如控制棒价值、燃料元件价值、散裂靶价值、中子通量密度分布等,以及一系列次临界反应性监督实验。首先根据二分之一装料原则向堆芯装料,通过布置在石墨反射层内的启动监测装置记录每次     

7 启明星1#次临界中子学动态实验研究进展

在次临界实验平台启明星1#上开展中子学动态实验研究有助于深入了解和认识ADS系统的中子学时空特性，对今后合理设计、安全运行ADS次临界系统具有重要意义。ADS次临界中子学动态实验研究已经取得很大进展。     

跳源法在启明星1#次临界装置中的应用

简要介绍了跳源法在启明星1#次临界装置上测量次临界度的原理、外源驱动的次临界中子学实验装置、堆芯布置及中子源驱动系统。主要研究了中子源在堆芯轴向中心位置、不同装载情况下的反应性变化,并给出不同的有效倍增系数keff。实验测量结果与理论计算结果进行了比较,结果符合较好。     

启明星1#快热交界面能谱变化对外推临界实验结果影响分析

加速器驱动的次临界系统（ADS）基准装置启明星1#在外推临界实验过程中,快热交界面探测器计数率与其他位置探测器计数率存在较大异常。本工作对该实验装置外推临界实验开展数值模拟,并对快热交界面的中子能谱进行详细计算,根据计算结果对探测器在外推临界实验中的计数率异常现象进行分析。结果表明,快热交界面能谱随燃料装载量的变化是引起探测器计数率异常的主要因素,这为今后快热耦合次临界实验装置开展中子学实验研究提供了理论依据。     

启明星1#次临界装置热中子能谱区裂变率分布测量

启明星1#是我国专门为开展加速器驱动次临界系统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。采用MCNP程序对堆芯裂变率分布进行指导性计算,并参考计算结果布置探测片,用固体核径迹探测器测量了堆芯热区裂变率分布。测量结果显示:堆芯有反射层一端的裂变率比无反射层一端的高;轴向加装反射层末端的裂变率明显增大。测量结果对确定热区的裂变功率提供了数据。     

启明星1#次临界装置内不同位置探测器的中子计数率变化

在启明星1#次临界装置上进行了次临界外推实验,外中子源分别采用Am-Be中子源和252Cf中子源,放置在启明星1#次临界装置中心,中子探测器放置在次临界装置内不同位置,研究相对中子计数率的变化。实验测量结果表明:在启明星1#次临界装置不同位置的探测器测量得到的中子计数率变化不同,但对外推结果影响不大。     

临界实验装置水位外推达临界方法优化研究

带乏燃料的临界实验装置可用于开展乏燃料贮存相关的临界实验研究,考虑到其具有较高放射性,因此开展实验时最佳方法是水位外推达临界方法。目前该带乏燃料的临界实验装置尚未建成,遂使用与其堆芯结构、物理特性相似的铀棒栅轻水慢化临界实验装置开展水位外推达临界方法的模拟实验。在该实验中,由于水的屏蔽作用随水位上升不断加深导致无法得到正常的外推曲线。本文通过蒙特卡罗程序模拟外推过程,研究了中子源与探测器在不同的相对位置处中子计数率随水位变化的规律,给出了探测器与中子源的优化布置方案。此外,还提出一种以水位价值作为外推参数的外推方法,消除了水位高度外推时水位系数不均匀的影响,使得外推结果更准确。     

启明星1#中子通量密度测量实验

启明星1#是由1个快中子能谱区/热中子能谱区耦合组成的堆芯和由外中子源来驱动的次临界系统。快中子能谱区在堆芯内部,热中子能谱区在堆芯外部,快区不仅能够提供快中子能谱,还可放大外中子源用于驱动热区,热中子能谱区主要用来能量放大以维持装置的链式裂变反应。在此装置上开展通量测量实验是为了了解这种新型快热耦合装置跟其它装置相比有何异同,分别用高压倍加器驱动产生的氘氚反应和镅铍外中子源研究整个堆的通量分布,以便于开展核嬗变研究工作。在此装置上进行4种情况下的中子通量密度分布实验:1)空装载时的快区中子通量分布(利用镅铍…     

ADS启明星1#次临界反应堆缓发中子有效份额的测量

本文提出了利用改进的源倍增法测量次临界系统的绝对反应性与跳源法测量的相对反应性相比获得缓发中子有效份额β_eff的方法。用改进的源倍增法测量了ADS启明星1#次临界反应堆某次临界状态下的绝对反应性为-2.235×10^-3。在相同的次临界状态下,用跳源法测量了以β_eff为单位的反应性ρ/β_eff为-0.291 5 $,二者相比得到ADS启明星1#次临界反应堆的缓发中子有效份额为0.007667。利用MCNP建模计算的结果为0.007 783,两者在2%内符合。     

5 启明星1#中子通量密度测量实验

启明星1#是由1个快中子能谱区／热中子能谱区耦合组成的堆芯和由外中子源来驱动的次临界系统。快中子能谱区在堆芯内部，热中子能谱区在堆芯外部，快区不仅能够提供快中子能谱，还可放大外中子源用于驱动热区，热中子能谱区主要用来能量放大以维持装置的链式裂变反应。在此装置上开展通量测量实验是为了了解这种新型快热耦合装置跟其它装置相比有何异同，分别用高压倍加器驱动产生的氘氚反应和镅铍外中子源研究整个堆的通量分布，以便于开展核嬗变研究工作。     

启明星1#实验装置ks、keff和ψ*的模拟计算

用MCNP程序对启明星1#实验装置(Venus 1#)的ks、keff和ψ*进行模拟计算.在装置的源区、快区、反射层、屏蔽层已定条件下,逐层增加热区燃料元件,每增加1层,对ks、keff和ψ*进行1次计算,共增加了13层,最终得到keff为0.962 46,满足了Venus 1#的设计要求.元件层数增加,ψ*先增后降,当增至12层时,ψ*又明显增大.外源位置和能量对ψ*有影响,外源在轴向离中心越近、能量越高,ψ*越大.