核科學(xué)技術(shù)

中國先進(jìn)研究堆中子殘余應(yīng)力譜儀校準(zhǔn)

劉曉龍，劉蘊(yùn)韜，陳東風(fēng)，等

摘要：目的：為將三維殘余應(yīng)力測量應(yīng)用于材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，依托中國先進(jìn)研究堆（CARR）建造了一臺(tái)中子殘余應(yīng)力譜儀，該譜儀配置了覆蓋完整衍射峰的位置靈敏探測器（PSD）。由于 PSD各道的靈敏度（即整體探測效率）并不一致，各道的位置坐標(biāo)與衍射角存在幾何轉(zhuǎn)換關(guān)系，入射束與機(jī)械零位之間也存在零點(diǎn)偏移，需要對(duì)譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)獲得這些校準(zhǔn)參數(shù)，才能將PSD采集的原始數(shù)據(jù)預(yù)處理為殘余應(yīng)力分析用的衍射數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了系列中子實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)譜儀，獲得PSD靈敏度、衍射幾何關(guān)系和零點(diǎn)偏移等校準(zhǔn)參數(shù)。方法：利用中子的非相干散射、相干彈性散射和Bragg公式校準(zhǔn)譜儀參數(shù)。（1）基于中子非相干散射產(chǎn)生的均勻分布中子，測試PSD各道的靈敏度響應(yīng)。氫與熱中子的非相干散射截面較高，1.8 nm；熱中子時(shí)為80.27 m－28，有機(jī)玻璃含氫原子比例 53.3%，中子束打在有機(jī)玻璃上能夠產(chǎn)生強(qiáng)的均勻非相干散射本底。因此，選擇直徑φ4 m高度50 m的有機(jī)玻璃棒作為校準(zhǔn)PSD靈敏度的樣品。（2）基于中子相干彈性散射產(chǎn)生的衍射峰，根據(jù)衍射峰位出現(xiàn)在 PSD的相對(duì)位置隨探測器軸的角度變化關(guān)系，建立PSD各道的位置坐標(biāo)與衍射角的幾何關(guān)系。α-Fe標(biāo)樣（211）衍射峰的信號(hào)較強(qiáng)，因此，選擇直徑8 m高度50 m的標(biāo)準(zhǔn)Fe粉作為校準(zhǔn)PSD衍射幾何的樣品。（3）基于Bragg公式，根據(jù)一組晶面間距和相應(yīng)衍射峰的峰位，計(jì)算零點(diǎn)和波長。繼續(xù)使用鐵粉作為樣品，選擇晶面（110）（200）（211）（220）用于校準(zhǔn)零點(diǎn)。為處理校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地獲得譜儀的校準(zhǔn)參數(shù)，根據(jù)上述校準(zhǔn)方法，使用 LabVIEW語言編寫了一套標(biāo)準(zhǔn)的譜儀校準(zhǔn)軟件。特別是使用 Levenberg-Marquardt最小二乘算法擬合衍射峰和 Bragg公式。結(jié)果：按照校準(zhǔn)步驟開展校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，并利用校準(zhǔn)軟件獲得了譜儀的校準(zhǔn)參數(shù)。將獲得的校準(zhǔn)參數(shù)用于標(biāo)準(zhǔn)Fe粉前4個(gè)衍射峰的數(shù)據(jù)預(yù)處理，校正衍射峰位與計(jì)算衍射角的差值≤0.006°殘余應(yīng)力譜儀的誤差要求。結(jié)果表明，該工作能夠準(zhǔn)確地獲得校準(zhǔn)參數(shù)，并用于CARR中子殘余應(yīng)力譜儀的數(shù)據(jù)預(yù)處理。結(jié)論：利用中子的非相干散射、相干彈性散射和Bragg公式作為理論依據(jù)，通過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和軟件編寫，分別校準(zhǔn)了CARR中子殘余應(yīng)力譜儀的PSD靈敏度、PSD衍射幾何關(guān)系和零點(diǎn)偏移。結(jié)果表明，該工作能夠準(zhǔn)確地獲得校準(zhǔn)參數(shù)，CARR中子殘余應(yīng)力譜儀能夠提供準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

來源出版物：原子能科學(xué)技術(shù), 2016, 50(8): 1486-1490

入選年份：2016

結(jié)合AMTEC的小型自然循環(huán)快堆的關(guān)鍵技術(shù)研究

陸道綱，張勛，李宗洋，等

摘要：目的：為滿足遠(yuǎn)距離及無人值守等極端環(huán)境下的電源可靠供給，提出了一種結(jié)合堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器（AMTEC）的小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）的概念，即SMR＋AMTEC（Small Modular Reactor＋Alkali Metal Thermal to Electric Converter）。針對(duì)該小型模塊化反應(yīng)堆的概念設(shè)計(jì)，研發(fā)了3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即：基于轉(zhuǎn)鼓的堆物理控制技術(shù)；正常功率條件下一回路全自然循環(huán)技術(shù)；基于自然循環(huán)的余熱排出技術(shù)。針對(duì)與該小型模塊化反應(yīng)堆相耦合的小型多管循環(huán)式AMTEC單元，重點(diǎn)開展了3項(xiàng)關(guān)鍵部件制備技術(shù)的研發(fā)，即：AMTEC的TiN 多孔薄膜電極制備技術(shù)；β′′ 氧化鋁固體電解質(zhì)組件封接技術(shù)；吸液芯組件的制備及測試技術(shù)。通過對(duì)以上技術(shù)的研究與開發(fā)，以初步驗(yàn)證SMR＋AMTEC系統(tǒng)的可行性。方法：為了研究基于轉(zhuǎn)鼓的堆物理控制技術(shù)，對(duì)堆芯進(jìn)行臨界計(jì)算和熱工水力學(xué)分析，研究了堆芯燃料裝載量不變的情況下，芯塊半徑，燃料棒長度和圈數(shù)對(duì)堆芯有效增值因數(shù)keff，堆芯壓降和傳熱的影響。同時(shí)分析了不同額外停堆裕量下，燃料棒圈數(shù)對(duì)B4C吸收層厚度和堆芯初始剩余反應(yīng)性的影響；為了研究正常功率條件下一回路全自然循環(huán)技術(shù)，基于MATLAB/Simulink建立單自然循環(huán)回路模型以分析自然循環(huán)瞬態(tài)響應(yīng)（非線性法），同時(shí)采用線性方法判斷自然循環(huán)穩(wěn)定性邊界；為了驗(yàn)證基于自然循環(huán)的余熱排出技術(shù)，基于MATLAB/Simulink建立雙自然循環(huán)回路的瞬態(tài)計(jì)算模型，分析喪失二次側(cè)冷卻情況下雙自然循環(huán)回路的導(dǎo)熱能力和穩(wěn)定性。為了研究AMTEC的TiN多孔薄膜電極制備技術(shù)，采用絲網(wǎng)印刷法和Ti氮化工藝制備了TiN薄膜電極式樣并進(jìn)行了孔隙率和電導(dǎo)率性能測試；為了研究β′氧化鋁固體電解質(zhì)組件封接技術(shù)，采用高溫活性釬焊法進(jìn)行了 BASE-鉭組件的封接試驗(yàn)并進(jìn)行了封接面形貌掃描和泄漏率測試；為了研制吸液芯組件，提出了利用粉末燒結(jié)成型配合線切割的制備方法，并通過建立乙醇實(shí)驗(yàn)回路，根據(jù)微壓差計(jì)值和累計(jì)流量來確定不同孔隙度和孔徑的吸液芯組件的毛細(xì)力和極限流量，驗(yàn)證吸液芯組件的可靠性。結(jié)果：通過堆芯臨界及熱工水力計(jì)算可以看出，保持堆芯當(dāng)量直徑和冷卻劑通道總截面積不變的情況下，減少燃料棒圈數(shù)和活性區(qū)長度不僅可增加keff，且能降低堆芯壓降；為提高額外停堆裕量需增加吸收層厚度，但降低了堆芯初始剩余反應(yīng)性，不利于電廠的經(jīng)濟(jì)性；通過非線性法和線性法分析 SMR＋AMTEC一回路自然循環(huán)穩(wěn)定性，結(jié)果表明正常功率下一回路的自然循環(huán)是穩(wěn)定的；通過對(duì)雙自然循環(huán)回路的瞬態(tài)分析可以看出，利用一回路和余熱排出回路的自然循環(huán)可穩(wěn)定的導(dǎo)出堆芯余熱。從TiN薄膜電極的測試結(jié)果可以看出，電極內(nèi)充滿微米級(jí)空隙，氮化溫度越高且氮化時(shí)間越短，電極電導(dǎo)率越高；通過對(duì)BASE-鉭封接組件的泄漏率測試，結(jié)果表明泄漏率小于10－10a·m3/s；通過對(duì)吸液芯組件的測試，表明吸液芯組件可驅(qū)動(dòng)乙醇循環(huán)流動(dòng)，吸液芯組件最大壓頭主要取決于吸液芯的孔徑，受蒸發(fā)器孔徑影響較小，選擇小孔徑的吸液芯和大孔隙率的蒸發(fā)器有利于提高組件壓頭和降低流阻。結(jié)論：提出的一種結(jié)合小型自然循環(huán)鈉冷模塊堆和AMTEC的SMR＋AMTEC系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。針對(duì)SMR和小型多管循環(huán)式AMTEC分別研究了3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于SMR，可依靠轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行反應(yīng)性控制并可提供足夠的停堆裕量，額定功率下可完全依靠一回路自然循環(huán)運(yùn)行，在喪失二次側(cè)冷卻事故下，也可完全依靠一回路和余熱排出回路的穩(wěn)定自然循環(huán)將堆芯余熱導(dǎo)出；對(duì)于AMTEC，采用絲網(wǎng)印刷法能夠制備具有多孔特性和導(dǎo)電特性的TiN薄膜電極，采用高溫活性釬焊法能實(shí)現(xiàn)BASE組件的封接且滿足低泄漏率要求，通過乙醇試驗(yàn)回路論證了采用吸液芯組件提供毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力的可行性。

來源出版物：原子能科學(xué)技術(shù), 2016, 50(9): 1570-1579

入選年份：2016