中國實驗快堆結(jié)構(gòu)材料輻照裝置設(shè)計

徐西安，張培升，黃 晨，張汝嫻（中國原子能科學研究院，北京 102413）

中國實驗快堆結(jié)構(gòu)材料輻照裝置設(shè)計

徐西安，張培升，黃 晨，張汝嫻
（中國原子能科學研究院，北京 102413）

摘要：為在中國實驗快堆（CEFR）上開展國產(chǎn)快堆包殼材料的輻照試驗，進行了CEFR首個結(jié)構(gòu)材料輻照裝置的設(shè)計。材料輻照裝置的創(chuàng)新設(shè)計基于CEFR的輻照條件和堆芯組件的基本結(jié)構(gòu)，通過在輻照裝置內(nèi)部設(shè)置不同氣隙尺寸的輻照罐，實現(xiàn)了在快堆不同功率穩(wěn)態(tài)運行條件下（40%和100%額定功率）對材料樣品不同輻照溫度（450～600℃）的要求。輻照裝置具有樣品輻照溫度與中子注量率的非在線監(jiān)測功能，其結(jié)構(gòu)具有通用性，能滿足材料輻照標準試樣最大裝載的需要。通過對輻照裝置進行熱工分析和堆外的傳熱驗證試驗、流阻特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證試驗，保證了輻照裝置的設(shè)計能滿足材料輻照任務(wù)的要求。

關(guān)鍵詞：中國實驗快堆；結(jié)構(gòu)材料輻照；輻照裝置

快中子實驗堆的主要任務(wù)是應(yīng)用核裂變產(chǎn)生的快中子進行核燃料輻照試驗、核材料輻照考驗，以及快堆組件設(shè)計、安全驗證試驗等。為了完成試驗任務(wù)，各國快中子實驗堆均建立了獨特輻照裝置，并以此為基礎(chǔ)，進行了大量反應(yīng)堆材料和燃料的輻照試驗研究［1－3］。

我國建成的第1座快中子實驗堆是中國實驗快堆（CEFR），其最大中子注量率為3．7× 1015cm－2·s－1。正常運行的CEFR可作為一先進的中子輻照平臺，開展多種堆芯材料和燃料的輻照試驗，為反應(yīng)堆材料和燃料研發(fā)提供有力的技術(shù)支持。建立快堆輻照技術(shù)的中心問題是為適應(yīng)各種輻照任務(wù)的要求而進行的輻照裝置的設(shè)計、研制。輻照裝置的型式多種多樣，對于CEFR，主要依靠研發(fā)可直接放入堆芯的隨堆輻照裝置來開展結(jié)構(gòu)材料與燃料的輻照試驗。

1　CEFR結(jié)構(gòu)材料輻照裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．1 輻照裝置設(shè)計要求

在CEFR中選擇適當?shù)妮椪瘴恢?，可較快地積累材料的輻照劑量。限于CEFR的條件，輻照裝置的結(jié)構(gòu)只能按照取代1組或幾組堆芯燃料組件或堆芯相關(guān)組件（不銹鋼反射層組件、中子源組件）的方式進行設(shè)計。試驗參數(shù)的測量也只能采用非在線監(jiān)測技術(shù)，即預先在輻照裝置中放置各種探測片，待輻照后進行檢查獲取各種試驗參數(shù)。例如，在輻照裝置中放置具有不同熔點的合金探測片（如Mg－Ni、Al－Si等），輻照后進行檢查，根據(jù)探測片的熔化情況來判定穩(wěn)態(tài)輻照的溫度范圍；在輻照裝置中放置中子探測片，根據(jù)中子探測片的輻照后劑量，確定輻照裝置中的快中子注量率。

綜合CEFR堆芯結(jié)構(gòu)特點與材料輻照試驗任務(wù)，設(shè)計一具有一定通用性的結(jié)構(gòu)材料輻照裝置需滿足以下幾點基本要求。1）輻照裝置應(yīng)與CEFR堆芯其他組件具有相似的結(jié)構(gòu)。2）流經(jīng)輻照裝置內(nèi)部的鈉流量和流經(jīng)管腳外部的鈉流量應(yīng)滿足全堆芯流量分配的限制。3）輻照裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證在將輻照裝置從鈉中取出和對輻照裝置進行清洗時，鈉和洗滌液能從輻照裝置內(nèi)全部排出。4）輻照材料種類與數(shù)量要求：輻照裝置內(nèi)部空間可放置的試驗樣品應(yīng)包括拉伸、雙軸蠕變及微觀分析樣品，樣品數(shù)量應(yīng)滿足標準試驗要求的最低樣品數(shù)。5）輻照溫度要求：輻照裝置設(shè)計應(yīng)保證試驗樣品達到所需的輻照溫度范圍。6）試驗參數(shù)監(jiān)測要求：輻照裝置內(nèi)對試驗樣品的溫度和中子注量率具有非在線監(jiān)測的功能。

1．2 輻照裝置設(shè)計參數(shù)

考慮上述要求，為開展國產(chǎn)快堆包殼材料316（Ti）不銹鋼的輻照試驗，進行了CEFR首個結(jié)構(gòu)材料輻照裝置的設(shè)計。CEFR結(jié)構(gòu)材料輻照裝置設(shè)計參數(shù)列于表1。

1．3 輻照裝置設(shè)計方案

為能快速積累材料樣品中子損傷劑量，材料輻照裝置按放置在CEFR堆芯中心替代原位置的中子源組件進行設(shè)計。考慮和堆芯條件相匹配的要求，采取在CEFR不銹鋼反射層組件（Ⅰ型管腳）的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行輻照裝置的設(shè)計。

表1　 CEFR結(jié)構(gòu)材料輻照裝置設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameter of structural material irradiation rig in CEFR

CEFR不銹鋼反射層組件主要由操作頭、上屏蔽棒、反射體、六角管、下屏蔽棒和管腳組成［4］。材料輻照裝置的設(shè)計方案是：在不銹鋼反射層組件中軸向活性區(qū)部位豎直布置3層材料輻照罐，取代原位置的反射體。將待輻照試驗樣品放置在各層輻照罐中，根據(jù)試驗要求設(shè)計每層輻照罐內(nèi)形成不同的溫度場。將3層輻照罐疊放固定，再與上、下不銹鋼屏蔽棒、六角管、管腳等部件組裝在一起，構(gòu)成與不銹鋼反射層組件外形一致的材料輻照裝置。材料輻照裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　 材料輻照裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of material irradiation rig structure

1．4 輻照罐結(jié)構(gòu)設(shè)計

輻照罐的結(jié)構(gòu)（圖2）設(shè)計是整個輻照裝置設(shè)計的重點。每層輻照罐均采用內(nèi)外雙層套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)外套筒的材料均為不銹鋼。

圖2　 輻照罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Schematic diagram of irradiation capsule

內(nèi)套筒用于放置材料試驗樣品（包括拉伸、雙軸蠕變及微觀分析樣品），并在內(nèi)部充入液態(tài)鈉浸沒樣品，利用液態(tài)鈉良好的熱導性，使同一內(nèi)套筒中的試驗樣品具有基本相同的輻照溫度。充入的鈉量由樣品和內(nèi)套筒的幾何尺寸決定，保證在輻照溫度下樣品完全浸在液鈉中。在內(nèi)套筒頂部留有一定的空腔，充有惰性氣體氦氣。內(nèi)套筒頂部設(shè)計的密封頭結(jié)構(gòu)，便于在手套箱中向罐內(nèi)充鈉和密封。內(nèi)套筒中心布置有1根圓管（中心管），用于放置微觀樣品，同時也作為樣品整體取放結(jié)構(gòu)的支撐件。中心管上布滿孔眼，便于液體的浸入和倒出。

外套筒用于容納內(nèi)套筒，并和內(nèi)套筒之間形成氣隙，在氣隙中充有氦氣。每層輻照罐的外套筒內(nèi)外徑尺寸相同，而內(nèi)套筒內(nèi)外徑尺寸不同，目的是在兩者間形成不同寬度的氣隙。通過設(shè)計不同氣隙尺寸來控制樣品輻照溫度。

1．5 試驗樣品布置和試驗參數(shù)監(jiān)測

充分利用輻照裝置內(nèi)部空間，盡可能多的放置樣品，是輻照裝置設(shè)計的原則之一。通過對輻照罐結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化試驗樣品布置，可使每個輻照罐內(nèi)部一次可放入26個外徑為φ6mm、長度為100mm的管狀拉伸或雙軸蠕變樣品，以及一定數(shù)量的微觀樣品，樣品數(shù)量足以滿足標準試驗的要求。此外，在輻照罐中對材料樣品設(shè)計有支撐和限位結(jié)構(gòu)，便于樣品的整體取放操作，并保證樣品之間留有一定的膨脹間隙。輻照罐截面如圖3所示。

圖3　 輻照罐截面示意圖Fig．3 Schematic diagram of irradiation capsule section

為實現(xiàn)對試驗樣品的溫度和中子注量率的非在線監(jiān)測，在每層輻照罐內(nèi)布置3個溫度監(jiān)測共晶合金，它們和微觀樣品一起放在內(nèi)套筒的中心管內(nèi)；在六角管與輻照罐之間的6個角均布有3根中子注量率探測柱（圖3），每根探測柱內(nèi)軸向布置3個中子探測器，位置分別對應(yīng)3層輻照罐的中心。

溫度監(jiān)測采用3種不同熔點的共晶合金，根據(jù)輻照后共晶合金狀態(tài)，判斷輻照樣品所處的溫度范圍，并結(jié)合溫度場計算程序，確定輻照樣品溫度。3種共晶合金及其熔點標定的誤差范圍分別為：Mg－Ni，（508±9）℃；Al－Si，（580± 9）℃；Mg－Si，（639±9）℃。中子注量率監(jiān)測利用中子探測片在反應(yīng)堆中輻照，先得到探測片活度，再利用高純鍺譜儀測量得到該探測片的反應(yīng)率，利用幾組不同閾值的探測片反應(yīng)率和理論能譜進行解譜，得到最終注量譜，與輻照時間相乘即為中子注量率。在確定注量譜過程中，涉及到的誤差有探測片活度誤差（其中包括譜儀效率誤差、統(tǒng)計誤差等）、理論能譜誤差和解譜方法誤差，經(jīng)分析及試驗，相對偏差小于1%。

2　輻照裝置熱工分析

輻照罐內(nèi)部熱量主要來自于輻照材料的伽馬熱，發(fā)熱功率取決于反應(yīng)堆運行功率和樣品材料量。根據(jù)反應(yīng)堆運行功率和所需的試驗樣品材料量，通過熱工分析，設(shè)計合理的內(nèi)外層套筒間隙尺寸，以確保每層輻照罐內(nèi)部溫度達到所需的樣品輻照溫度。

2．1 熱工計算條件

編制了CMIRTC計算程序用于對輻照裝置進行穩(wěn)態(tài)熱工分析。熱工計算按每層輻照罐內(nèi)放置26個不銹鋼管狀樣品（外徑φ6mm、壁厚0．4mm、長度100mm）和6個不銹鋼圓柱（直徑φ4．5mm、長度60mm）。當CEFR分別在40% 和100%額定功率下運行時，設(shè)定3層輻照罐樣品輻照溫度分別為450、500、600℃，計算得出各工況所需的輻照罐內(nèi)外套筒的氣隙尺寸。

計算輸入：CEFR按40%額定功率運行時，冷卻劑質(zhì)量流量為0．125kg／s，輻照裝置內(nèi)最大不銹鋼釋熱率為11．70 W／cm3；CEFR按100%額定功率運行時，冷卻劑質(zhì)量流量為0．25kg／s，輻照裝置內(nèi)最大不銹鋼釋熱率為29．24W／cm3；3個輻照罐軸向平均功率因子分別取0．91（應(yīng)用于600℃輻照罐，放置在活性區(qū)中間）和0．7（應(yīng)用于450℃輻照罐，放置在活性區(qū)下部；應(yīng)用于500℃輻照罐，放置在活性區(qū)上部）；輻照裝置入口鈉溫為360℃。

計算中主要采用的計算公式如下。

無內(nèi)熱源環(huán)形介質(zhì)溫度場［5］：

有內(nèi)熱源環(huán)形介質(zhì)的溫度場［6］：式中為環(huán)形介質(zhì)的外徑，m為環(huán)形介質(zhì)的內(nèi)徑，m為環(huán)形介質(zhì)的內(nèi)表面溫度，℃為環(huán)形介質(zhì)的外表面溫度，℃為環(huán)形介質(zhì)的線功率，W／m；k為環(huán)形介質(zhì)的熱導率，W／（m·K）。

2．2 熱工計算結(jié)果

CEFR分別在40%和100%額定功率下運行時，輻照罐熱工計算結(jié)果列于表2、3。

表2　 CEFR 40%額定功率下輻照罐熱工計算結(jié)果Table 2 Thermal calculation resultof irradiation capsule in CEFR 40%rated power

表3　 CEFR 100%額定功率下輻照罐熱工計算結(jié)果Table 3 Thermal calculation resultof irradiation capsule in CEFR 100%rated power

3　設(shè)計驗證與分析

3．1 氣隙傳熱驗證

在CEFR結(jié)構(gòu)材料輻照裝置設(shè)計中，主要通過輻照材料的伽馬熱和材料輻照罐的氣隙溫升來實現(xiàn)樣品的輻照溫度，實際氣隙傳熱效果對輻照罐的熱工設(shè)計影響很大。為了確定熱工計算的誤差，進行了堆外的氣隙傳熱驗證試驗。試驗通過建立1套用電加熱元件作為熱源的模擬氣隙傳熱的試驗裝置，來測量不同氦氣氣隙尺寸的溫升試驗數(shù)據(jù)，并與計算數(shù)據(jù)比對，以確定兩者的相對偏差。通過對多組試驗數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如下：氣隙尺寸為1．5mm時，計算值與試驗值平均相對偏差為2．3%；氣隙尺寸為1．0mm時，兩者平均相對偏差為2．1%；氣隙尺寸為0．5mm時，兩者平均相對偏差為4．0%。

3．2 流阻特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證

為確定輻照裝置的結(jié)構(gòu)能否滿足熱工流體的要求，即在給定的流體壓降下，流經(jīng)輻照裝置的流量是否達到設(shè)計要求，以及確定輻照裝置在一定流量的冷卻劑長時間的沖刷下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進行了流阻特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證試驗。上述兩個驗證試驗是在水力學臺架上進行的。為此，加工了與堆內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相同的試驗段以及與實際輻照裝置外形結(jié)構(gòu)完全相同的模擬輻照裝置，根據(jù)相似理論，設(shè)計了試驗方案。對于流阻特性試驗，在控制壓降不變的條件下，通過調(diào)節(jié)輻照裝置管腳內(nèi)部節(jié)流件的幾何尺寸，使流經(jīng)輻照裝置的冷卻劑流量滿足要求，從而確定了輻照裝置的最終結(jié)構(gòu)；對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以120%額定流量對輻照裝置模擬件連續(xù)沖刷了30d，沖刷后將輻照裝置模擬件解體，對表面及內(nèi)部進行檢查，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的松動。

3．3 對堆芯流量分配和中子注量的影響分析

輻照裝置將放置在堆芯中間中子源組件的位置，額定流量與替換的中子源組件相同，將不會對堆芯流量分配造成影響，另外中子源組件中除了體積非常有限的中子源，其余主要為不銹鋼，與結(jié)構(gòu)材料輻照裝置材料成分相近，且是處于堆芯中心，對整個堆芯中子注量分布的影響也可忽略。

4　結(jié)論

1）CEFR結(jié)構(gòu)材料輻照裝置基于CEFR的輻照條件和堆芯組件的基本結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計創(chuàng)新，實現(xiàn)了在快堆穩(wěn)態(tài)運行條件下對材料樣品不同輻照溫度的要求，并具有溫度與中子注量率的非在線監(jiān)測功能，同時樣品裝載量滿足標準試驗要求。

2）熱工分析表明：材料輻照裝置處于CEFR堆芯中心位置時，在反應(yīng)堆功率分別按40%和100%額定功率穩(wěn)態(tài)運行條件下，通過設(shè)計合適的輻照罐內(nèi)外套筒氣隙尺寸和調(diào)整試驗樣品數(shù)量，控制樣品輻照溫度在450～600℃之間的目標是可以實現(xiàn)的。

3）通過開展氣隙傳熱試驗、流阻特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證試驗，為確定輻照裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸提供了依據(jù)，確保了輻照裝置的設(shè)計能滿足任務(wù)要求。

4）本次設(shè)計的CEFR結(jié)構(gòu)材料輻照裝置具有一定的通用性，可作為在CEFR上開展反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料輻照試驗用的一種標準輻照裝置。

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Design of Structural Material Irradiation Rig in China Experimental Fast Reactor

XU Xi－an，ZHANG Pei－sheng，HUANG Chen，ZHANG Ru－xian
（China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China）

Abstract：The first structural material irradiation rig used in China Experimental Fast Reactor（CEFR）was designed in order to carry out irradiation test for domestically produced fast reactor cladding material．The innovated design of irradiation rig was based on both the CEFR irradiation conditions and the basic configuration of CEFR fuel assembly．The irradiation rig which had special sizes of inner gas gaps could irradiate material samples at different irradiation temperatures（450－600℃）during different powers（40% and 100%rated powers）of CEFR steady state operation．There are indicating samples inside the irradiation capsule for monitoring temperature range and neutron fluence rate．The irradiation rig has a general configuration which can realize the maximum loading for the standard irradiation samples and be used as a standard irradiation device for reactor structural material irradiation in CEFR．The design of irradiation rig can satisfy the requirement of material irradiation by means of thermal－h(huán)ydraulic analysis and relevant out－of－pile heat transfer，flow resistance and structure stability verification tests．

Key words：China Experimental Fast Reactor；structural material irradiation；irradiation rig

作者簡介：徐西安（1984—），男，江蘇東海人，高級工程師，反應(yīng)堆工程專業(yè)

收稿日期：2014－03－31；修回日期：2014－06－10

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1440

文章編號：1000－6931（2015）08－1440－05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TL352．1