中国实验快堆缓发中子探测系统的瞬态模拟与分析

　　中国实验快堆缓发中子探测系统主要通过探测因堆芯燃料元件包壳的接触性破损而进入一回路的裂变产物产生的缓发中子确定元件包壳的破损情况,并给出报警信号,以便运行人员能够迅速采取措施,防止包壳破损的进一步发展,从而保证反应堆的运行安全。为更有效地设置报警阈值,有必要了解探测到的缓发中子信号与燃料元件包壳破损程度之间的定量关系,这就要求必须根据该系统的结构特点和工作原理来建立计算模型,根据所建模型进行计算机模拟计算。由于在开堆、提升功率、紧急停堆等瞬态工况下燃料温度会发生急剧变化,对燃料元件的包壳会产生较大影响,因此,在这些瞬态工况下,燃料元件包壳更易发生破损。本工作对这些瞬态工况下缓发中子探测系统的信号进行动态模拟,并对模拟结果进行物理分析。

　　1　计算模型

　　缓发中子探测系统是通过探测由破损燃料元件泄漏到一回路钠中的裂变产物释放出来的缓发中子来判断燃料元件是否发生破损的。8个缓发中子探测器分别安装在4个一回路中间热交换器附近,一回路钠的循环流动将泄漏到堆芯处一回路钠中的缓发中子先驱核输运到中间热交换器,在这附近释放的缓发中子会被探测器探测,根据探测到的中子量,可确定燃料元件破损与否及破损的程度。因此,缓发中子探测的计算模型需要考虑以下过程:1)缓发中子先驱核从燃料芯块释放到燃料芯块与包壳的间隙;2)缓发中子先驱核从芯块与包壳间隙泄漏到一回路钠中;3)缓发中子先驱核跟随一回路钠的流动由破损燃料元件处被输运到中间热交换器;4)缓发中子先驱核释放出的缓发中子向中子探测器扩散并被探测。

　　1.1　先驱核从燃料芯块释放到燃料芯块与包壳的间隙

　　缓发中子先驱核由燃料芯块向外释放的机理较为复杂,目前,普遍认为主要有3种释放模型[1]:反冲、热扩散和击出模型,其中,反冲和热扩散占主要份额,击出的部分可忽略。因此,这里只考虑反冲和热扩散模型。

　　1)反冲模型

　　反冲是指在燃料芯块表面产生的具有一定初始动能的缓发中子先驱核不经过任何碰撞直接逃离燃料芯块的过程。它在低温(<1 000℃)条件下起主要作用。该过程的计算式[2]为：

　　1·3　先驱核跟随一回路钠的流动由破损燃料

　　元件处被输运到中间热交换器[4]由于缓发中子探测器安装在中间热交换器的附近,因此,在中间热交换器附近的流动钠中所包含的缓发中子先驱核释放出的缓发中子均可能被探测到而必须予以考虑。把这些区域(中间热交换器附近的流动钠区)分成29个不同的缓发中子释放区(图1),并根据一回路钠的流场计算结果,计算出缓发中子先驱核从破损燃料元件处流向各缓发中子释放区所需的时间。