CN112863710A - 一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，包括保护管、镉管，以及多个辐照件和多个堵流件，所述保护管设置在镉管内侧；保护管和镉管之间的环形间隙形成外侧冷却水流道，外侧冷却水流道的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水，多个辐照件均匀布置在保护管内侧，多个堵流件均匀布置在保护管的内壁上，辐照件、堵流件与保护管内壁之间的间隙形成内侧冷却水流道，所述内侧冷却水流道的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水；内侧冷却水流道内在辐照件的上游和下游均设置有热电偶和引压管；辐照件内能够搭载多个燃料元件。本发明所述辐照试验装置不经能够满足辐照试验指标，且可搭载较大数量快堆燃料元件。

Description

一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置
技术领域
本发明涉及堆辐照技术领域，具体涉及一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置。
背景技术
***核能***国际论坛(GIF)提出的6种***先进核能***堆型中，其中的5种堆型采用了快中子能谱的反应堆设计。快中子反应堆是未来先进裂变能***的主力堆型，具有发电效率高、可显著提高铀资源利用率的重大优势。
中子辐照试验是快堆燃料研发与验证的关键步骤，是研究燃料与包壳材料的辐照效应对快堆燃料元件整体性能影响的必须研究手段。由于国内外现有快中子反应堆辐照资源极为有限，在高中子通量材料试验堆上开展快堆燃料元件的中子辐照试验研究是合理可行的方法。
快堆燃料棒的线功率密度峰值可达45kW/m甚至更高，其燃料包壳温度可达500～600℃。由于快堆燃料元件的线功率密度较大，且所需辐照温度一般远高于研究堆的冷却水温度；须设计特殊的辐照装置，以满足试验燃料元件释热导出与辐照温度控制要求。
为加快新型快堆燃料元件的研发，需要对不同材料、不同结构、不同工艺的快堆燃料元件开展多批次的堆内辐照试验，需要开展辐照试验的快堆燃料元件数量庞大。受制于有限的辐照设施和辐照资源，迫切需要开发可搭载较大数量快堆燃料元件的辐照装置，并满足相应的辐照试验指标。因此，须依托国内已有的高中子通量研究堆，研发适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置与相关技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，该辐照试验装置不经能够满足辐照试验指标，且可搭载较大数量快堆燃料元件。
本发明通过下述技术方案实现：
一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，包括保护管、镉管，以及多个辐照件和多个堵流件，所述保护管设置在镉管内侧；
所述保护管和镉管之间的环形间隙形成外侧冷却水流道，所述外侧冷却水流道的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水；
多个辐照件均匀布置在保护管内侧，多个堵流件均匀布置在保护管的内壁上，辐照件、堵流件与保护管内壁之间的间隙形成内侧冷却水流道，所述内侧冷却水流道的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水；所述内侧冷却水流道内在辐照件的上游和下游均设置有热电偶和引压管；
所述辐照件内能够搭载多个燃料元件，多个燃料元件首尾依次堆叠形成一个长棒形结构设置在辐照件外套管内。
本发明所述镉管具有很大的热中子吸收截面，可以大幅度降低镉管以内结构的热中子注量率水平(中子能谱硬化)，从而使得试验燃料棒内的中子能谱更为接近快中子反应堆，使用是镉管外侧也是外侧冷却水流道，外侧冷却水流道的堆芯冷却水从上至下流过，并经对流换热带走镉管和保护管外包壳的释热；镉管外侧同样为堆芯冷却水，经对流换热冷却镉管；外流道冷却水流出试验段后，直接与研究堆冷却水混合后流出，不监测其压力与温度。
本发明所述保护用于安装支承辐照件和堵流件，并起到一定的隔热作用，具体地，辐照件、堵流件均通过其上、下端部的结构与固定格架连接，从而实现径向的定位，并最终固定在保护管上。
本发明所述内侧冷却水流道的冷却水至上而下流经装置试验段，并经对流换热带走辐照件、堵流件、保护管内管等结构的释热。
本发明在试验装置的试验段(辐照件)上、下游位置设置分别设置有测量水温的热电偶和引压管；热电偶用于测量内流道的水温；引压管用于监测试验段的压差，经与辐照装置入堆前获得的流量-压差曲线对比，从而获得实际的试验段冷却水流量，以确保辐照件的冷却与燃料元件的安全。通过定期对引压管导出的冷却水进行水质分析，以监测辐照件是否破损。以热电偶测得的试验段部分的内流道冷却水温升以及流量数据，可以得到试验段的冷却功率
因此，本发明的内侧冷却水流道和外侧冷却水流道均采用强迫流动冷却水，具有强大可靠的冷却功能，同时，镉管具有很大的热中子吸收截面，从而可以大幅度降低镉管以内结构的热中子注量率水平(中子能谱硬化)，从而使得试验燃料棒内的中子能谱接近快中子反应堆，使得辐照试验装置不经能够满足辐照试验指标。
并且，辐照试验装置可搭载多根辐照件，每个辐照件内可搭载多个快堆燃料元件短棒；一个辐照件内一般可搭载2～6个燃料短棒，具体数据取决于燃料短棒的长度。
进一步地，保护管包括保护管外管和保护管内管，所述保护管外管和保护管内管之间形成环形腔体，所述保护管外管的上段和下段侧面均设置有通孔，当外侧冷却水流道引入堆芯冷却水时，堆芯冷却水由通孔进入环形腔体形成保护管绝热层。
本发明所述试验装置的保护管是主要的结构件，用于提供支撑而固定辐照试验件、堵流件、混流器等。保护管自身为三层环形结构，由外而内分别为保护管外管、保护管绝热层和保护管内管。保护管绝热层实际为保护管内、外管间的空腔；通过在保护管外管上段和下段侧面设置小孔(通孔)的方式，将绝热层空腔(环形腔体)与外侧冷却水流道形成联通区域。当本发明装置装载入研究堆堆芯时，堆芯冷却水逐渐经由保护管外管的小孔进入绝热层空腔，并排出原空腔内的空气。由于小孔面积较小，且环形绝热层空腔的宽度远小于外侧冷却水流道宽度，外流道冷却水经由保护管外管上部小孔、绝热层空腔、下部小孔的流道通道的流动阻力远大于外侧流道，因此绝热层内的冷却水流速极小。由于水自身的导热系数较小，因而近乎静止的冷却水可以作为良好的绝热层材料，从而有效地减少内侧流道冷却水与外侧流道冷却水之间的热交换。
进一步地，所述镉管包括镉金属层，所述镉金属层的内壁和外壁分别设置有镉管内包壳和镉管外包壳。
进一步地，镉管内包壳和镉管外包壳均采用不锈钢制成。
进一步地，辐照件的下方设置有混流器。
混流器用于搅浑流过试验段的内流道冷却水，以利于测得内侧冷却水的平均温度，从而减少试验段冷却功率的测量误差，优选为孔板式混流器。
进一步地，堵流件上设置有仪表管孔，所述仪表管孔用于安装仪表管，仪表管内可容纳热电偶接线、引压管、伽马量热计等。
进一步地，其中一个仪表管孔内设置有伽马量热计。
伽马量热计可用于在线测量不锈钢材料的伽马释热率。利用反应堆物理学的计算结果，可以得到辐照装置内不同快堆燃料元件的相对核功率比值，以及不同材料的伽马释热率相对值及其轴向分布；利用伽马量热计的结果，可以更准确地计算结构材料释热功率，从而有利于提升试验燃料元件核功率计算的准确性。
进一步地，堆芯冷却水的引入端设置有流量控制结构。
通过流量控制结构调节冷却水流量以改变辐照件外表面对流换热温差以及试验段的冷却水温升，从而可在一定幅度范围内调节试验燃料元件的辐照温度。
进一步地，堵流件采用异形结构，使得辐照件的外壁与堵流件之间的间隙相等。
通过设计堵流件的形状，使得辐照件外表面附近的冷却水流道宽度基本相同，从而保证辐照件外表面的冷却条件基本一致。
进一步地，辐照件与堵流件的数量均为3个，3个辐照件的中心连线构成等边三角形，所述等边三角形的中心落在试验装置的中心轴向上。
进一步地，在相邻两个试验燃料元件之间的间隙设置有中子探测器。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用了多棒束辐照件设计，且每个辐照件内可搭载数个快堆燃料元件，极大地提升了单个辐照装置的快堆燃料元件搭载能力。
2、本发明采用铅铋合金层建立径向换热温差，使得试验快堆燃料元件在研究堆低温冷却水环境下获得快堆运行工况下的温度环境；采用强迫流动冷却水冷却辐照试验件，可以保证高线功率密度燃料元件的有效冷却；通过改变辐照件外的冷却水流量，可在一定范围内调节和控制试验燃料元件的辐照温度，减少燃料元件释热功率波动对辐照温度的影响。
3、本发明将释热功率大的镉管设置于保护管的外部，使其与内侧冷却水流道隔离，从而提升了燃料元件核功率占内流道冷却功率的份额，有利于提升核功率的测量准确度。
4、本发明的保护管采用了特殊设计的静止水隙隔热层，可大幅度减小内、外流道冷却水之间的换热，从而可以通过增大内流道冷却水的设计温升，有效地提高燃料元件核功率的测量准确度。
5、本发明的混流器可用于搅浑流过试验段的冷却水，有利于减少内侧流道冷却水平均温度的测量误差。
6、本发明在每一个试验燃料元件下方均设置有中子注量探测器，可用于测量整个辐照试验过程中每个燃料元件处的中子注量。
7、本发明的伽马量热计可用于在线测量不锈钢材料的伽马释热率，有利于提升试验燃料元件核功率计算的准确性。
8、本发明采用了金属镉管作为试验燃料元件的热中子屏蔽结构，可以大幅度降低试验燃料棒内的热中子注量率水平，从而使得该装置可以近似模拟快中子反应堆的中子能谱。
9、本发明可应用于采用低温冷却水的研究堆。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为辐照试验装置横截面示意图；
图2为辐照试验装置纵截面示意图；
图3为辐照件纵截面图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-镉管外包壳，2-镉金属层，3-镉管内包壳，4-外侧冷却水流道，5-保护管外管，6-保护管绝热层，7-保护管内管，8-内侧冷却水流道，9-辐照件，10-堵流件，11-仪表管孔，12-混流器，201-上端头，202-氦气腔，203-铅铋合金热阻层，204-燃料元件，205-辐照件外套管，206-中子探测器，207-下端头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1-图2所示，一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，包括保护管、镉管，以及多个辐照件9和多个堵流件10，所述保护管设置在镉管内侧；
所述保护管和镉管之间的环形间隙形成外侧冷却水流道4，所述外侧冷却水流道4的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水：
所述镉管包括镉金属层2，所述镉金属层2的内壁和外壁分别设置有镉管内包壳3和镉管外包壳1；所述镉管内包壳3和镉管外包壳1均采用不锈钢制成；
所述保护管包括保护管外管5和保护管内管7，所述保护管外管5和保护管内管7之间形成环形腔体，所述保护管外管5的上段和下段均设置有通孔，当外侧冷却水流道4引入堆芯冷却水时，堆芯冷却水由通孔进入环形腔体形成保护管绝热层6；
多个辐照件9均匀布置在保护管内侧，多个堵流件10均匀布置在保护管的内壁上，辐照件9、堵流件10与保护管内壁之间的间隙形成内侧冷却水流道8，具体地，辐照件9、堵流件10均通过其上、下端部的结构与固定格架连接，从而实现径向的定位，并最终固定在保护管上，所述内侧冷却水流道8的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水；所述内侧冷却水流道8内在辐照件9的上游和下游均设置有热电偶和引压管，所述堵流件10上设置有仪表管孔11，所述仪表管孔11用于安装仪表管，所述仪表管用于容纳热电偶引线和引压管，热电偶用于测量内流道的水温；引压管用于监测试验段的压差。通过定期对引压管导出的冷却水进行水质分析，以监测辐照件是否破损；
所述辐照件9内能够搭载多个燃料元件204，多个燃料元件204首尾依次堆叠形成一个长棒形结构设置在辐照件外套管205内。
在本实施例中，保护管自身为三层环形结构，由外而内分别为保护管外管5、保护管绝热层6和保护管内管7。保护管绝热层6实际为保护管内管5、保护管外管7之间的环形腔体(绝热层空腔)；通过在保护管外管7上下段设置小孔(通孔)的方式，将绝热层空腔(环形腔体)与外侧冷却水流道4形成联通区域。当本实施例的实验装置装载入研究堆堆芯时，堆芯冷却水逐渐经由保护管外管7的小孔进入绝热层空腔，并排出原空腔内的空气。由于小孔面积较小，且环形绝热层空腔的宽度远小于外侧冷却水流道4宽度，外流道冷却水经由保护管外管7上部小孔、绝热层空腔、下部小孔的流道通道的流动阻力远大于外侧冷却水流道4，因此保护管绝热层6内的冷却水流速极小。由于水自身的导热系数较小，因而近乎静止的冷却水可以作为良好的绝热层材料，从而有效地减少内侧流道冷却水与外侧流道冷却水之间的热交换：
若保护管内管5、保护管外管7的厚度均为1.0mm，长度为1m，若保护管绝热层6的外径为61mm、厚度为1.0mm的静止水(导热系数取0.65W/m.K)，在内、外冷却水平均换热温差为5℃时的通过绝热管换热功率仅560W。同样条件下，若无绝热层材料采用不锈钢代替，则通过保护管的换热功率高达4.5kW；若内外侧换热温差缩小至3℃，则换热功率仍高达2.7kW。此实例说明了采用静止水作绝热层材料的有效性。从而可以大幅度提升内流道冷却水的设计温升，从而有效地提高燃料元件核功率的测量准确度。
在本实施例中，如图3所示，所述辐照件9包括辐照件外套管205，辐照件外套管205的两端设置有上端头201和下端头207，辐照件外套管205内上部设置有氦气腔202，照件外套管205内在氦气腔202下方多个燃料元件204首尾依次堆叠形成一个长棒形结构，燃料元件204包括燃料元件内气腔、燃料元件芯体、包壳、燃料元件上端塞和燃料元件下端塞，相邻两个燃料元件204之间设置有中子探测器206，用于测量其附近燃料元件下端部位置的中子注量，所述燃料元件204与辐照件外套管205之间设置铅铋合金热阻层203。
辐照件外套管205与燃料元件204间形成环形间隙，并使所有料元件芯体204与辐照件外套管205间的环形间隙保持一致。辐照件9内的间隙填充铅铋合金，其填充高度须整体淹没试最上层的燃料元件并留有余量。铅铋合金作为低熔点的材料，在试验过中融化后可有效地贴合试验燃料元件并导出其释热；也利用其密度大、导热系数较小的特点，可以建立足够大的导热温差，从而使得燃料元件包壳与芯体温度满足模拟快堆运行环境的要求。铅铋合金上方为氦气腔202，用于容纳不同温度下铅铋合金的体积变化。
在本实施例中，所述辐照件9与堵流件10的数量均为3个，3个辐照件9的中心连线构成等边三角形，所述等边三角形的中心落在试验装置的中心轴向上。
实施例2：
如图1-图2所示，本实施例基于实施例1，所述辐照件9的下方设置有混流器12。
混流器12用于搅浑流过试验段的内流道冷却水，以利于测得内侧冷却水的平均温度，从而减少试验段冷却功率的测量误差，优选为孔板式混流器。
实施例3：
如图1-图2所示，本实施例基于实施例1，其中一个仪表管孔11内设置有伽马量热计。
伽马量热计可用于在线测量不锈钢材料的伽马释热率。利用反应堆物理学的计算结果，可以得到辐照装置内不同快堆燃料元件的相对核功率比值，以及不同材料的伽马释热率相对值及其轴向分布；利用伽马量热计的结果，可以更准确地计算结构材料释热功率，从而有利于提升试验燃料元件核功率计算的准确性。
实施例4：
如图1-图2所示，本实施例基于实施例1，堆芯冷却水的引入端设置有流量控制结构。
通过流量控制结构调节冷却水流量以改变辐照件外表面对流换热温差以及试验段的冷却水温升，从而可在一定幅度范围内调节试验燃料元件的辐照温度。
实施例5：
如图1-图2所示，本实施例基于实施例1，堵流件10采用异形结构，使得辐照件9的外壁与堵流件10之间的间隙相等。
通过设计堵流件的形状，使得辐照件外表面附近的冷却水流道宽度基本相同，从而保证辐照件外表面的冷却条件基本一致。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，包括保护管、镉管，以及多个辐照件(9)和多个堵流件(10)，所述保护管设置在镉管内侧；
所述保护管和镉管之间的环形间隙形成外侧冷却水流道(4)，所述外侧冷却水流道(4)的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水；
多个辐照件(9)均匀布置在保护管内侧，多个堵流件(10)均匀布置在保护管的内壁上，辐照件(9)、堵流件(10)与保护管内壁之间的间隙形成内侧冷却水流道(8)，所述内侧冷却水流道(8)的顶部引入堆芯冷却水形成强迫流动冷却水；所述内侧冷却水流道(8)内在辐照件(9)的上游和下游均设置有热电偶和引压管；
所述辐照件(9)内能够搭载多个燃料元件(204)，多个燃料元件(204)首尾依次堆叠形成一个长棒形结构设置在辐照件外套管(205)内。
2.根据权利要求1所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，所述保护管包括保护管外管(5)和保护管内管(7)，所述保护管外管(5)和保护管内管(7)之间形成环形腔体，所述保护管外管(5)的上段和下段均设置有通孔，当外侧冷却水流道(4)引入堆芯冷却水时，堆芯冷却水由通孔进入环形腔体形成保护管绝热层(6)。
3.根据权利要求1所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，所述镉管包括镉金属层(2)，所述镉金属层(2)的内壁和外壁分别设置有镉管内包壳(3)和镉管外包壳(1)。
4.根据权利要求3所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，所述镉管内包壳(3)和镉管外包壳(1)均采用不锈钢制成。
5.根据权利要求1所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，所述辐照件(9)的下方设置有混流器(12)。
6.根据权利要求1所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，所述堵流件(10)上设置有仪表管孔(11)，所述仪表管孔(11)用于安装仪表管。
7.根据权利要求6所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，其中一个仪表管孔(11)内设置有伽马量热计。
8.根据权利要求1所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，堆芯冷却水的引入端设置有流量控制结构。
9.根据权利要求1所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，堵流件(10)采用异形结构，使得辐照件(9)的外壁与堵流件(10)之间的间隙相等。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种适用于棒束型快堆燃料元件的辐照试验装置，其特征在于，所述辐照件(9)与堵流件(10)的数量均为3个，3个辐照件(9)的中心连线构成等边三角形，所述等边三角形的中心落在试验装置的中心轴向上。
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