快中子反应堆样品反应性价值测量技术

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反应性价值实验是用于中子核反应截面检验和调整，以及截面灵敏度和不确定度分析程序考核的重要宏观基准实验。由于它对反应堆状态变化的灵敏性，反应性价值实验在反应堆中子输运行为预测研究，特别是核临界安全分析方面也发挥着重要作用。

中国工程物理研究院核物理与化学研究所、北京应用物理与计算数学研究所在20世纪70年代就认识到了反应性价值实验的重要性。1978年科研人员就提出了利用高浓铀金属系统开展样品反应性价值实验，进而发展中子核反应截面灵敏度分析研究和计算不确定度评价研究的设想，但此项工作未能开展。中国核数据中心、清华大学、西北核技术所等的研究工作仅涉及微扰理论、截面灵敏度分析理论及相关商业程序开发和应用，没有关于反应性价值实验研究的公开报道。

2012年开始，核物理与化学研究所利用高浓铀快中子反应堆开展了样品反应性价值测量实验研究，掌握了周期法测量样品反应性价值的实验技术，利用该技术准确获得了金、铁、钒、铍等核工程结构材料在高浓铀反应堆内的样品反应性价值数据。

1  实验装置及控制机构改进

实验选择在高浓铀快中子反应堆(CHEUR)上进行，CHEUR包括控制棒、下活性区、中心钢托盘、上活性区和反应性调节环组件，结构简洁且具有二维对称性，非常适合临界基准实验研究。CHEUR的反应性控制机构包括主安全块和控制棒。主安全块由下活性区和机械传动构成，升起主安全块与中心钢托盘密合过程的传动定位精度为0.05 mm。控制棒位于下活性区中心，材料为高浓铀，以插入活性区的深度表示控制棒位置，内限深度95.00 mm，外限深度为0.00 mm。

实验测得控制棒定点控制最大误差0.67 mm，为了确保反应性价值实验的准确性，对控制棒传动机构进行了改进。如图1所示，在控制棒电动推杆上增加了物理限位功能，使得控制棒只能在内限挡块和外限挡块规定的区间移动。通过设定内限挡块的位置，可以精确实现控制棒的定点传动。改进后控制棒的定位控制精度可以达到0.05 mm。

2  实验设计

实验测量对象为核工程常用结构材料：金、铁、镍、钛、铜、铝、钒、铍、镉、银、铬、铅、锆。金的中子散射截面相对准确，可以作为今后理论模拟与实验结果相比较的重要参考；铁、镍、钛、铝等材料的核数据在近年的基准实验检验中被提出，需要进一步调整和降低数据不确定度。样品为圆柱型，尺寸为f20.00 mm×9.00 mm、f15.00 mm×9.00 mm和f12.00 mm×9.00 mm，是综合考虑周期法反应性测量精度和反应性微扰理论后确定的。

由于测量对象都属于中子散射材料，选择在CHEUR顶端开展反应性价值实验。CHEUR顶端由内向外是A、B、C、D四个反应性调节环，通过控制每个调节环的有、无，变换调节环的材料(钢、高浓铀)来实现反应性调节。将调节环A、B取走，用不锈钢托盘代替(见图2)，托盘中心样品槽尺寸与上述实验样品相匹配。

 根据以往反应堆运行记录和控制棒刻度曲线，采用MCNP程序进行辅助设计，确定此次实验的运行状态为：调节环D为高浓铀，C为不锈钢，A、B被钢托盘代替，主安全块密合，控制棒内限，反应堆达到超缓发临界12~15￠(￠为相对反应性单位)。此时的反应堆功率增长周期大小适中，有利于周期法反应性准确测量。

3  实验过程和结果

金、铁、镍、钒、铍等高纯金属样品由北京有色金属研究院提供，为天然丰度材料，杂质含量<0.1%；反应性价值实验所需不锈钢样品托盘加工、样品和钢托盘之间的公差配合(-0.02 mm)由二所非标车间完成。

实验首先运行反应堆至上述状态，采用正周期法测量反应堆的功率上升周期进而得到反应性；停堆，向样品槽内加入样品；再次运行反应堆重复上述状态，测量反应堆的功率增长周期、反应性；通过两次实验的反应性差异计算样品在反应堆样品槽位置的反应性价值。实验在一天中11:00~14:30进行，确保环境温度稳定。在测量功率增长周期的过程中，将反应堆功率严格限制在0.5~5 W，确保反应堆温度不会因裂变释能而发生明显变化。实验时间、功率控制等通过前期预备实验确定。

表1为部分直径12 mm样品的实验测量数据。实验过程中主传动、控制棒的位置重复性很好，反应堆的堆体温度也没有明显改变。实验使用两套周期测量仪同时进行测量，由周期计算反应性的过程中使用的是G.R.Keepin的6群缓发中子群参数，两套周期仪的测量结果一致性很好。表2为所有样品的反应性价值测量结果。 

表 1  部分直径12 mm样品的实验数据

样品	主传动/mm	控制棒/mm	周期测量仪I		周期测量仪II		温度/℃
			周期T/s	反应性/￠	周期T/s	反应性/￠
空	0.04	94.96	46.96	13.16	47.07	13.17	19.8
金	0.04	94.97	38.71	15.08	38.77	15.07	19.8
铁	0.04	94.98	40.76	14.55	40.88	14.53	19.8
镍	0.05	94.98	39.43	14.89	39.48	14.88	19.9
钛	0.05	94.96	42.90	14.04	42.97	14.02	19.9
铜	0.04	94.96	39.71	14.82	39.76	14.81	19.9

表 2  不同直径样品反应性价值测量结果

4  测量不确定度

从实验方法、实验设计、实验过程控制等方面进行梳理，确定样品反应性价值实验的测量不确定度可能来自以下几个方面：

周期法测量反应性引入不确定度u_S。通过检定周期测量仪，分析周期法测量反应性、反应性价值的过程和区别，确定u_S=0.003￠，主要是测量过程中的统计不确定性贡献。

缓发中子群参数引入的不确定度u_D。由周期法测量原理决定，根据引入群参数的测量误差及传递关系进行计算，不同反应性价值数据对应的不确定度有差异。反应性价值1~2￠,u_D=0.02￠；反应性价值2~3￠,u_D=0.03￠；反应性价值3~4￠,u_D =0.05￠；反应性价值~5￠,u_D=0.06￠。

反应堆运行不重复性引入的不确定度u_C。由多次重复实验测量获得反应堆运行不重复性对反应性测量的影响，进而得到对样品反应性价值测量的影响。u_C=0.072￠。

综上所述，以上采用周期法测量得到的CHEUR堆样品反应性价值数据，其合成标准不确定度<0.1￠。实验的主要不确定度来源是反应堆的运行不重复性，缓发中子群参数对实验结果的影响也比较大。

通过改进反应堆控制棒传动机构进行，合理设计反应堆运行状态，优化实验条件，以及选择适合的缓发中子群参数，实现了周期法样品反应性价值的准确测量，掌握了样品反应性价值实验测量技术。实验同时获得了金、铁、镍、钒、铍等13种核工程结构材料的样品反应性价值数据，测量结果的合成标准不确定度<0.1￠。实验技术、实验数据为我国中子核反应截面检验、调整以及截面灵敏度程序考核等工作提供了基本保障。