核反应堆物理实验方法.doc

PAGE PAGE 1 核反应堆物理实验方法 一 临界实验 临界质量的测量 临界质量(或体积)的测量是反应堆物理最重要的实验之一。无论是临界装置或新建的反应堆都需要进行临界实验来确定临界燃料装载量及有关核特性。 向临界趋近实验的基本原理 单群中子扩散方程可表示成 3.88 式中，扩散系数D和是对能谱平均后的数值。是中子源项。 为了使讨论简单起见，我们假定燃料慢化剂系统的形状是一个两边平行，宽度为a的无限大平板。并设在x=0处，有一源强为S(n/s)/cm2的平面源，这时中子扩散方程中的源项应表示为 3.89 经理论分析可导出热中子通量 3.90 其中， 3.91 3.92 n次谐波的几何曲率 3.93 是外中子源用n次谐波展开的系数， 3.94 相应的热中子密度为 3.95 当t是够大，缓发中子先驱核浓度达到平衡后，式（3.95）中第一项衰减至零，中子密度趋近于一个稳定值： 3.96 当系统接近临界时，高次谐波项远小于基波项，可以忽略。此时，堆内稳定的热中子密度趋近于 3.97 或 3.98 式（3.98）的物理意义也可从以下讨论看出。假设外中子源和中子通量都是均匀分布的，设每代放出个源中子，那末经堆的倍增后，第一代的中子是个，第二代的中子有个，…，这样一代接一代地继续下去，系统内的中子总数应该为 3.99 只要满足的条件，当m足够大（）时，式（3.99）趋近于 3.100 这个公式称做次临界公式。它表示了一个次临界装置，在外中子源存在的情况下，系统内的中子数趋近于一个稳定值：实际上装置起着放大中子源强的作用。外中子源越强，相应堆内的中子数目就越多，探测到的中子通量水平就越高；反之亦然。装置内中子数目与有效倍增因子有关。系统越接近于临界，即越接近1，N就越大。当系统到达临界，等于1时，中子数无限的增大，也就是中子数的倒数趋于零。图3.10给出了中子数与有效倍增因子的关系曲线。 1 0 0.96 0.98 1.0 图3.10 与的关系曲线 （2）实验方法 临界实验是这样进行的：在装置处在次临界条件下，通过逐次增加其有效因子的办法，使堆向临界趋近；每增加一次时，必须根据前两次不同值所相应的中子计数率的倒数外推求出堆的估计临界值来确定这次的添加量，一般只能添加到达估计外推临界值所需增加的△的1/3或1/2。这样逐步趋近临界，直到最后求得准确临界为止。到达临界以后，也可根据测得的几个不同的超临界的反应性，反回来外推求得临界值，以资校核。 改变堆内的途径很多，如添加元件改变堆芯横截面的尺寸，增高水位（或液位）改变轴向尺寸，以及控制棒等等。实际进行临界实验时，研究的是中子通量的倒数与燃料元件数或堆芯液位的关系，如图3.11所示。 1/N ρ1 ρ ρ2 ρ1 M1 M2 M H1 H2 Hc H(液位cm) 图3.11 外推临界示意图 横坐标不是,而是与有关的燃料元件数或堆芯液位；纵坐标是中子计数率的倒数。当堆趋近临界时，中子计数率趋近无穷大，中子计数率的倒数趋近于零。因此，可根据曲线与横坐标轴的交点来确定临界质量，但在趋近临界而未达到临界的实验过程中，我们只能根据前两次的实验点，按曲线沿直线外推与横坐标轴的交点来估计外推的临界值。随着逐渐向临界趋近，外推临界值逐渐趋近真实临界值。到达临界时，将外中子源取走后，堆内的中子通量仍维持不变。 临界实验的测量系统方块图如下： 探测器 探测器 前置放大器 主放大器 甄别器 定时器 定标器 音响装置 高压电源 图3.12 中子计数系统方块图 系统除了有专门的仪器仪表