低中子注量材料辐照装置的设计及应用
对于低温、低中子注量试验要求的材料辐照试验, 现有的辐照装置无法满足其试验要求, 所以需要对辐照装置进行重新设计。考虑到相对较低的辐照温度, 辐照装置模拟燃料组件形式, 采用紧凑型开放式的辐照罐结构, 利用岷江试验堆 (简称为“MJTR”) 一次水对材料辐照样品直接进行冲刷, 带出材料辐照样品释热。本文对低中子注量材料辐照装置进行了介绍。
1 岷江试验堆简介
岷江试验堆 (以下简称MJTR) 是一座游泳池式反应堆, 轻水作为慢化剂和冷却剂, 铍作为反射层。MJTR的额定功率为5MW, 堆芯最大快中子注量率1.43×1014n/cm2·s, 最大热中子注量率8.03×1013n/cm2·s。MJTR堆芯辐照孔道共9个, 活性区高度1000mm, 主要利用其低温、低中子注量率的特性开展军用和民用材料的辐照试验。MJTR堆芯辐照孔道布置如图1。
2 低中子注量材料辐照装置设计
2.1 装置设计原则
(1) 辐照装置考验段应布置在堆芯中子注量率较平坦的区域, 以保证样品温度的均匀性;
(2) 辐照装置承受来自反应堆一次水的冲击, 应考虑流致振动影响, 具备防振动功能;
(3) 为减少放射性废物量, 辐照装置主体材料采用铝合金;
(4) 通过节流塞的控制和调节一次水流速, 以达到控温效果。
2.2 辐照装置概述
低中子注量材料辐照装置采用紧凑开放形式的辐照罐, 下端插入反应堆栅格板内, 考验段内主要用于排列放置材料辐照样品。整个辐照装置不分段, 由上下两端的部件固定, 并用支撑管、定位管将辐照样品放置于堆芯中子注量率较平坦的区域内。辐照装置主要由吊装头、上下定位管、外套管、定位板、中子探测试样、节流塞和下端头等装置构成, 结构示意图见图2。
2.3 吊装头
吊装头安装于辐照装置最上端, 用于进行整个装置入堆、出堆过程。最上端的蘑菇头用于方便夹具夹住其进行吊装, 中部设计8个Ф5的圆孔用于通水以及出入管线。下部侧壁设计有4个M5的螺纹孔用于连接外套筒, 用于密封整个辐照装置。
2.4 上、下支撑管
上、下支撑管用于对辐照样品的位置进行定位, 将辐照样品放置于MJTR中轴向中子注量率较平坦的区域, 以确保材料辐照试验结果满足要求, 并使辐照装置内冷却水能对辐照样品进行冲刷, 保证材料辐照温度满足辐照试验要求。
2.5 辐照样品及定位板
由于需对辐照样品进行定位, 所以必须用定位板将辐照样品卡住安装于辐照装置内, 同时为了保证辐照样品的辐照温度, 必须采用反应堆一次水对辐照样品进行直接冲刷, 为此, 专门设计了定位块对辐照样品进行定位。
辐照样品分两种, 一种为10mm×10mm×55mm的规则长方体的冲击样品, 另一种则为外形尺寸为Ф10mm×55mm的圆柱形的拉伸样品。
定位板在外围一圈留出2mm的距离用于侧边通水, 并在中部设有Ф16mm的圆孔用于中部通水, 使整个考验段区域可以从外侧及中部通水, 充分保证了辐照样品的温度满足试验要求。
图8中为辐照样品单层组装图, 辐照样品全部采用圆周布置方式, 使每层的样品布置实现了最大化, 有效的利用了辐照空间, 缩短了辐照装置考验段长度, 从而使辐照样品的中子受照量更加均匀。
2.6 下端头
下端头由下接头、节流塞、螺钉和下套管等组成, 主要作用是通过节流塞对冷却剂流速控制从而控制辐照样品的辐照温度。
节流塞的作用是调节试验段内流道冷却水流量。按照水力计算得出结果, 节流塞齿宽3mm, 齿间距为7mm。下端头示意图见图9。
2.7 辐照试验温度测量控制
2.7.1 辐照试验温度测量方法
本试验采用铠装K型热电偶测量辐照试验温度, 为保证测量的温度能准确反应辐照样品的温度, 热电偶钎焊在模拟样品上。模拟样品材料与原辐照样品材料一致, 外形尺寸与冲击试验样品一致。
2.7.2 温度测点布置
整个辐照装置及辐照样品浸泡在堆芯水池中, 各辐照样品之间温差小, 因此, 辐照装置布置2个温度测点, 测点布置在辐照装置中间层阳面 (正对反应堆堆芯) 和装置外侧。
2.7.3 温度控制
辐照试验温度与反应堆冷却水温度基本一致。MJTR冷却水的温度为45℃~50℃, 本辐照装置利用反应堆一次水带出辐照样品释热, 达到控制辐照考验温度的效果。
3 辐照试验
3.1 试验过程
为对低中子注量材料辐照装置的设计进行堆内验证试验, 通过MJTR孔道中子注量率计算, 选择在MJTR的K5辐照孔道进行辐照考验。辐照装置考验段为454 mm, 外套管Ф63 mm×1.5 mm, 在考验段中设置热电偶, 测量MJTR各功率水平下考验段辐照样品的温度。
3.2 试验结果
通过对低中子注量材料辐照装置的结构设计, 利用反应堆一次水的强制对流, 克服了MJTR的堆内材料的自屏蔽效应产生的径向轴向温差, 使考验段辐照样品温度稳定且可控, 且满足辐照考验温度要求。
4 结语
在反应堆内的低中子注量材料辐照试验中, 国内主要利用反应堆一次水来控制辐照样品温度, 还可以采用其它方式来进行试验, 比如沸腾技术, 液氮强制流动技术, 液氮喷射, 散热片冷却等。
低中子注量材料辐照装置的应用, 填补了在低温材料辐照试验装置设计的空白, 为低温、超低温辐照试验装置设计提供了新思路, 为实现低温、高注量, 超低温材料堆内辐照考验奠定了基础。
摘要：为进行低温低中子注量的材料辐照考验, 专门开发设计了适用于池式研究堆的新型辐照装置, 堆内验证试验表明该辐照装置能够满足材料低温、低中子注量辐照考验要求。低中子注量材料辐照装置结构设计模拟燃料组件形式, 采用整段外侧密封、中部通水的开放式辐照装置结构, 简易安全且方便出入反应堆操作, 完全适用于低温、低中子注量的材料辐照试验。
关键词：低中子注量,辐照装置,装置设计
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