CITP-Ⅱ輻照裝置的安全性及可行性研究

張之華，米向秒，李潤(rùn)東

（中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

實(shí)現(xiàn)氚燃料的自持與循環(huán)，是聚變能源商用的基礎(chǔ)。研制一套在線產(chǎn)氚輻照裝置，利用熱中子研究堆的輻照?qǐng)觯_(kāi)展增殖劑材料的輻照性能研究，是現(xiàn)有條件下進(jìn)行增殖劑輻照產(chǎn)氚、釋氚實(shí)驗(yàn)研究的有效途經(jīng)。20 世紀(jì)90 年代，在國(guó)家“863計(jì)劃”的牽引下，中國(guó)工程物理研究院在300＃反應(yīng)堆上建成了我國(guó)第一條增殖劑產(chǎn)氚演示回路（CITP-Ⅰ）。在完成預(yù)定的γ-LiAlO2的產(chǎn)氚及釋氚輻照試驗(yàn)后，由于該回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)增殖劑材料的更換，從300＃反應(yīng)堆上拆除［1］?，F(xiàn)階段，順應(yīng)ITER 項(xiàng)目的進(jìn)展和聚變能源研究的需要，建造一套新的、先進(jìn)的增殖劑在線產(chǎn)氚輻照試驗(yàn)回路（CITP-Ⅱ），成為迫切需要。

增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置是CITP-Ⅱ在線產(chǎn)氚輻照試驗(yàn)回路的關(guān)鍵裝置，安裝在堆芯活性區(qū)，處在高強(qiáng)度和復(fù)雜的n-γ混合場(chǎng)中，為增殖劑材料的產(chǎn)氚性能研究提供輻照空間。要實(shí)現(xiàn)增殖劑材料的在線換料和安全輻照，產(chǎn)氚輻照試驗(yàn)裝置必須具備可靠的核性能和機(jī)械性能，還必須具備先進(jìn)的測(cè)試手段和良好的熱工性能。其安全性、可行性、經(jīng)濟(jì)性是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

1 增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置的結(jié)構(gòu)

CITP-Ⅱ在線產(chǎn)氚輻照回路的堆內(nèi)設(shè)備由增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置、輻照靶換料系統(tǒng)、堆內(nèi)支撐及固定系統(tǒng)等部分組成，增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置是其核心設(shè)備。增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置必須具備的主要功能和特性如下：能為增殖劑的堆內(nèi)輻照提供安全合適的輻照環(huán)境；能實(shí)現(xiàn)增殖劑的更換料操作，可適用不同的固體增殖劑材料；在任何工況下，產(chǎn)氚輻照裝置無(wú)論是在用或備用狀態(tài)，都不能危及反應(yīng)堆的安全。增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置由外輻照筒、內(nèi)輻照筒、鎧裝熱電偶、非均勻電加熱器、氣體進(jìn)出口管等組成［2］，其結(jié)構(gòu)示于圖1。

圖1 產(chǎn)氚輻照裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural drawing of tritium production irradiation device

2 增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置的安全性能

按照核安全法規(guī)要求，裝入反應(yīng)堆的樣品及裝置在任何情況下都不能對(duì)反應(yīng)堆的安全造成影響，同時(shí)也要保證自身的安全可靠。以ITER備選增殖劑材料Li4SiO4為裝載對(duì)象，以產(chǎn)氚輻照裝置滿(mǎn)裝載增殖劑（1 132g）為初始條件，對(duì)裝置入堆后的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算及分析。

2.1 不同輻照位置的反應(yīng)性

產(chǎn)氚輻照裝置裝入反應(yīng)堆后，由于裝置結(jié)構(gòu)材料及增殖劑材料的影響，會(huì)引起反應(yīng)堆反應(yīng)性的變化。將滿(mǎn)載增殖劑的輻照裝置裝入反應(yīng)堆B1、H4、G8 等不同的輻照位置后，引起的反應(yīng)性的變化情況列于表1。由表1可知，由于6Li具有較大的熱中子吸收截面，裝置入堆后引入負(fù)反應(yīng)性，總體上是偏安全的；Δρ變化不大，在堆的調(diào)控范圍內(nèi)，不會(huì)引起安全事件。

表1 裝入不同位置的反應(yīng)性變化Table 1 Reactivity changes for device in different irradiation positions

2.2 不同輻照位置的中子注量率

產(chǎn)氚輻照裝置裝入反應(yīng)堆后，會(huì)引起所處輻照位置中子注量率及中子能譜的變化。由于堆內(nèi)不同位置的中子注量率存在差異，產(chǎn)氚輻照裝置裝入反應(yīng)堆后，對(duì)不同輻照位置的中子注量率的影響也不同，不同輻照位置的中子注量率列于表2。

表2 不同輻照位置的中子注量率Table 2 Neutron fluxes in different irradiation positions

由于受輻照裝置材料及增殖劑材料的影響，裝入位置的中子注量率會(huì)顯著降低。同時(shí)裝入位置的中子能譜也會(huì)發(fā)生變化，熱中子比率變大，高能中子比率變小。

2.3 增殖劑內(nèi)的平衡溫度計(jì)算

在線產(chǎn)氚輻照裝置在堆內(nèi)的發(fā)熱主要有兩部分，一是輻照裝置的結(jié)構(gòu)材料接收n-γ混合場(chǎng)沉積能量而發(fā)熱，二是增殖劑中的6Li受到中子的輻照，發(fā)生核反應(yīng)作用，產(chǎn)生氚并釋放熱量。由于堆內(nèi)不同輻照位置的中子注量率存在差異，裝置在不同位置的熱中子屏蔽因子也不相同，造成不同位置的發(fā)熱率及發(fā)熱量也不相同。以B1位置為例，對(duì)該位置對(duì)應(yīng)的增殖劑平衡溫度進(jìn)行了計(jì)算。

計(jì)算選用Fluent軟件，設(shè)定調(diào)溫氣體密度為理想氣體模型，黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)利用分子動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算，通過(guò)UDF 接口設(shè)定結(jié)構(gòu)材料、增殖劑以及電加熱器的軸向不均勻發(fā)熱率，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

正常工況下，輻照位置增殖劑表面的平均熱 中 子 注 量 率 為1.42×1013cm-2·s-1，Li4SiO4的裝載量為1 132g，計(jì)算得：內(nèi)外輻照筒的發(fā)熱量為710 W，增殖劑材料的發(fā)熱量為7 320 W。采用不同導(dǎo)熱系數(shù)的調(diào)溫氣體，可在增殖劑內(nèi)形成不同的平衡溫度，并存在一定的溫度梯度。以He為調(diào)溫間隙氣體，裝置外冷卻水的流速為6.2m／s；熱平衡后，增殖劑內(nèi)在縱向上的溫度梯度較大，最高溫度609℃，最低溫度333 ℃，溫度分布變化規(guī)律和輻照裝置內(nèi)中子注量率的變化規(guī)律基本一致；在橫向上溫度差別不大，從增殖劑區(qū)內(nèi)部向外逐漸降低，不均勻因子在5%以?xún)?nèi)。

為改善增殖劑溫度縱向上的不均勻性，減小溫度梯度，設(shè)計(jì)了非線性電加熱器，對(duì)增殖劑的核發(fā)熱進(jìn)行補(bǔ)償。以He氣體調(diào)溫，不同工況對(duì)應(yīng)的增殖劑平衡溫度參數(shù)列于表3。表3中：P 為不同工況增殖劑核功率與電加熱器補(bǔ)償功率之和；T1為增殖劑內(nèi)平均溫度；Tmin為增殖劑內(nèi)最小溫度；Tmax為增殖劑內(nèi)最高溫度。

表3 不同工況對(duì)應(yīng)的平衡溫度Table 3 Equilibrium temperatures with different working conditions

由表3可知，不論是預(yù)期正常運(yùn)行的15kW工況，還是假想的極端事故工況28kW，增殖劑內(nèi)的最高溫度均小于其融化溫度1 225 ℃，具有一定的安全域度，增殖劑不會(huì)發(fā)生熔化［3］。

2.4 輻照裝置的強(qiáng)度校核

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是輻照裝置設(shè)計(jì)及安全分析時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題。根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料情況、工況載荷，選擇對(duì)內(nèi)外輻照筒的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。根據(jù)第三強(qiáng)度理論，對(duì)部件采用應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在均布?jí)毫Φ淖饔孟?，?nèi)外輻照筒的最大應(yīng)力為42MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力；在對(duì)應(yīng)載荷的作用下，內(nèi)外筒體的變形較小，內(nèi)輻照筒的變形量略大于外輻照筒，內(nèi)輻照筒最大變形量為1.27×10-4mm（圖2）。由計(jì)算結(jié)果知，輻照裝置具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

圖2 內(nèi)輻照筒的最大變形量Fig.2 Max deformation for inner irradiation cylinder

3 增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置的可行性分析

3.1 間隙氣體調(diào)溫的可行性

產(chǎn)氚輻照裝置內(nèi)的增殖劑受到中子的輻照，產(chǎn)生氚并放出熱量。產(chǎn)生的熱量一部分使增殖劑的溫度升高，另一部分通過(guò)熱傳導(dǎo)被外輻照筒外的冷卻水帶走。CITP-Ⅱ產(chǎn)氚輻照裝置的內(nèi)外輻照筒之間是間隙調(diào)溫空間，間隙3mm，通過(guò)充入不同導(dǎo)熱系數(shù)的間隙調(diào)溫氣體來(lái)改變調(diào)節(jié)輻照裝置內(nèi)增殖劑的平衡溫度。

通過(guò)改變間隙氣體進(jìn)行增殖劑平衡溫度的控制，在300＃反應(yīng)堆增殖劑產(chǎn)氚演示回路（CITP-Ⅰ）上有成功的實(shí)踐。采用1 100 W 電加熱器為熱源，增殖劑γ-LiAlO2的裝料121g，間隙空間2 mm，采用不同的間隙氣體為調(diào)溫氣體，增殖劑內(nèi)的平衡溫度為：He，310 ℃；Ne，446 ℃；Ar，582 ℃。此外，還進(jìn)行了不同電加熱器功率、不同配比調(diào)溫氣體對(duì)平衡溫度的影響。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，利用惰性氣體調(diào)溫是可行的；同一發(fā)熱功率下，間隙調(diào)溫氣體造成的溫差，以Ar最高，Ne次之，He最低。

CITP-Ⅱ產(chǎn)氚輻照裝置，增殖劑Li4SiO4滿(mǎn)裝載1 132g，發(fā)熱功率7 320W，輻照裝置外的冷卻水的流速6.0 m／s，輻照位置的平均熱中子注量率為1.42×1013cm-2·s-1，間隙氣體的厚度3mm，以He等氣體作為調(diào)溫氣體，對(duì)應(yīng)的溫度參數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表4。由表4 可知：隨選用調(diào)溫氣體導(dǎo)熱系數(shù)的降低，增殖劑內(nèi)的平均溫度、最低溫度、最高溫度均逐漸升高；由于從輻照裝置內(nèi)通過(guò)調(diào)溫氣體傳入冷卻水中的熱量減少，在線產(chǎn)氚輻照裝置的外壁水溫逐漸降低。

表4 不同調(diào)溫氣體對(duì)應(yīng)的溫度參數(shù)Table 4 Temperatures with different thermoregulation gasses

3.2 增殖劑氣動(dòng)換料的可行性

CITP-Ⅱ產(chǎn)氚輻照裝置的增殖劑更換料方案設(shè)計(jì)上采用氦氣作為載帶及吹送氣體，采用氣力對(duì)增殖劑小球進(jìn)行壓力輸送，將增殖劑帶出輻照裝置；其氣力輸送的可行性決定了產(chǎn)氚輻照裝置的經(jīng)濟(jì)性及多用途性。近幾十年來(lái)，氣力輸送發(fā)展迅速，在世界各國(guó)均得到廣泛應(yīng)用，大量應(yīng)用在對(duì)碎石、砂、城市廢棄物、農(nóng)產(chǎn)品的集裝容器管道輸送上。在我國(guó)氣力輸送也涉足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大量行業(yè)，在反應(yīng)堆上也有多個(gè)成功應(yīng)用的例子，如高溫氣冷堆的燃料裝卸及輸運(yùn)系統(tǒng)、吸收球停堆系統(tǒng)、試驗(yàn)堆的活化跑兔試驗(yàn)系統(tǒng)等。CITP-Ⅱ產(chǎn)氚輻照裝置采用氣力輸送進(jìn)行增殖劑小球的在線更換料，具有一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。

增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)影響氣體通過(guò)時(shí)的壓力、流速等參數(shù)的變化；對(duì)輻照裝置進(jìn)行了氣動(dòng)換料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)增殖劑小球，如果其上下表面存在壓差，則會(huì)產(chǎn)生朝向?yàn)閴毫^小方向的驅(qū)動(dòng)力。在合適的結(jié)構(gòu)條件下，可在輻照裝置內(nèi)使得載帶氣體產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于增殖劑小球的重力，此時(shí)增殖劑小球會(huì)在該力的作用下，隨載帶氣體流出輻照裝置，實(shí)現(xiàn)增殖劑的氣動(dòng)更換料。

本研究利用流體力學(xué)Fluent軟件對(duì)增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置的流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算和分析，研究了不同的裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不同的載帶氣體進(jìn)出口壓差等條件下的輻照裝置內(nèi)的流場(chǎng)特性。考慮到輻照裝置內(nèi)部的復(fù)雜性，為更好反映裝置內(nèi)部的載氣流場(chǎng)情況，建模時(shí)采用對(duì)稱(chēng)3D 模型，通過(guò)多次迭代計(jì)算進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的精確劃分、修正和優(yōu)化。計(jì)算時(shí)采用能量方程求解，求解器設(shè)置為穩(wěn)態(tài)工況，工作氣體設(shè)置為氦氣理想氣體，邊界條件為壓力入口和壓力出口。

不同的載帶氣體進(jìn)出口壓差影響載帶氣體在產(chǎn)氚輻照裝置內(nèi)產(chǎn)生的載帶力。載帶氣體進(jìn)行壓力輸送時(shí)，載帶氣流進(jìn)出口的壓力差會(huì)在增殖劑小球的上下半球面形成吹浮力，吹浮力是上下部壓差在整個(gè)增殖劑小球上的積分效應(yīng)。增殖劑小球的下部氣壓高于上部氣壓，吹送載帶氣體對(duì)增殖劑小球會(huì)產(chǎn)生向上的吹浮力。不同的載帶氣體進(jìn)出口壓差在增殖劑小球上產(chǎn)生的吹浮力列于表5。

表5 載帶氣體進(jìn)出口壓差對(duì)應(yīng)的吹浮力Table 5 Buoyancy with carrier-gas pressure difference between inlet and outlet

吹浮力的大小與載帶氣流的進(jìn)出口壓差有關(guān)，隨壓差的增大而增大，基本呈線性關(guān)系。當(dāng)吹送氣流的進(jìn)出口壓差大于1.01×104Pa時(shí)，載帶氣體在增殖劑小球上產(chǎn)生的吹浮力大于小球的重力（7.18×10-6N），可實(shí)現(xiàn)增殖劑小球的向上輸送。當(dāng)選取的吹送氣體進(jìn)出口壓差大于5.06×104Pa時(shí)，在增殖劑小球上產(chǎn)生的吹浮力會(huì)比小球的重力大10倍，能較流暢地實(shí)現(xiàn)Li4SiO4增殖劑小球的換料氣力輸送［4］。

4 增殖劑產(chǎn)氚輻照裝置的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

CITP-Ⅱ在線產(chǎn)氚輻照裝置可實(shí)現(xiàn)增殖劑的更換料，減少了增殖劑填裝和輻照裝置在堆內(nèi)安裝的工程量，提高了輻照裝置的利用率。在輻照裝置設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了裝置在堆內(nèi)位置的互換，具有一定的互換性。裝置的增殖劑裝載量大，即可進(jìn)行增殖劑的產(chǎn)氚性能研究，又可進(jìn)行少量氚的生產(chǎn)?？蓪?duì)增殖劑進(jìn)行取樣分析，研究不同的中子積分通量和不同燃耗時(shí)增殖劑的輻照性質(zhì)。實(shí)現(xiàn)了間氣成分可調(diào)、載氣成分可調(diào)、電加熱器功率可調(diào)，可進(jìn)行各種因素對(duì)增殖劑產(chǎn)氚率的影響、氚的載帶及氚的釋放等試驗(yàn)研究。能重復(fù)輻照環(huán)境，減弱影響因素，再試驗(yàn)時(shí)，增加了數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。可對(duì)不同的增殖劑材料進(jìn)行研究，具有一定的適應(yīng)性和多用性。

5 結(jié)語(yǔ)

CITP-Ⅱ在線產(chǎn)氚輻照裝置具有足夠的強(qiáng)度和剛度。運(yùn)行工況下，結(jié)構(gòu)及外部載荷在裝置上產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，最大變形量很小，裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全可靠。裝置裝入堆后，引入的反應(yīng)性不大，在反應(yīng)堆的調(diào)控范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)堆的安全產(chǎn)生影響。裝置的自屏因子較大，裝入反應(yīng)堆后會(huì)引起所處輻照位置中子能譜和中子注量率的顯著變化。利用裝置外冷卻劑強(qiáng)迫冷卻和間隙氣體調(diào)溫，可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置內(nèi)增殖劑平衡溫度的調(diào)控，不論是運(yùn)行工況還是超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故狀態(tài)，均不會(huì)發(fā)生增殖劑小球熔化的事故，具有較大的安全系數(shù)。采用氣力輸送可實(shí)現(xiàn)不同增殖劑的在線更換料。

CITP-Ⅱ在線產(chǎn)氚輻照裝置可實(shí)現(xiàn)增殖劑的更換及氚的在線監(jiān)測(cè)和分析研究；可進(jìn)行不同增殖劑材料的輻照性能、活化性能、氚的擴(kuò)散系數(shù)、釋放因子等單項(xiàng)和綜合因素研究；可開(kāi)展增殖劑溫度、載氣成分、流量對(duì)產(chǎn)氚釋氚的影響研究；具有安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性的特色。

［1］ 姜亦祥，沈文德，代君龍.在線產(chǎn)氚輻照裝置的研制［J］.核動(dòng)力工程，1996，17（5）：464-470.JIANG Yixiang，SHEN Wende，DAI Junlong.Development of the irradiation assembly used inpile tritium production［J］.Nuclear Power Engineering，1996，17（5）：464-470（in Chinese）.

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