CN104282345A - 一种维持加速器驱动次临界反应堆靶窗温度恒定系统 - Google Patents

Abstract

一种维持加速器驱动次临界反应堆靶窗温度恒定系统，它由电流传感器，质子束流变压器(DCCT)、靶回路台架、旋塞、质子束管、导流管、外套管、靶固定塞、自动温控电磁感应线圈、靶窗、次临界反应堆堆芯、反应堆容器及堆芯下栅板组成。本发明优点：当加速器的质子束流突然丧失后，由于束流强度的减小，通过电流变化触发电磁线圈工作信号，电磁线圈迅速工作，对外套管底部进行加热，进而加热位于外套管内、靶窗下方的冷却剂，使得靶窗在质子束流丧失后的温度保持恒定，保证在加速器质子束流丧失后，靶窗的温度不会明显下降，大大降低由于失束导致的靶窗热应力变化，进而降低了靶窗因为加速器质子束流频繁丧失产生的热应力循环而导致的靶窗材料疲劳破裂风险。

Description

一种维持加速器驱动次临界反应堆靶窗温度恒定系统

技术领域

本发明涉及加速器驱动次临界堆散裂靶技术，属于加速器驱动次临界反应堆的安全技术领域。 

背景技术

加速器驱动次临界反应堆是目前致力于嬗变放射性核废物、有效利用核资源及产出核能量的理想装置。主要由质子加速器、散裂靶、次临界反应堆三个部分组成，是一种铅铋冷却的池式快堆。其基本原理是：由加速器产生的质子束流轰击设在次临界堆中的重金属靶件(铅铋合金)，引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子，1个能量为1GeV的质子在厚靶上约产生30个中子，散裂靶为次临界堆提供外源中子。散裂靶是加速器驱动次临界反应堆中质子加速器与次临界反应堆的耦合部件，加速器产生的高能质子束打到散裂靶上会产生大量中子，用于维持次临界反应堆的中子链式裂变反应，与此同时，大部分质子束能力会在此时转化为热能，带来靶结构材料的冷却问题和相关的安全问题。散裂靶的安全问题直接关系到整个次临界反应堆能否安全运行，加速器驱动次临界反应堆的散裂靶主要分为三大类：第一类，固态散裂靶，固态散裂靶一般体积较大、结构设计复杂，冷却剂导热性能差，功率小；第二类，液态无窗散裂靶，液态无窗散裂靶是近年来新提出的一种高功率的加速器驱动次临界反应堆的散裂靶解决方案，由于其采用了无窗靶的设计方案，使得靶系统能够承受较高能量的质子束轰击，极大的提高了散裂中子的产额，而且不存在靶窗材料的疲劳问题，但是无窗靶的缺点也非常明显：(1)设计建造难度高；(2)运行非常不稳定，对次临界反应堆会产生不良影响；(3)液态散裂靶对加速器的要求很高，现有加速器可靠性水平远不能满足无窗散裂靶的要求。世界上尚无建成的液态无窗散裂靶。第三类，液态有窗散裂靶，液态散裂靶可有效解决固态散裂靶中结构材料的能量移出、散列材料损伤和靶体结构复杂、庞大等问题和液态无窗散裂靶的不稳定性、无法保证加速器安全运行问题。其特点在于：靶回路结构紧凑，运行稳定，设计、建造的难度小，但是由于靶窗要包容质子束流，因此要承受一定的温度。同时，现有加速器运行数据表明，加速器的质子束流会频繁丧失，因而会导致靶窗温度的频繁变化，长此以往，靶窗可能会因为热应力循环而导致材料疲劳，最终靶结构的破坏，这对于加速器驱动次临界反应和散裂靶都是极为不利的。 

目前有窗散裂靶靶窗都经受着热疲劳风险的考验，而现有加速器的运行数据表明，加速 器质子束会频繁丧失，质子束丧失时间从0.1s到几百秒不等，根据现有加速器运行数据的估计，质子束切断时间在10s内的质子束丧失大约为1.5X10⁴次/年，质子束切断时间在10s～5min内的质子束丧失大约为4X10⁴次/年，而大于5min的质子束丧失频率为4X10³次/年，如此高的质子束丧失频率，靶窗和堆内其他部件很可能会因为热疲劳与蠕变造成部件破坏，因此要关注由于质子束频繁丧失导致的部件热疲劳问题。 

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有的加速器驱动次临界反应堆有窗靶靶窗可能在加速器的质子束频繁丧失的情况下发生热疲劳的问题，提供一种可以在加速器质子束丧失后保持靶窗温度恒定，具有高效性、实时性的维持加速器驱动次临界反应堆靶窗在失束后温度恒定的系统 

本发明的技术解决方案：一种维持加速器驱动次临界反应堆靶窗温度恒定的系统，包括加速器、电流传感器、质子束流变压器(DCCT)、台架、旋塞、质子束管、导流管、外套管、冷却剂和靶固定塞、自动温控电磁感应线圈、靶窗、次临界反应堆堆芯，反应堆容器及堆芯下栅板；其中质子束管、导流管、外套管和靶窗构成加速器驱动次临界反应堆的散裂靶，质子束管、导流管、外套管嵌套安装，靶窗为质子束管底部结构，散裂靶通过台架的固定，通过旋塞竖直安装于次临界反应堆堆芯，并且下部由靶固定塞支撑，台架与旋塞均固定于反应堆容器的壁上，反应堆容器为圆筒形结构用于包容次临界堆芯及散裂靶的部分结构；次临界堆芯竖直安装在下栅板上并整体置于反应堆容器中，靶固定塞竖直安装在下栅板上；自动温控电磁感应线圈通过靶固定塞上的通道安装在外套管底部；靶窗下方装有冷却剂；电流传感器与自动温控电磁感应线圈相连； 

加速器产生的质子束流从靶窗上方注入，当在加速器产生的质子束流丧失后，束流变压器(DCCT)测得质子束流变小后反馈信号给自动温控电磁感应线圈，自动温控电磁感应线圈在接受到触发信号后迅速开始工作，高效迅速的加热靶窗下方的冷却剂，在自动温控电磁感应线圈温度控制系统的反馈下，保持靶窗下方冷却剂的温度稳定，进而使得靶窗在质子束流丧失后温度不会大幅降低，因而在质子束流丧失的状况下，可使靶窗的热应力保持恒定，减少了由于加速器频繁丧失质子束流而导致的靶窗材料疲劳风险。 

所述的散裂靶的类型为有窗靶。 

所述自动温控电磁感应线圈通过靶固定塞上的通道以螺旋方式安装在外套管下部。 

本发明的原理：在散裂靶的外套管底部装有电磁感应线圈及温度传感器，在加速器质子束流丧失后，束流变压器(DCCT)测得质子束流变小后可反馈信号给电磁线圈触发开关，电磁线圈在接受到触发信号后迅速开始工作，高效迅速的加热靶窗下方的冷却剂，在温度传 感器的反馈下，保持靶窗下方冷却剂的温度稳定，进而使得靶窗在质子束流丧失后温度不会大幅降低，因而在质子束流丧失的状况下，可使靶窗的热应力保持恒定，减少了由于加速器频繁丧失质子束流而导致的靶窗材料疲劳风险。 

所述温度稳定系统具有高效性、快速性的特点。本发明利用自动温控原理，设计了靶窗温度加热系统，可以使靶窗下方的冷却剂在质子束丧失后继续加热靶窗，使得靶窗的温度不致降低，从而不会有热应力的大幅度变化，这样就避免了靶窗因质子束频繁丧失而导致的热疲劳风险，同时保证了靶回路的安全性，进而保证了加速器驱动次临界反应堆的安全性。 

所述电磁感应线圈加热速度快，电磁线圈本身不发热，使用寿命长，功率密度不受限制，加热线圈结构简单，体积小，易安装，不存在老化寿命问题，保温容易，加热效率高。被加热温度范围宽，可达到1400℃以上，并且电磁感应加热节能效率高，可大大节约维护成本。 

所述电磁感应加热线圈采用可自动温控的电磁感应线圈，可以根据需要设置恒定温度值，当系统监测到温度低于一定的限值后电磁线圈便开始工作。 

所述系统的加速器束流变压器(DCCT)为加速器的基本装置，是加速器质子束流测量系统，本发明利用束流变压器的电流信号，将其作为电磁感应线圈的触发信号，从而达到信号触发和温度控制的作用。 

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明具有二个特点：第一，高效性：电磁感应加热速度快，加热效率高，加之靶窗下方区域空间本来就不大，因此可以非常有效的加热靶窗下方的冷却剂；第二，优越性：由于电磁感应线圈装于靶外套管外部，并且可不与靶外套管接触，因此可避免电磁感应线圈与靶外套管接触产生的局部接触应力，减少了局部应力集中的风险，避免了热电偶加热因为埋入加热段导致的应力集中。综上，本发明具有简易实用和高可靠性的特点，能满足维持靶窗在质子束流丧失后靶窗温度恒定的能力。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图： 

图2为自动温控电磁感应线圈的结构图； 

图3为本发明工作原理图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明系统包括加速器1、电流传感器3、质子束流变压器DCCT4、靶回路台架5、旋塞6、质子束管7、导流管8、外套管9、冷却剂10和靶固定塞11、自动温控电磁感应线圈13、靶窗14、次临界反应堆堆芯15、反应堆容器16及堆芯下栅板12。其中质子束管7、导流管8、外套管9和靶窗14构成加速器驱动次临界反应堆的散裂靶，散裂靶连接加速器1和次临界堆堆芯15两部分。 

自动温控电磁感应线圈13与靶回路独立，可以在靶加工完成后再后期加入。质子束流变压器为加速器的固定配置装置，电流传感器3以束流变压器电流减小为触发信号输入给自动温控电磁感应线圈13，从而使自动温控电磁感应线圈13开始工作。次临界堆堆芯15反应了散裂靶在加速器驱动次临界系统的相对位置。靶固定塞11是支撑散裂靶的装置，位于次临界堆芯15中间，并竖直安装于下栅板12上。下栅板12为支撑散裂靶及次临界堆芯15的装置，并与反应堆堆容器16相连接，次临界堆芯与靶固定塞垂直安装在下栅板上。 

加速器驱动次临界堆由三部分构成：加速器1、次临界堆堆芯15，以散裂靶连接两部分。次临界堆芯15竖直安装在下栅板12上，靶固定塞11竖直安装在下栅板上，散裂靶穿过次临界堆芯竖直安装在靶固定塞上，旋塞6用以将次临界堆芯与外部气体隔绝开形成相对封闭的空间，台架5用以约束散裂靶的水平位移，旋塞6与台架5均与反应堆容器16相连接。加速器1在次临界堆外部，束流变压器4与加速器相连接安装于堆芯外部用以监测质子束流强度。自动温控电磁感应线圈13通过靶固定塞11上的通道以螺旋方式安装在外套管9下部，电流传感器3将束流变压器4与自动温控电磁感应线圈13通过靶固定塞11上的通道从堆芯外部相连接。 

自动温控电磁感应线圈13的布置方式：自动温控电磁感应线圈13可通过靶固定塞11的通道17进行安装，还可以可将连接自动温控电磁感应线圈13与电流传感器3的线路通过靶固定塞11下方的通道布置于次临界堆芯外部并通过钢管等装置对连接线路进行保护。靶固定塞11将自动温控电磁感应线圈13与堆内铅铋冷却剂10及靶回路的铅铋冷却剂隔离开来，避免了铅铋泄露导致的线路腐蚀，一旦靶回路破裂，铅铋泄露，泄露的铅铋也可通过靶固定塞上的通道引流，不会扩散到堆芯其他部件。保护线路的钢管与靶固定塞11采用螺纹连接方式，该连接方式使线圈易于安装，线路易于检查更换。 

如图2所示，自动温控电磁加热装置工作原理如下： 

自动温控电磁线圈13均匀绕于散裂靶外套管9外壁，自动温控电磁线圈13两端与温控电磁感应器18连接，温控电磁控制器18与电流传感器3相连，19为连接各装置的线路，通220V交流电。 

当加速器质子束流2丧失后，质子束流变压器4电流减小，电流传感器3将此信号作为自动温控电磁感应线圈13的触发信号，使自动温控电磁感应线圈13开始工作，当达到设置值线圈停止加热，或者当束流变压器4的电流恢复正常大小时，没有触发信号输入给自动温控电磁感应线圈13时，自动温控电磁感应线圈13也自动停止加热。 

如图3所示，本发明工作流程图如下： 

下面以某加速器驱动次临界反应堆的靶回路为参考，提供几种在加速器质子束丧失后电 磁加热系统的响应方式，以便阐述该系统的具体工作方式和所提供的技术方案。 

当反应堆正常运行，加速器质子束流2不丧失时，本发明系统处于备用状态，当加速器质子束流2丧失后，与束流变压器4相连的电流传感器3将触发信号通过线路19将信号传递给电磁加热线圈13。由于电磁感应线圈13加热效率高，且不会与靶外套管9产生接触应力，因此可以迅速加热靶窗14下方的冷却剂10，进而加热靶窗14，使加速器1在质子束流2丧失后，靶窗14的温度依然保持恒定。备用工况散裂靶7、8、9、14相关参数见表1，事故信号下散裂靶相关参数见表2。从表2可以看出，在事故信号下，可以很好的维持靶窗14温度保持基本不变，该温度下的靶窗14热应力不会造成结构材料的疲劳和破坏。 

表1备用工况时散裂靶的主要技术特性和参数 

表2工作工况时散裂靶的主要技术特性和参数 

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Claims (3)

1.一种维持加速器驱动次临界反应堆靶窗温度恒定系统，其特征在于：包括加速器(1)、电流传感器(3)、质子束流变压器(DCCT)(4)、靶回路台架(5)、旋塞(6)、质子束管(7)、导流管(8)、外套管(9)、冷却剂(10)和靶固定塞(11)、自动温控电磁感应线圈(13)、靶窗(14)、次临界反应堆堆芯(15)，反应堆容器(16)及堆芯下栅板(12)；其中质子束管(7)、导流管(8)、外套管(9)和靶窗(14)构成加速器驱动次临界反应堆的散裂靶，质子束管(7)、导流管(8)、外套管(9)嵌套安装，靶窗(14)为质子束管底部结构，散裂靶通过台架(5)的固定，通过旋塞(6)竖直安装于次临界反应堆堆芯(15)，并且下部由靶固定塞(11)支撑，台架(5)与旋塞(6)均固定于反应堆容器(16)的壁上，反应堆容器(16)为圆筒形结构用于包容次临界堆芯(15)及散裂靶的部分结构；次临界堆芯(15)竖直安装在下栅板(12)上并整体置于反应堆容器(16)中，靶固定塞(11)竖直安装在下栅板上；自动温控电磁感应线圈(13)通过靶固定塞(11)上的通道安装在外套管(9)底部；靶窗(14)下方有冷却剂(10)；电流传感器(3)与自动温控电磁感应线圈(13)相连；

加速器(1)产生的质子束流(2)从靶窗(14)上方注入，当在加速器(1)产生的质子束流(2)丧失后，束流变压器(DCCT)(4)测得质子束流变小后反馈信号给自动温控电磁感应线圈(13)，自动温控电磁感应线圈(13)在接受到触发信号后迅速开始工作，高效迅速的加热靶窗(14)下方的冷却剂(10)，在自动温控电磁感应线圈(13)中温度控制系统的反馈下，保持靶窗(14)下方冷却剂(10)的温度稳定，进而使得靶窗(14)在质子束流(2)丧失后温度不会大幅降低，因而在质子束流丧失的状况下，可使靶窗(14)的热应力保持恒定，减少了由于加速器(1)频繁丧失质子束流(2)而导致的靶窗(14)材料疲劳风险。

2.根据权利要求1所述的维持加速器驱动次临界反应堆靶窗温度恒定系统，其特征在于：所述的散裂靶的类型为有窗靶。

3.根据权利要求1所述的维持加速器驱动次临界反应堆靶窗温度恒定系统，其特征在于：所述自动温控电磁感应线圈(13)通过靶固定塞(11)上的通道以螺旋方式安装在外套管(9)下部。