CN103310859A - 裂变中子转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了裂变中子转换器，包括内套管、以及与内套管同轴套装的外套管，在内套管和外套管之间的两个端部分别安装有上栅格板和下栅格板，在上栅格板和下栅格板之间安装有十字形燃料棒。本发明裂变中子转换器，充分利用现有的研究堆的技术条件来解决材料辐照的瓶颈问题可以达到事半功倍的效果，解决了目前一方面先进研究堆的建成并非一朝一夕，另一方面大量在役研究堆仍在运行的问题，采用高裂变密度燃料制成的十字形燃料棒，在满足HFETR物理热工安全的条件下，大幅提高了堆芯局部快中子注量率，这不仅有效开发了HFETR技术潜力，而且节约了材料辐照成本。

Description

裂变中子转换器
技术领域
本发明涉及反应堆燃料组件定位格架堆外试验的装置，具体是裂变中子转换器。
背景技术
随着世界核能技术的发展，对材料的耐辐照性能要求越来越高。作为第四代核电的超临界反应堆，其设计压力为25MPa，温度为550℃，这些性能参数值远远超出了迄今为止所有反应堆设计的参数，需要研究在超临界状态下材料的中子物理特性。作为未来能源技术发展方向的核聚变，材料问题一直是制约其发展关键因素和瓶颈问题。根据设计要求，ITER第一壁的材料需要承受几个dpa的快中子辐照，DEMO需要承受几十个dpa的快中子辐照，而今后的商用聚变堆材料可能需要承受高达上百dpa的快中子辐照。在目前的裂变堆中子谱情况下，裂变堆满功率运行一年仅可使材料达到1～5dpa。由此可见，在裂变堆中开展中子转换器技术研究，以大幅度提高辐照孔道的高能快中子注量率，缩短材料在裂变堆中的辐照时间，更好的满足堆用材料的研发迫切需要。
高通量工程试验堆（简称HFETR）是我国唯一的高通量工程试验堆研究平台，具备开展裂变中子转换器技术研究的条件：中子通量高、辐照孔道多、专门的材料辐照考验回路、热室规模大、任务饱满。HFETR快中子注量率达到1.7×1015n/（cm2·s）；HFETR 是我国堆芯中子辐照孔道最多的反应堆，它设计建造的主要目的就是用于核燃料和核材料的辐照考验，可以满足不同尺寸大小的燃料和材料辐照要求。但是它每年能提供的材料辐照剂量仅为2～4dpa，因此设计一种带高裂变密度燃料的辐照装置——裂变中子转换器来提高HFETR辐照能力具有较好的适用价值。
国外的裂变中子转换器的，采用的燃料元件形状会有所不同。目前较多采用的是套管和十字形燃料元件，较少采用平板型、渐开线型、弯板等形状，因为后者使得转换器设计变得相当复杂。比利时BR2材料试验堆采用Φ75mm套管形燃料元件，通过建立钠回路或氦回路带走转换器释放出的热量，但增大了材料辐照成本，堆内位置相对固定。法国JHR堆提出的中子转换器的概念设计外形为六角形，采用的是90根十字形燃料元件。燃料元件的最大外形尺寸为6mm。该转换器内材料的辐照损伤比堆芯的材料辐照损伤提高25%。JHR堆的中子转换器燃料元件外形尺寸过大，不利于提高其功率密度。
发明内容
本发明的目的在于提供应用于裂变中子转换器，利用现有的设备实现高性能材料辐照试验，满足日益增长的高性能材料辐照试验需求。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
裂变中子转换器，包括内套管、以及与内套管同轴套装的外套管，在内套管和外套管之间的两个端部分别安装有上栅格板和下栅格板，在上栅格板和下栅格板之间安装有十字形燃料棒。本发明采用含高裂变密度的十字形燃料棒，其外形结构和尺寸与HFETR堆内结构及操作工具相匹配，本发明不是仅仅适用于HFETR堆，还适用于与HFETR结构相似的反应堆，其内装有62根十字形燃料棒，中间就形成Φ20mm辐照孔道，可以用于材料辐照试验，通过转换器就可以利用现有的反应堆进行辐照实验，可以灵活布置于堆芯的任何栅元，不受辐照孔道的限制。
在所述上栅格板和下栅格板上均设置有安装十字形燃料棒的圆形沉孔，圆形沉孔呈三角点阵排列，相邻的四个十字形燃料棒之间由肋与肋形成菱形流道。进一步讲，作为本发明的进一步改进，为了增加冷却剂的换热面积，采用将上栅格板和下栅格板上均设置有安装十字形燃料棒的圆形沉孔，圆形沉孔呈三角点阵排列，相邻的四个十字形燃料棒之间由肋与肋形成菱形流道，如此，棱形的通道增加了流到面积，对提高整个转换器的功率是有利的。
所述十字形燃料棒包括横截面呈“十”字形的包壳、安装在包壳内的燃料芯体、以及安装在包壳两端的端塞，所述端塞与圆形沉孔相匹配。
还包括与上栅格板的圆形沉孔相匹配的节流塞，所述节流塞的上端沿其轴向设置有三个矩形槽，用于少量冷却剂流过带走构件的γ热；在其下端有圆周向的矩形槽，用于增大流体阻力和周向分流。作为本发明的进一步改进，当在裂变中子转换器辐照孔道内辐照材料时，将节流塞取出，在Φ20mm孔道内放置辐照装置；当其不辐照材料或实验已完成而又不需移出堆芯时，将节流塞安装于上栅格板中间的圆孔起节流作用，减少HFETR堆芯冷却剂的损失以保证反应堆安全。
在外套管的顶部安装有上接头，在上接头下方安装有定位块。进一步讲，为了固定上栅格板，使得上栅格板与上接头、外套管连接牢固，可以采用定位块作为固定的基准点。
在所述定位块的下方设置有三个或三个以上的支腿，定位块的下端面与外套管固定连接。具体地讲，定位块是通过设置的支腿进行定位的，定位块上可以设置三个或三个以上的支腿，支腿均匀分布在定位块下方，支腿内外表面的曲率半径与其上部环状相应表面相同，根据不同的使用习惯，可以设置成多个支腿。
在所述上接头的侧壁设置有多个引流孔。进一步讲，作为本实用新型的进一步改进，在上接头的侧壁设置有多组引流孔，每组包括多个引流孔，各组的孔均匀分布可使冷却水均匀流入本装置，引流孔的数量和组数不限，只要能够满足是冷却水均匀流入转换器并满足转换器的热工要求即可。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1本发明裂变中子转换器，采用含高裂变密度的十字形燃料棒，其外形结构和尺寸与HFETR堆内结构及操作工具相匹配，其内装有62根十字形燃料棒，中间就形成Φ20mm辐照孔道，可以用于材料辐照试验，通过转换器就可以利用现有的反应堆进行辐照实验，可以灵活布置于堆芯的任何栅元，不受辐照孔道的限制；
2本发明裂变中子转换器，采用将上栅格板和下栅格板上均设置有安装十字形燃料棒的圆形沉孔，圆形沉孔呈三角点阵排列，相邻的四个十字形燃料棒之间由肋与肋形成菱形流道，棱形的通道增加了流到面积，对提高整个转换器的功率是有利的；
3本发明裂变中子转换器，定位块上可以设置三个或三个以上的支腿，支腿均匀分布在定位块下方，支腿内外表面的曲率半径与其上部环状相应表面相同，根据不同的使用习惯，可以设置成多个支腿；
4本发明裂变中子转换器，充分利用现有的研究堆的技术条件来解决材料辐照的瓶颈问题可以达到事半功倍的效果，解决了目前一方面先进研究堆的建成并非一朝一夕，另一方面大量在役研究堆仍在运行的问题，采用高裂变密度燃料制成的十字形燃料棒，在满足HFETR物理热工安全的条件下，大幅提高了堆芯局部快中子注量率，这不仅有效开发了HFETR技术潜力，而且节约了材料辐照成本。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：
1—上接头，2—定位块，3—外套管，4—上栅格板，5—节流塞，6—十字形燃料棒， 7—内套管，8—下栅格板，9—下接头，10—引流孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明裂变中子转换器，包括内套管7、以及与内套管7同轴套装的外套管3，在内套管7和外套管3之间的两个端部分别安装有上栅格板4和下栅格板8，上栅格板4和下栅格板8结构尺寸完全相同，上栅格板4和下栅格板8上设置有64个燃料棒安装沉孔，各孔成三角形点阵排列，由肋相连，该沉孔数量和排列方式是根据反应堆物理和热工相互耦合计算、对机械结构不断优化而获得的，肋与肋之间形成菱形冷却水流道，上栅格板4和下栅格板8中间安插64根十字形燃料棒6，在上栅格板4中间的圆孔内还安装有节流塞5，节流塞5具有上端头和下端头，在其上端头沿轴向设置有三个矩形槽，使少量冷却剂流过带走构件的γ热；下端头设置有圆周向矩形槽，用于增大流体阻力和周向分流，当在裂变中子转换器辐照孔道内辐照材料时，将节流塞5取出，在Φ20mm孔道内放置辐照装置；当其不辐照材料或实验已完成而又不需移出堆芯时，将节流塞5安装于上栅格板4中间的圆孔起节流作用，减少HFETR堆芯冷却剂的损失以保证反应堆安全十字形燃料棒6包括横截面呈“十”字形的包壳、安装在包壳内的燃料芯体、以及安装在包壳两端的端塞，端塞与圆形沉孔采用过渡配合安装成一体，作为一个整体安装于外套筒内，其上端由上栅格板4的上端面与定位块2的支腿端面配合来实现定位，定位块2有三个支腿，按照120°的间距均匀分布，其下端由下栅格板8的下端面与下接头9端面配合来实现定位；在定位块2的上部安装有上接头1，上接头1上设置有12个引流孔10，12个引流孔10分成三组，每组4个，三组均匀分布在上接头1的侧壁上，在上接头1的端头设置抓取凹槽，方便工具抓取。在裂变中子转换器入堆前，从上接头前端孔道取出预先配置的节流塞5，把设计好的材料辐照装置安装在该转换器的中心孔道内；利用燃料元件装卸工具把裂变中子转换器放置在HFETR燃料元件转换架上，通过转换架移动至堆内相应位置附近，再用装卸工具抓取转换器的上接头并提起，对准反应堆栅格板所在栅元位置，把转换器下接头插入栅格板；材料试验完成后，同样利用燃料元件装卸工具和转换架，通过堆芯卸料孔道把裂变中子转换器置于保存水池存放，等待材料试验装置的放射性水平降低到一定水平时，利用靶件操作工具取出装置运送到热室进行辐照后检测。 
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.裂变中子转换器，其特征在于：包括内套管（7）、以及与内套管（7）同轴套装的外套管（3），在内套管（7）和外套管（3）之间的两个端部分别安装有上栅格板（4）和下栅格板（8），在上栅格板（4）和下栅格板（8）之间安装有十字形燃料棒（6）。
2.根据权利要求1所述的裂变中子转换器，其特征在于：在所述上栅格板（4）和下栅格板（8）上均设置有安装十字形燃料棒（6）的圆形沉孔，圆形沉孔呈三角点阵排列，相邻的四个十字形燃料棒（6）之间由肋与肋形成菱形流道。
3.根据权利要求2所述的裂变中子转换器，其特征在于：所述十字形燃料棒（6）包括横截面呈“十”字形的包壳、安装在包壳内的燃料芯体、以及安装在包壳两端的端塞，所述端塞与圆形沉孔相匹配。
4.根据权利要求2所述的裂变中子转换器，其特征在于：还包括与上栅格板（8）的圆形沉孔相匹配的节流塞（5），所述节流塞（5）的上端沿其轴向设置有三个矩形槽，用于少量冷却剂流过带走构件的γ热；在其下端有圆周向的矩形槽，用于增大流体阻力和周向分流。
5.根据权利要求1所述的裂变中子转换器，其特征在于：在外套管（3）的顶部安装有上接头（1），在上接头（1）下方安装有定位块（2）。
6.根据权利要求5所述的裂变中子转换器，其特征在于：在所述定位块（2）的下方设置有三个或三个以上的支腿，定位块（2）的下端面与外套管（3）固定连接。
7.根据权利要求5所述的裂变中子转换器，其特征在于：在所述上接头（1）的侧壁设置有多个引流孔（10）。
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