CARR銥源試驗(yàn)靶件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證

馬勇哲，邱妙蓮，高永光，徐西安，丁 麗，竇勤明

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413)

CARR銥源試驗(yàn)靶件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證

馬勇哲，邱妙蓮，高永光，徐西安，丁 麗，竇勤明

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413)

為配合中國(guó)先進(jìn)研究堆(CARR)銥源輻照生產(chǎn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)制造了銥源試驗(yàn)靶件，對(duì)試驗(yàn)靶件的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了介紹。在堆外使用專(zhuān)門(mén)的傳熱裝置模擬銥源靶件的外部和內(nèi)部傳熱工況，測(cè)量了用于模擬輻照罐壁面溫度和樣品溫度的傳熱裝置的壁面溫度和內(nèi)部溫度，結(jié)果驗(yàn)證了熱工分析方法是合適的。入堆試驗(yàn)靶件由含有銥片樣品的輻照罐和等量發(fā)熱的模擬罐組成。堆內(nèi)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)綜合驗(yàn)證了試驗(yàn)靶件物理熱工的分析結(jié)果，這個(gè)結(jié)果可對(duì)CARR銥源輻照生產(chǎn)安全評(píng)審提供依據(jù)且偏于安全。

銥源；試驗(yàn)靶件；試驗(yàn)驗(yàn)證

放射性同位素廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究等領(lǐng)域[1]，放射性同位素的生產(chǎn)是許多研究堆上正在進(jìn)行的工作之一。中國(guó)先進(jìn)研究堆(CARR)上進(jìn)行放射性銥源生產(chǎn)的論證工作已提上日程。銥源試驗(yàn)靶件的設(shè)計(jì)和熱工驗(yàn)證是為了配合CARR輻照生產(chǎn)192Ir源課題而進(jìn)行的。

本工作依據(jù)CARR功率運(yùn)行時(shí)輻照罐外表面不發(fā)生欠熱泡核沸騰及內(nèi)部溫度不超過(guò)金屬銥熔化溫度的設(shè)計(jì)限值，對(duì)銥源生產(chǎn)靶件進(jìn)行物理和熱工設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行堆外模擬傳熱試驗(yàn)和堆內(nèi)熱工試驗(yàn)。堆外試驗(yàn)在專(zhuān)門(mén)的傳熱裝置上進(jìn)行，對(duì)模擬的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量以驗(yàn)證傳熱分析方法。堆內(nèi)試驗(yàn)在堆外試驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，修改并確定試驗(yàn)靶件的最終設(shè)計(jì)后，通過(guò)實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)靶件在堆內(nèi)工況下的表面溫度，綜合驗(yàn)證靶件的物理、熱工分析方法。

1 試驗(yàn)堆和輻照位置介紹

CARR是一座多用途、高性能的研究堆，既能引出高中子束流滿足中子散射實(shí)驗(yàn)的要求，又有適度的功率和足夠的輻照空間，用以進(jìn)行放射性同位素生產(chǎn)和燃料元件及材料輻照考驗(yàn)。其核功率最大為60 MW，活性區(qū)最大熱中子注量率為1×1015cm-2·s-1，具有9個(gè)中子束流水平孔道和26個(gè)垂直輻照孔道[2]。垂直輻照孔道中包括7個(gè)水冷同位素孔道，試驗(yàn)靶件在其中1個(gè)水冷同位素孔道中輻照。

水冷同位素孔道相對(duì)于堆芯的位置如圖1所示。水冷同位素孔道位于堆水池的下方，貫穿于導(dǎo)流箱和重水箱中。孔道內(nèi)的冷卻水即為堆水池的去離子水。

圖1 水冷同位素孔道位置示意圖Fig.1 Position of water cooling isotope tunnel

2 試驗(yàn)靶件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)靶件由樣品輻照罐、模擬輻照罐、吊籃和內(nèi)套筒等部件組成，總長(zhǎng)度為5.565 m，直徑為53 mm。圖2為試驗(yàn)靶件結(jié)構(gòu)示意圖。

輻照罐是試驗(yàn)靶件的核心部件，也是設(shè)計(jì)分析的基本單元，輻照罐內(nèi)部裝有銥片樣品并填充氦氣，輻照罐外部是冷卻水，試驗(yàn)靶件中包含9個(gè)輻照罐?？紤]到實(shí)驗(yàn)成本，9個(gè)輻照罐中只有1個(gè)輻照罐裝有銥片樣品，即樣品輻照罐；另外8個(gè)輻照罐為等量核發(fā)熱的模擬罐，即模擬輻照罐。樣品輻照罐由筒體、鋁芯、銥片和筒底4部分組成。模擬輻照罐由筒體和筒底兩部分組成，模擬輻照罐增加筒體壁厚以模擬樣品輻照罐的總發(fā)熱量。輻照罐的設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。

圖2 試驗(yàn)靶件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test target structure

表1 輻照罐設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameter of irradiation capsule

3 物理和熱工設(shè)計(jì)

通過(guò)堆物理分析，在反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí)，單個(gè)輻照罐(包括樣品)的最高發(fā)熱量為380 W，靶件平均線功率最大為4 617 W/m。試驗(yàn)靶件中樣品的比活度滿足要求。

隨堆輻照穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)滿足以下準(zhǔn)則：1) 樣品最高溫度不超過(guò)300 ℃；2) 反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí)輻照罐表面不允許發(fā)生欠熱泡核沸騰，即輻照罐表面溫度不超過(guò)128 ℃。

按照堆物理參數(shù)進(jìn)行熱工分析，分析了輻照罐壁面最高溫度和樣品溫度。對(duì)輻照罐壁面最高溫度采用了大空間自然對(duì)流換熱模型和自然循環(huán)冷卻模型兩種分析方法，計(jì)算結(jié)果列于表2。大空間自然對(duì)流換熱模型忽略了內(nèi)套筒的影響，自然循環(huán)冷卻模型考慮了內(nèi)套筒的影響。

表2 熱工計(jì)算結(jié)果Table 2 Result of thermal calculation

4 熱工試驗(yàn)驗(yàn)證

鑒于兩種分析方法的計(jì)算模型差異較大，且內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)靶件傳熱工況的影響不甚明確，所以在堆外使用專(zhuān)門(mén)的傳熱模擬裝置[3]對(duì)輻照罐的傳熱工況進(jìn)行了模擬，對(duì)熱工分析的結(jié)果進(jìn)行了初步驗(yàn)證。之后，在堆外傳熱試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)靶件進(jìn)行了設(shè)計(jì)修改，并進(jìn)行了堆內(nèi)熱工驗(yàn)證試驗(yàn)，使用堆內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)熱工分析方法進(jìn)行了綜合驗(yàn)證。

4.1 堆外傳熱試驗(yàn)

堆外傳熱試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)靶件徑向傳熱工況。圖3為試驗(yàn)靶件橫剖面示意圖，圖中以銥源輻照罐為界，其外部為冷卻水，其內(nèi)部為氦氣。熱工分析的重點(diǎn)在于輻照罐外部的自然循環(huán)傳熱和輻照罐內(nèi)部的氣隙導(dǎo)熱。

圖3 試驗(yàn)靶件橫剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of cross-section for test target

圖4為堆外傳熱試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中以?xún)?nèi)筒為界限，其外部為冷卻水，其內(nèi)部為氦氣。由電加熱棒提供熱源，通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱棒的電功率模擬輻照罐核發(fā)熱的線功率。在內(nèi)筒外壁和鋁塊內(nèi)部布置了熱電偶，熱電偶的測(cè)點(diǎn)在圖4中以黑點(diǎn)表示，其溫度測(cè)量值可模擬輻照罐壁面溫度和內(nèi)部樣品溫度。

圖4 堆外傳熱試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure for out-of-pile heat transfer test device

為驗(yàn)證輻照罐外部冷卻水傳熱工況，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙層套筒結(jié)構(gòu)(圖4)，使用雙層套筒和不使用雙層套筒各進(jìn)行1次試驗(yàn)，以近似模擬冷卻水的自然循環(huán)工況和大空間自然對(duì)流工況。

兩組試驗(yàn)中，電加熱棒的功率均為1 120 kW左右，折合線功率即為模擬試驗(yàn)靶件的最高線功率，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水流量，使水溫保持在50 ℃左右，待傳熱狀態(tài)穩(wěn)定后記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表3。

內(nèi)筒外壁溫度的測(cè)量值可模擬CARR功率運(yùn)行時(shí)銥源輻照罐的外壁溫度。比較兩組試驗(yàn)的壁溫測(cè)量結(jié)果可看出，帶有雙層套筒的試驗(yàn)結(jié)果較低，說(shuō)明雙層套筒結(jié)構(gòu)對(duì)于靶件傳熱是有利的。第1組試驗(yàn)中的計(jì)算值分別以自然循環(huán)冷卻模型和大空間自然對(duì)流換熱模型作為計(jì)算模型，計(jì)算值相對(duì)于測(cè)量值均偏大，相對(duì)偏差分別為9.5%和8.5%，說(shuō)明兩種計(jì)算模型均偏于保守，而大空間自然對(duì)流換熱模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值比較相對(duì)偏差更小，更適合用作此問(wèn)題的分析模型。對(duì)第2組試驗(yàn)只用大空間自然對(duì)流換熱模型進(jìn)行了分析。

為驗(yàn)證輻照罐內(nèi)部樣品溫度，試驗(yàn)時(shí)電加熱棒功率下降至780 W，折合線功率與輻照罐內(nèi)部的樣品和支架的最大核發(fā)熱線功率相等。調(diào)節(jié)冷卻水流量使內(nèi)筒外壁溫度穩(wěn)定在96 ℃。試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表4。

表3 堆外傳熱試驗(yàn)?zāi)M外部冷卻工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data of out-of-pile heat transfer test for simulating outer cooling condition

表4 堆外傳熱試驗(yàn)?zāi)M輻照罐內(nèi)部溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Data of out-of-pile heat transfer testfor simulating inner temperature of capsule

鋁塊的溫度測(cè)量值可模擬CARR功率運(yùn)行下輻照罐內(nèi)樣品的溫度。計(jì)算值和測(cè)量值的相對(duì)偏差約為1%，偏差的原因主要是熱電偶本身精度(Ⅰ級(jí)精度±1.5 ℃)、鋁塊測(cè)溫孔機(jī)加工精度和熱電偶布置難度導(dǎo)致的不確定性三方面所致。測(cè)量結(jié)果說(shuō)明輻照罐內(nèi)部溫度的分析結(jié)果很準(zhǔn)確，即通過(guò)輻照罐表面溫度推測(cè)輻照罐內(nèi)樣品溫度的分析方法是正確的。

4.2 堆內(nèi)熱工驗(yàn)證試驗(yàn)

堆內(nèi)熱工驗(yàn)證試驗(yàn)是將試驗(yàn)靶件放入CARR的水冷同位素孔道中進(jìn)行輻照，在CARR滿功率和其他功率水平下，通過(guò)試驗(yàn)靶件上布置的熱電偶，實(shí)際測(cè)量輻照罐外壁溫度，從而對(duì)試驗(yàn)靶件的傳熱工況進(jìn)行綜合驗(yàn)證。

與堆外試驗(yàn)帶或不帶雙層套筒的兩種情況相對(duì)應(yīng)，堆內(nèi)試驗(yàn)對(duì)帶內(nèi)套筒和不帶內(nèi)套筒的情況進(jìn)行了兩組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，帶內(nèi)套筒的試驗(yàn)中輻照罐的壁溫明顯較低，說(shuō)明內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)對(duì)于形成冷卻水的自然循環(huán)、提高冷卻能力十分有利，這與堆外試驗(yàn)結(jié)果一致。CARR滿功率運(yùn)行時(shí)堆內(nèi)試驗(yàn)輻照罐外壁壁面溫度數(shù)據(jù)列于表5。

表5 堆內(nèi)試驗(yàn)輻照罐外壁壁面溫度數(shù)據(jù)Table 5 Data of wall temperature of in-pile test capsule

對(duì)帶有內(nèi)套筒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱工分析，計(jì)算模型分別采用大空間自然對(duì)流換熱模型和自然循環(huán)冷卻模型。從表5可看出，輻照罐換熱應(yīng)用大空間自然對(duì)流換熱模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比相對(duì)偏差較小(為18.5%)，計(jì)算值偏保守；自然循環(huán)冷卻模型的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差較大(為36%)。對(duì)無(wú)內(nèi)套筒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)則分別采用大空間自然對(duì)流換熱模型和有限空間自然對(duì)流換熱模型。由表5可看出，應(yīng)用大空間自然對(duì)流換熱模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比相對(duì)偏差較大(-24.1%)，計(jì)算值也不保守，模型不適用；有限空間自然對(duì)流換熱模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較為吻合(相對(duì)偏差為6.6%)。

入堆試驗(yàn)靶件的壁溫明顯低于堆外傳熱試驗(yàn)?zāi)M的壁溫。這表明堆外試驗(yàn)的結(jié)果相對(duì)于堆內(nèi)試驗(yàn)是保守的。一個(gè)原因是堆外試驗(yàn)的水溫控制在略低于50 ℃(按照CARR的水溫限值)，而堆內(nèi)實(shí)際水溫較50 ℃低很多。修正水溫的影響后，計(jì)算值和測(cè)量值的相對(duì)偏差小于10%。這說(shuō)明熱工分析的方法對(duì)堆外試驗(yàn)和堆內(nèi)試驗(yàn)均適用。

4.3 輻照罐內(nèi)部部件溫度分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)輻照罐內(nèi)部部件的溫度進(jìn)行分析，計(jì)算模型中將靶芯和靶粒視為一個(gè)整體，靶芯溫度即為這個(gè)整體的中心溫度。計(jì)算中靶芯和靶粒的發(fā)熱量取堆物理提供的發(fā)熱量，輻照罐外壁溫度取堆內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量值。理論最大值分析時(shí)，靶件核發(fā)熱功率取所有裝載情況的最大值，靶件外壁溫度取飽和泡核沸騰水溫。其分析結(jié)果列于表6。

表6 CARR滿功率時(shí)輻照罐內(nèi)部溫度分析結(jié)果Table 6 Analysis result of inner temperature for capsule at CARR rated power

5 結(jié)論

1) 銥源輻照生產(chǎn)試驗(yàn)靶件的設(shè)計(jì)通過(guò)堆外和堆內(nèi)試驗(yàn)的驗(yàn)證，滿足銥源輻照生產(chǎn)的設(shè)計(jì)要求，也滿足CARR安全要求。堆內(nèi)外熱工驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果均證明熱工分析的方法是合適的，該方法可滿足研究堆內(nèi)輻照安全評(píng)審的要求，對(duì)今后其他同位素靶件的設(shè)計(jì)和分析工作具有參考價(jià)值。

2) 通過(guò)有無(wú)內(nèi)套筒的兩組試驗(yàn)結(jié)果可看出，在堆內(nèi)采用內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)靶件的冷卻效果明顯優(yōu)于無(wú)內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)。但內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)在堆內(nèi)會(huì)產(chǎn)生核發(fā)熱，其對(duì)試驗(yàn)靶件傳熱效果的影響難以分析，而且內(nèi)套筒會(huì)增加輻照廢物量，在不超過(guò)試驗(yàn)靶件和CARR安全限值的前提下，在今后的實(shí)際輻照生產(chǎn)中去掉內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)也是值得考量的一個(gè)方案。

3) 從熱工分析角度，堆外傳熱試驗(yàn)裝置雖不能完全模擬輻照罐熱源分布和試驗(yàn)堆垂直孔道的冷卻工況，但可給出一個(gè)保守的結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)靶件壁溫?zé)峁び?jì)算值與堆內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比結(jié)果，有內(nèi)套筒的試驗(yàn)靶件換熱采用大空間自然對(duì)流換熱模型分析是適合的，無(wú)內(nèi)套筒的試驗(yàn)靶件換熱采用有限空間自然對(duì)流換熱模型是適合的，熱工計(jì)算模型均偏向保守。

[1] 仲言. 重水研究堆[M]. 北京：原子能出版社，1988:13.

[2] 袁履正，柯國(guó)土，金華晉，等. 中國(guó)先進(jìn)研究堆(CARR)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和創(chuàng)新技術(shù)[J]. 核動(dòng)力工程，2006,27(S2):1-5.

YUAN Lvzheng, KE Guotu, JIN Huajin, et al. Features and innovatives of China Advanced Research Reactor (CARR) design[J]. Nuclear Power Engineering, 2006, 27(S2): 1-5(in Chinese).

[3] MA Yongzhe, ZHANG Peisheng. Out-of-pile heat transfer test device for low pressure irradiation capsule[C]∥21st International Conference on Nuclear Engineering. Chengdu: [s. n.], 2013.

Design and Test Verification for192Ir Test Target in CARR

MA Yong-zhe, QIU Miao-lian, GAO Yong-guang, XU Xi-an, DING Li, DOU Qin-ming

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-64,Beijing102413,China)

The192Ir test target was designed and manufactured in order to support the project of192Ir irradiation production in China Advanced Research Reactor (CARR). Design parameters and structural dimensions of test target were described. The special heat transfer device was used to simulate outer and inner heat transfer conditions of the test target. The wall temperature and inner temperature of the heat transfer device were measured, which simulated the wall temperature of capsule and the temperature of specimens in capsule. The results prove that the thermal analysis method is suitable. The in-pile test target contains the capsule with specimens and the simulating capsules with equivalent heat transfer conditions. Data obtained from in-pile tests verify the results of physical and thermal analysis comprehensively, which can provide a basis for safety evaluation of192Ir irradiation production in CARR and are conservative.

192Ir; test target; test verification

2014-06-11;

2014-10-30

馬勇哲(1980—)，男，北京人，副研究員，燃料元件專(zhuān)業(yè)

TL921.3；TL349

A

1000-6931(2015)10-1839-05

10.7538/yzk.2015.49.10.1839