中子反射層

中子反射層是指核裝料的一種防止中子泄潛心的包覆層。反射層通常由鈹、石墨和鈾238等材料製成。在核反應過程中，中子反射層能把核裝料參與反應放出的而又可能被泄漏的中子反射回反應區，使其參加核反應以提高反應效率，從而可使核裝料的臨界質量明顯減小。

基本介紹

• 中文名：中子反射層
• 外文名：Neutron reflective layer
• 套用：核裝料
• 學科：核化學

概念

中子反射層是指包在裂變裝料外層、中子吸收截面很小的、能把核裝料中逸出的部分中子反射回裂變裝料的殼層。核武器的裂變裝置，一般都設有金屬鈹的中子反射層。有中子反射層的核裝置，裂變裝料的臨界質量較小，可節約裂變裝料。套用於壓水核反應堆的改進中子反射層。這是一種含有中子吸收材料的棒形部件，它具有基本上為正方形的截面形狀。在棒形部件的每一側面上至少形成一個冷卻劑液流槽，該液流槽縱向擴展到棒形部件的整個長度。在一實施例中，棒形部件由包殼管和一些疊放在管內的中子反射塊所組成。包殼管在其初始形狀時為反射塊方便地疊放而提供有足夠的空隙。而在中子反射層投入使用之前，使中子反射層承受足夠的溫度和外加壓力，從而使包殼管塌縮到中子反射塊組件上。從Parratt疊代關係出發,討論了粗糙界面多層膜反射率的計算方法和中子反射實驗中散射矢量分辨及其在數據分析中的考慮；比較了指數項法和劃分薄層法兩種不同界面粗糙度處理方法的異同和使用條件,並結合CoFe/TiZr合金多層膜極化中子飛行時間反射實驗數據分析，比較了不同解析度考慮方法對應的擬合情況。結果表明：當界面粗糙度與膜層厚度相當時,劃分薄層法計算反射率是較合適的算法；波長、角度分辨分別考慮法優於散射矢量整體考慮法。中子-內部結構模型圖如右圖所示。

中子-內部結構模型圖

鈹反射層

鈹反射層光中子效應初探

能量大於 1.692 MeV 的 γ 射線能夠與鈹或氘等“靶核”發生（γ，n）反應。所以用鈹作反射層的反應堆運行時，活性區內會存在少量的光致次生中子，反應方程式如下：

圖 2 考慮光中子前後反應性比對

這些中子的存在增加了緩發中子數目，從而影響了不同狀態時反應堆的反應性。某鈹反射層小型反應堆上大量的實驗測量數據表明，在引入較大的階躍反應性後，反應性隨時間的衰減曲線尾部有上翹的現象，如右圖1所示。

關於緩發中子應指出，在實際反應堆中，γ 射線的能量衰減、吸收和漏失都會使有效光中子產額不同，所以同樣可引進光中子有效係數 Q 來考慮。考慮了光中子後，同樣的漸近周期對應的反應性要大一些，如右圖2所示。

圖1 停堆後反應性隨時間的變化

鈹反射層緩發中子對物理啟動特性影響

相關研究堆採用鈹作反射層，鈹與裂變放出的高能 γ 光子發生（γ，n）反應產生中子，這些中子成為鈹的光激中子。鈹的（γ，n）反應閾能為 1.66 MeV，光激緩發中子的平均能量為 0.67MeV。由於其平均能量低，對熱堆而言，光激中子比裂變瞬發中子的價值高。由於運行任務的需要，研究堆經常需要頻繁的停堆倒換燃料，每次
運行前都要進行物理啟動；因此分析光激緩發中子對物理啟動特性的影響對於確保物理啟動中的安全是非常必要的。

當沒有鈹的光激中子時，反應堆停堆後再啟動必須使用外中子源；有鈹的光激中子後，停堆 12 個月時堆內中子源強仍達約105 s^-1，物理啟動時仍可不需要外加中子源。物理啟動中，當堆芯 k_eff 達到 0.998 時，堆內中子源強是剛開始倒換料時的 90 倍左右，是鈹引起的光激中子源強的 500 倍左右，是 HFETR穩態運行時源強的0.021%左右。反應堆達到臨界狀態時的中子源強和 γ幾乎無關，和向臨界過渡初始時刻的次臨界度關係不大。向超臨界過渡過程中 γ 應小於 10^-4。在緩發超臨界狀態下，在負溫度效應反饋下，反應堆功率會形成“脈衝”式變化，即使僅引入0.3β，反應性堆功率也會增長10⁵倍，功率達到最大值所需要的時間為194s。 在緩發超臨界下，功率增加會引起物理啟動前已投入的“小功率保護”動作而停堆。發生瞬發超臨界的幾毫秒內，堆功率能增長到 10⁴ MW，約40ms達到10⁵~10⁶MW功率峰值。在瞬發臨界狀態下反應堆的保護系統不起作用，必需通過技術和管理手段避免發生瞬發超臨界。