热管型空间堆弱源启动过程的中子随机输运规律研究

The space nuclear reactor was the key power system to support the human future deep space exploration missions. The heat-pipe cooled space nuclear reactor with the high inherent safety was considered as the one of the most important space nuclear reactors. Presently, there were many research challenges for the physical start-up of heat-pipe cooled space nuclear reactor, especially for the start-up with the weak-neutron source or without neutron source. These researches owned very high physical requirements and scientific research value. However, the physical essence of the start-up of heat-pipe cooled space nuclear reactor without neutron source obviously was the results of the neutron stochastic transportation process in the weak radiation field. This program firstly intended to build 2D stochastic neutron transport calculation model adopting the generalized semi-Markov process (GSMP) method; secondly, this program would discuss the neutron transport character in the weak radiation field, the inherent physical performance of the fast reactor after start-up, and the requirement for the neutron detector in the heat-pipe cooled space nuclear reactor’s start-up without neutron source. Meanwhile, these calculations would be verified through the pulsed-experiment of the fast critical reactor. Therefore, the researches of this program will provide important experiment data and reference for the heat-pipe cooled space nuclear reactor in the study of reactivity control and physical design.

空间反应堆是支持人类未来深空探测任务开展的关键能源。热管型空间堆由于具有高固有安全特征，被认为是未来需要重点研究的一种堆型。目前，热管型空间堆的物理启动研究，特别是弱源或无源启动研究，存在诸多挑战，并具有很高的现实需求和研究价值，而实现热管型空间堆弱源或无源启动的核心是澄清对弱辐射场的中子随机输运特性的认识。本项目拟采用广义半马尔可夫过程（GSMP）模拟方法，建立二维中子随机输运模型；进而通过中子随机输运计算程序，研究热管型空间堆在弱辐射场环境下中子随机输运特性，探索热管型空间堆物理启动过程的物理特性与探测器中子探测响应规律，并通过实验加以验证。本项目的研究成果将为热管型空间堆的反应性控制方法和理论设计提供重要数据和参考。

热管型空间堆具有很高的固有安全特性，其弱源或无源启动研究，是未来热管型空间堆应用面临的重要挑战之一，因而具有很高的现实需求和研究价值。实现热管型空间堆弱源或无源启动的核心是澄清对弱辐射场的中子随机输运特性的认识。.本项目首先对启动过程进行物理分析并解耦，并通过对随机输运方程进行了求解与程序的编译，获得了对中子随机输运过程有了初步的认识；同时，为了验证程序的有效性，利用Godiva超缓发临界0.7$的无源启动实验数据进行了初步验证，计算程序得到平均时间和均方差分别为：30.6s 和 3.36s，实验平均时间和均方差分别为：31.8s和6.26s。这一结果初步验证了程序的有效性。.为了分析无源启动的相关影响因素，利用随机输运计算程序，项目组先后开展了源强对临界等待时间的影响分析、引入反应性对临界等待时间的影响分析、探测器对源强中子响应要求的影响分析。整体上看，要确保系统的临界安全，需要降低引入反应性的速率或者大小，同时，外中子源或者本底中子源的大小则直接影响着启动所需的时间。.为此，为了进一步研究宇宙环境影响，项目组利用SAFE400热管堆模型，分析了宇宙射线源强影响和控制鼓转动过程对探测器的监控影响。计算表明在宇宙高能射线作用下，堆芯的中子内生源强接近 5000cps；控制鼓的布放位置会直接影响堆芯反应性的监控，从而影响启动过程的管理。.最后，为了验证结果的有效性，项目组利用CFBRII临界装置开展了无源启动验证实验。随机输运计算程序的结果为(1101s±22s)，与实验结果(1093s±32s)相符合，进一步验证了程序的有效与上述分析结果的有效。