CN104103329A - 一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法 - Google Patents

一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及核燃料后处理厂溶解器的临界安全控制技术，具体涉及一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，包括置于溶解器壁内溶解液中的大吊篮，在所述大吊篮内设有固体中子毒物分区结构，所述的固体中子毒物分区结构包括环状的中子毒物层，中子毒物层的内、外两侧分别设有毒物外包壳和毒物内包壳，毒物内包壳内部设有中子慢化材料。本发明提高了后处理厂关键工艺设备溶解器的横截面积和装量，可以解决后处理厂关键的临界安全控制问题。

Description

一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法
技术领域
本发明涉及核燃料后处理厂溶解器的临界安全控制技术，具体涉及一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法。
背景技术
乏燃料后处理是闭合核燃料循环的重要阶段，工艺过程主要包括首端处理、化学分离和铀、钚尾端。其中首端处理主要是对乏燃料组件进行切割、溶解、过滤、调料，为化学分离做准备。
溶解器是后处理厂首端处理的一个关键工艺设备，其主要功能是溶解剪切成短段的乏燃料。目前国内使用的批式溶解器能够处理初始235U富集度3.3wt％、最高燃耗33000MWd/tU的动力堆乏燃料组件，处理量较小。在剪切过程中有剩余乏燃料组件残段悬挂于剪切热室中的情况出现，剩余的乏燃料组件残段作为一个强辐射源，不仅会使剪切机精密部件、气路管道、电缆等产生辐照损伤，意外跌落到溶解器增加投料量从而影响临界安全，增加放射性气体或气溶胶的释放从而影响通风系统，还影响剪切热室的相关操作，如热室检修、吊篮转移和包壳倾倒等。
为解决上述问题，需要在现有溶解器的基础上进行放大设计，实现溶解器每批的处理能力为一次完成一个乏燃料组件的溶解过程。将批式溶解器放大设计，不可避免地要增加溶解管的直径，放大形成的批式溶解器，将不再具有几何临界安全性能。
此外，为了处理更高初始富集度的核燃料组件，如初始235U富集度提高到4.45wt％甚至更高，核临界安全问题也必须重新进行分析和研究，并选择可靠的临界安全控制手段来确保溶解器运行过程中始终处于次临界安全状态，这是需要解决的关键技术之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，降低后处理厂关键工艺设备溶解器的系统反应性，在保证临界安全的前提下，有效增加溶解器的横截面积和装量。
本发明的技术方案如下：一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，包括置于溶解器壁内溶解液中的大吊篮，在所述大吊篮内设有固体中子毒物分区结构，所述的固体中子毒物分区结构包括环状的中子毒物层，中子毒物层的内、外两侧分别设有毒物外包壳和毒物内包壳，毒物内包壳内部设有中子慢化材料。
进一步，如上所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其中，所述的中子慢化材料中心开孔，并且孔壁用包壳封装。
进一步，如上所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其中，在溶解器壁外侧设置毒物反射层。
进一步，如上所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其中，所述中子毒物层为含较大中子吸收截面核素的物质，所述核素包括钆、硼、银、铟、镉、铪、钽、铕等。
进一步，如上所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其中，所述的中子慢化材料包括氢、碳的单质或化合物。
进一步，如上所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其中，所述的固体中子毒物分区结构在高度方向上覆盖整个大吊篮。
进一步，如上所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其中，所述的大吊篮壁上设有若干供溶液穿过的微孔。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，中子毒物采用环状薄层结构，使用包壳进行封装，保护毒物材料的结构，防止溶液的腐蚀。在中子毒物区域中心位置布置慢化剂材料，提高毒物吸收中子的效果。毒物区域布置在容器中心，与容器壁面组成环状容器。容器壁外布置一定厚度的毒物反射层，去掉外壁慢化剂反射的可能，进一步提高处理量。本发明的环状固体中子毒物分区布置的溶解器的临界安全控制方法,提高了后处理厂关键工艺设备溶解器的横截面积和装量，可以解决后处理厂关键的临界安全控制问题。
附图说明
图1为固体中子毒物分区结构的示意图；
图2为中心开孔的固体中子毒物分区结构的示意图；
图3-1为固体中子毒物分区结构在溶解器中的纵向截面示意图；
图3-2为固体中子毒物分区结构在溶解器中的横向截面示意图。
图中，1.毒物外包壳  2.中子毒物层  3.毒物内包壳  4.中子慢化材料  5.孔壁包壳  6.中心开孔  7.溶解液  8.大吊篮  9.溶解器壁  10.毒物反射层
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供的溶解器包括置于溶解器壁内溶解液中的大吊篮，在大吊篮内设有固体中子毒物分区结构，固体中子毒物分区结构包括环状的中子毒物层和慢化材料，并用包壳封装和分隔，环状固体中子毒物分区结构布置在大吊篮中心位置，从而达到控制临界安全的目的。
图1为固体中子毒物分区结构的横截面示意图，中子毒物层2为环形层状构造，内外分别有包壳封装和分隔，毒物内包壳3内为中子慢化材料4。中子毒物层2可以是含中子吸收截面较大核素的物质，如钆、硼、银、铟、镉、铪、钽、铕等核素的单质或化合物。毒物外包壳1和内包壳3为具有一定硬度、耐溶解液7腐蚀的结构材料，如各种不锈钢、钛合金以及其它可用合金等材料，用于保证中子毒物层2的完整性和几何结构。中子慢化材料4应为具有较强中子慢化能力的材料，如氢、碳等核素的单质或化合物。因为一般来说中子毒物层2材料热中子的吸收截面大，对快中子吸收截面小，对穿过中子毒物层2的快中子，使其能够在中子慢化材料4中得到足够慢化，成为热中子，再被中子毒物层2进一步吸收，最大程度上提高中子毒物层2吸收中子的效果。中子毒物层2的厚度可通过优化分析，使该布置控制系统反应性的效果最佳。
图2为中心开孔的固体中子毒物分区结构的横截面示意图，该种布置在图1所示结构的基础上，在中子慢化材料的中心开孔6，并用包壳5封装，开孔中用于布置测量装置或其他结构。包壳5同样为具有一定硬度、耐腐蚀的结构材料，如各种不锈钢、钛合金以及其它可用合金等材料，用于保证慢化材料4的完整性和几何结构。在中子慢化材料4布置充分的情况下，该种布置还能在维持反应性控制效果不受影响的情况下，节约中子慢化材料4的用量。
图3-1为固体中子毒物分区结构在溶解器中布置的纵向截面图，图3-2为固体中子毒物分区结构在溶解器中布置的横截面图。正常运行时，被剪切机剪切成短段的核燃料经斜溜槽进入大吊篮内，在其中的硝酸溶解中进行溶解，形成溶解液。大吊篮8壁上开有一定数目的供溶液穿过的微孔，与溶解器壁9内的溶液进行物质和能量交换。固体中子毒物分区结构布置在大吊篮壁的中心区域，高度方向上覆盖整个大吊篮，构成环形的溶解液7空间。这种布置方式虽然可能带来燃料偏心布置、毒物包壳受核燃料短段冲击的问题，但能够有效增大溶解液7的横截面面积，在保持溶解器高度不变的情况下即可提高处理。而燃料偏心布置、毒物包壳受核燃料短段冲击的问题可以通过布置分料结构、增加包壳厚度和硬度等方法予以克服。
在溶解器壁9外布置一定厚度的毒物反射层10，如含硼混凝土等，去掉外壁慢化剂反射的可能，进一步提高处理量。
本发明的固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，可以有效解决大容量批式溶解器临界安全控制问题，提高后处理厂关键工艺设备溶解器的处理量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，包括置于溶解器壁(9)内溶解液(7)中的大吊篮(8)，其特征在于：在所述大吊篮(8)内设有固体中子毒物分区结构，所述的固体中子毒物分区结构包括环状的中子毒物层(2)，中子毒物层(2)的内、外两侧分别设有毒物外包壳(1)和毒物内包壳(3)，毒物内包壳(3)内部设有中子慢化材料(4)。
2.如权利要求1所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其特征在于：所述的中子慢化材料(4)中心开孔(6)，并且孔壁用包壳(5)封装。
3.如权利要求1或2所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其特征在于：在溶解器壁(9)外侧设置毒物反射层(10)。
4.如权利要求1或2所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其特征在于：所述中子毒物层(2)为含较大中子吸收截面核素的物质，所述核素包括钆、硼、银、铟、镉、铪、钽、铕等。
5.如权利要求1或2所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其特征在于：所述的中子慢化材料(4)包括氢、碳的单质或化合物等。
6.如权利要求1或2所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其特征在于：所述的固体中子毒物分区结构在高度方向上覆盖整个大吊篮(8)。
7.如权利要求1或2所述的环状固体中子毒物分区布置的溶解器临界安全控制方法，其特征在于：所述的大吊篮(8)壁上设有若干供溶液穿过的微孔。
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