研究堆燃料的~(235)U富集度对材料核发热的影响.pdf

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1、 第37卷第3期原子能科学技术Vol.37,No.32003年5月Atomic Energy Science and TechnologyMay 2003研究堆燃料的235U富集度对材料核发热的影响沈 峰,柯国土,袁履正(中国原子能科学研究院 反应堆工程研究设计所,北京 102413)摘要:以中国先进研究堆(CARR)为研究对象,就采用不同235U富集度的燃料对堆内燃料区和非燃料区核发热的影响进行了分析。分析结果表明:不同235U富集度的燃料对燃料区影响极微。对非燃料区占核发热主要份额的光子热按来源进行了分类,并以CARR堆冷源的冷包为例,从理论分析和程序(MCNP)计算两方面进行了探讨。关键

2、词:研究堆;235U富集度;核发热;光子中图分类号:TL352128文献标识码:A 文章编号:100026931(2003)0320255204The Effect of Nuclear Heating on MaterialWith Different Enrichment of235U in Research ReactorSHEN Feng,KE Guo2tu,YUAN L 2zheng(China Institute of Atomic Energy,P.O.Box275233,Beijing102413,China)Abstract:The effects of nuclear he

3、ating on material in both fuel regions and non2fuel regionsare analyzed with different enrichment of235U in China advanced research reactor(CARR).The results show that the heating effect in fuel regions can be neglected.In non2fuel regions,theheating which is the main contribution of nuclear heating

4、 is classified in different origi2nal sorts and analyzed by both theoretical analysis and MCNP calculations with the exampleof CARR cold neutron source moderator cell.Key words:research reactor;enrichment of235U;nuclear heating;2rays收稿日期:2002202205;修回日期:2002204211作者简介:沈 峰(1973),男,江苏东台人,工程师,核工程专业 近年来

5、,由于高浓铀燃料的潜在核扩散风险,世界研究试验堆低浓化组织(RERTR)积极倡导使用低浓化燃料(235U富集度低于20%)。低浓化带来的问题之一是它增加了堆内一些部件的核发热。本工作以中国先进研究堆(CARR)冷源装置的冷包为例,从理论分析和程序计算两方面对使用不同235U富集度的燃料对材料核发热的影响进行分析探讨。1 堆内核发热区域划分反应堆的核发热情况可按燃料区和非燃料区进行划分。反应堆在功率运行时,热功率的绝大部分由核裂变产生。每种可裂变核在发生核裂变时释放出的裂变能量差别不大,单位时间内的核裂变次数(以下简称裂变率)与功率间可建立一种近似正比的关系。一般认为,燃料内的核发热绝大部分来源

6、于裂变碎片的动能,其它,诸如中子碰撞热和光子热等所占比例很小1。在给定反应堆功率下,核裂变率是确定的,而每次核裂变被燃料区吸收的能量基本上是相同的,所以,不同235U富集度的燃料对燃料区核发热的影响很小,可不予考虑。与燃料区不同,非燃料区的核发热主要来自于中子与材料的碰撞热、光子热及材料活化产物的衰变热。这些核发热随着反应堆类型、堆内位置、可裂变燃料的核素构成非燃料区的材料性质和辐照时间的不同而异,情况较为复杂。对于一般非燃料区材料而言,光子热所占比例较大。其中,U裂变时产生的光子、裂变产物的光子和U(n,)反应产生的光子占了绝对份额。因此,对非燃料区,不同235U富集度的燃料产生的光子导致的

7、核发热是不同的。2 研究方法1)以CARR为研究对象,对不同的235U富集度和相同的堆芯结构、功率水平及U装载量进行研究。CARR设计采用235U富集度为19175%的U3Si22Al弥散型合金作为燃料。2)理论分析计算中部分采用点堆模型和单群近似。3)程序计算采用求解粒子输运问题的蒙特卡罗程序MCNP24A。通过引进裂变产物缓发光子库,使该程序计算光子热具有高的精度。3 光子热来源分类及分析311U裂变产生的光子裂变率Rf(s-1)与核功率P(W)之间的关系可表述为:Rf=P1.60210-13?Ef=3.4671010P(1)式中:?Ef为每次235U核裂变时释放的平均能量,?Ef200

8、MeV1。从反应堆内单位时间的裂变反应考虑,裂变率Rf还可表述为:Rf=mi=10VNi(?r)fi(En)(?r,En)dVdEn(2)式中:m为可发生裂变反应的核素种类(对于由235U和238U组成的燃料,m=2);i为可发生裂变反应的第i种核素;Ni为第i种核素的原子核密度(cm-3);fi为第i种核素的微观裂变截面(cm2);为中子注量率(cm-2s-1);V为燃料元件体积(cm3);?r为描述空间位置的矢量;En为堆内中子能量(MeV)。在热堆中,对于由235U和238U组成的燃料,核发热主要来源于235U裂变及占很少份额的238U快裂变。考虑到1次238U裂变释放的瞬发光子引起的核

9、发热和1次235U裂变的差别不是很大,因此,可以忽略238U的裂变,近似认为全部由235U核裂变释放的光子引起非燃料区的核发热。因此,式(2)可简化为:Rf=0dEnVN5(?r)f5(En)(?r,En)dV(3)采用单群近似和点堆模型,式(3)简化为:Rf=N5f5V(4)当235U富集度不同时,由反应堆核功率相等(裂变率相等)得:bNf5bV=cNf5cV(5)式中:b、c为235U的两种富集度;N为U的原子核密度;b、c分别为富集度为b和c时对体积的平均中子注量率。式(5)可简化为:bb=cc(6)由光子引起的核发热率可表述为:?Q=0(E)E(E)dE(7)式中:E为光子能量(MeV

10、);为计算区域的光子注量率(cm-2s-1);E(E)为光子能量为E时的能量吸收系数(cm-1)。上式表明:若光子能谱一定,堆内结构和计算区域的材料亦一定,计算区域的核发热率仅与光子的注量率成正比。由此可见:在给定反应堆核功率条件下,采用不同235U富集度燃料的反应堆,由U裂变产生的光子对非燃料区核发热的贡献是相同的。312U裂变产物的光子虽然U裂变产生的裂变产物随时间变化而变化,但若假定反应堆已运行了相当长时间,不管是慢饱和或快饱和裂变产物,其放射性活652原子能科学技术 第37卷度基本上都处于饱和状态2。处于这种平衡状态下,可近似认为其导致非核燃料区的核发热与堆核功率成正比,由此可忽略23

11、5U富集度引起的U裂变产物的光子的差别。313235U(n,)产生的光子由235U(n,)产生的光子强度与单位时间内235U发生(n,)反应的次数成正比。当235U富集度分别为b和c时,235U(n,)反应率Rb5a、Rc5a分别为(a表示吸收):Rb5a=bNa5bV(8)Rc5a=cNa5cV(9)考虑到式(6),可得:Rb5a=Rc5a(10)由此可知,对于不同235U富集度的堆芯,235U(n,)反应产生的光子引起的非燃料区核发热是相同的。314238U(n,)产生的光子当235U富集度分别为b、c时,238U(n,)反应的反应率分别为:Rb8a=(1-b)Na8bV(11)Rc8a=

12、(1-c)Na8cV(12)考虑到式(6),则两种235U富集度下的238U(n,)反应反应率之比A为:A=Rc8aRb8a=(1-c)b(1-b)c(13)这表明,对于不同235U富集度的堆芯,由238U(n,)反应生成的光子对非燃料区核发热的影响是一种近似反比的关系,即随着235U富集度的下降,238U(n,)反应产生的光子热增加速度将加快,所占份额逐渐增加。使用MC2NP程序计算不同235U富集度下238U(n,)反应产生的光子热与235U富集度为0103时该部分光子热的比值,计算结果与理论结果示于图1。从图中可看出:计算结果基本上证实了理论分析的正确性。315 其它光子除235U和23

13、8U外,反应堆中还存在着许多轻核核素和一些重核核素,有些核素的成分随时间变化而变化,其与中子的反应及衰变过程释放出许多能量不同的光子(包括二次光子)。由于这些光子热在反应堆中所占份额一般较小,其对非燃料区核发热的贡献也很小。图1235U富集度增加时238U(n,)反应产生的光子热的变化Fig.1Nuclear heating by 2rays generatedwith238U(n,)reaction+MCNP程序计算值;理论公式推导值因此,当使用不同235U富集度燃料时,该部分光子对非燃料区核发热的影响很小。4235U富集度对CARR冷源的影响CARR冷源装置中,光子热是冷源系统核发热的主要

14、组成部分。对冷包材料的光子热进行计算,得到不同235U富集度下冷源系统的光子热(表1)。从表1可看出:随着235U富集度的降低,总光子热增加速度加快,由238U(n,)反应生成的光子引起的核发热比例快速增加,这与式(13)相一致。表1238U(n,)反应产生的光子热Table 1Nuclear heating due to238U(n,)reaction235U富集度总光子核发热率(Wg-1)238U对发热率的贡献(Wg-1)238U贡献的比例0103116100194801590110019640130201310120018610119901230150017330107101101100

15、016620100001005 结论1)在使用不同235U富集度燃料的反应堆中,235U富集度对燃料区域的核发热影响很小。2)对非燃料区域,当235U富集度减小时,752第3期 沈 峰等:研究堆燃料的235U富集度对材料核发热的影响238U(n,)反应生成的光子引起的核发热快速增加,其它光子引起的核发热基本上保持不变。3)CARR选 用 的235U的 富 集 度 为19175%,在此条件下,238U(n,)反应生成的光子贡献的光子热为23%。参考文献:1 谢仲生,尹邦华,潘国品.核反应堆物理分析(第三版)M.北京:原子能出版社,1994135.2Anon.Reactor Physics Con

16、stants ANL25800(Sec2tion Edition)M.Washington:United StatesAtomic Energy Commission,1963.629.紫外光谱学与紫外激光Ultraviolet Spectroscopy and UV Lasers编者:Prabhaka Misra。2002年Marcel Dekker出版。本书内容广泛,主要涉及从紫外(UV)光源和真空紫外(VUV)光源直到吸收光谱、发射光谱与荧光光谱技术的最新进展。适于从事光学、物理学、光学工程、分析化学、生物学以及激光技术中的光谱研究的科研人员阅读,同时也可作为以上学科的研究生与高年级学生

17、的参考教材。本书分14章,内容如下:11UV光源与VUV光源 考察了这些光源的辐射源,评估了监测UV辐射的关键因素;21 紫外光区中放电等离子体的激光光电谱学 概述了激光的光电流效应;31 紫外光中CO+、N+2和NO的Isotopmers光谱 介绍了空心阴极放电管的实验数据,并分析了这些粒子的电子光谱;41UV与VUV中光吸收截面测量 简要说明了1980年以前的截面测量,讨论了当前用于UV和VUV精确截面测量的可行方法;51 应用荧光和飞行时质量监测的UV与VUV激光光谱 评论了各向异性晶体中倍频振荡产生的UV激光的原理与技术;61 双原子与三原子分子的光谱及应用 介绍了15716 nm辐射

18、源 分子氟激光器的有用特性;71 可调谐固体UV与VUV激光器 全面评论了产生可调谐短波长激光的全固态概念,概要分析了基本非线性效应的一般原理;81 宽带隙氟化物晶体中的三价稀土离子的VUV激光光谱 考察了用于VUV光谱学的方法与技术,特别讨论了分子氟激光器与VUV吸收光谱;91 基于三价稀土离子的宽带UV发射材料光谱学 讨论了宽带UV激光系统中的最新进展,提供了在掺杂稀土离子的不同基质中的亚稳能级的荧光寿命数据;101 在强光场中由非线性方法产生的相干UV与VUV辐射 重点介绍了连续振荡、四波混合与高次谐波振荡;111 全固态、短脉冲、可调谐的UV激光源 考察了用有效频率转换的现有UV激光系统,讨论了新的固体激光器材料;121 由非线性频率转换产生的二极管抽运皮秒UV激光器 着重介绍了与研制小型、有效、可靠的二极管抽运短脉冲固体激光器有关的问题;131 大气UV光谱学 概述了UV遥感测量领域,介绍了处理原始数据和提取大气参数的数据分析技术;141 天文学中的紫外光谱 介绍了早期测量和记录UV天体光谱时所遇到的困难。摘自中国原子能科学研究院 科技信息852原子能科学技术 第37卷