CN107230503B - 一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于快中子反应堆屏蔽技术领域，特别涉及一种具有高效屏蔽性能的屏蔽组件结构设计。该屏蔽组件在保留六角形外套管的基础上，内部自下往上填充屏蔽元件球，简化了原有屏蔽元件棒端塞、空腔、压紧弹簧、绕丝的设计，同时提升屏蔽组件屏蔽中子及γ射线辐射的性能。屏蔽元件球的两层陶瓷材料设计确保了屏蔽组件在运行期间的完整性与可靠性，内层疏松的热解碳陶瓷材料为辐射活化产物提供存储空间，吸收碳化硼屏蔽材料因辐射引起的肿胀，并缓冲由温度及辐照引起的应力；外层致密且各向同性的热解碳陶瓷材料则提供第二层保护，避免内层疏松的热解碳陶瓷材料层受到机械损害，进一步提高屏蔽元件球的安全性。

Description

一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构
技术领域
反应堆快中子屏蔽技术领域，特别涉及一种具有高效屏蔽性能的屏蔽组件结构设计。
背景技术
核反应堆中存在多种辐射，而大多数辐射对于设备的材料是有害的，产生辐照损伤会使得设备材料的性能发生改变，影响反应堆的正常运行。其中中子及γ射线的辐照是导致反应堆材料辐照损伤的主要原因，为了防止堆内结构材料受到过度的辐照损伤和保护反应堆容器本身，快中子反应堆需要在堆芯外围布置屏蔽组件进行轴向屏蔽。
现有技术中，快堆屏蔽组件主要采用了屏蔽元件棒的设计，屏蔽元件棒呈正三角形排列，径向采用绕丝定位，轴向采用导轨式格栅定位。单根屏蔽棒由上端塞、包壳管、气腔、压紧弹簧、碳化硼芯块、下端塞及绕丝组成。上述方式存在以下不足之处：
（1）由于屏蔽组件屏蔽棒中的端塞、气腔、压紧弹簧占据一定的体积，使得屏蔽组件在端塞、气腔、压紧弹簧所在的高度对于快中子及γ射线的屏蔽效果减弱，从而使同一高度的反应堆容器受到的辐射增加，不利于反应堆容器长寿命的使用；
（2）屏蔽组件长期处于高辐照及高温高压的恶劣环境下，屏蔽元件棒内的碳化硼芯块容易与包壳发生接触，使包壳产生径向形变与肿胀；
（3）屏蔽元件棒的结构使得工业加工难度变得更大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种具有高效屏蔽性能的屏蔽组件结构设计，
本发明采用的技术方案为。
屏蔽组件保留六角形外套管及两端结构件的设计，便于快堆组件的装卸操作及统一管理。取消屏蔽元件棒的设计，改用向六角形外套管内部填充屏蔽元件球以达到更好的屏蔽效果。屏蔽材料选用屏蔽性能优良的碳化硼材料，而屏蔽元件球的结构材料选用了耐高温、耐腐蚀、耐磨的热解碳陶瓷材料，其比强度在室温情况下超过不锈钢，拉伸强度与热导率也十分优良。
屏蔽元件球自内到外由碳化硼核芯、疏松热解碳层及致密且各项同性的热解碳层组成。屏蔽元件球核芯为球形，采用密度为2.2g/cm3的B 4C作为屏蔽材料。根据反应堆的功率大小，功率更大采用更高10B浓度的碳化硼。
核芯外面是疏松热解碳层，其密度小于1.1g/cm3，是一种多孔疏松的陶瓷材料。这一层陶瓷材料既能为放射性活化产物及放射性气体提供存储空间，同时吸收碳化硼屏蔽材料因辐射引起的肿胀，并缓冲由温度引起的应力。疏松的热解碳陶瓷材料由乙炔气体在高温下热解，将其热解后的产物沉积到碳化硼核芯表面而成。
当疏松热解碳层破损时，最外层致密的热解碳陶瓷材料将作为阻挡气态裂变产物的第二道屏障。致密且各向同性的热解碳陶瓷材料具有良好的机械稳定性、密封性和抗辐射性，使屏蔽元件球能长期稳定的工作。致密且各向同性的热解碳材料密度通常为1.8~2.0g/cm3，制造用甲烷作为原料气体在1800~2100℃之间进行热解，就能得到各向同性的致密的热解碳层。
本发明的有益效果为：
（1）本发明所述结构保证了屏蔽元件球在堆芯运行期间的完整性与安全性，简化端塞、空腔、压紧弹簧、绕丝的设计，使得屏蔽组件轴向屏蔽的区域增加，屏蔽中子及γ射线的性能提升，从而使堆芯构件与压力容器得到更好的保护效果，延长压力容器及构件的使用寿命；
（2）屏蔽元件球的结构材料采用耐高温、耐腐蚀、抗辐射的热解碳陶瓷材料。处于中间部分的疏松热解碳层避免了碳化硼核芯与最外层热解碳层相接触，并且能够吸收碳化硼屏蔽材料因辐射引起的肿胀，同时缓冲由温度引起的应力，使屏蔽元件球在长期辐照及高温的环境下不易发生肿胀变形，提高屏蔽组件的可靠性与安全性；
（3）相比屏蔽元件棒，冷却剂与屏蔽元件球的接触面积变大，流速变慢，能够更高效的带走屏蔽元件球受辐照所产生的热量；
（4）相比屏蔽元件棒端塞、包壳管、气腔、压紧弹簧、碳化硼芯块、下端塞及绕丝相对复杂的设计，屏蔽元件球的填充设计减少了工厂加工的难度。
附图说明
图1为屏蔽组件的结构示意图；
图2为屏蔽组件A-A示意图；
图3为屏蔽元件球示意图；
图4为屏蔽元件球填充示意图；
图5为上下栅格板结构示意图；
图6为相同屏蔽元件球填充方式；
图7为两种不同屏蔽元件球填充方式。
具体实施方式
本发明提供了一种具有高效屏蔽性能的屏蔽组件结构设计，可应用于钠冷快中子堆或铅冷快中子堆的屏蔽保护。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了保护反应堆容器及构件，屏蔽组件布置在快堆堆芯的最外围。由于快堆堆芯的高能中子泄漏率比较大，一般需要布置二层及二层以上的屏蔽组件，使到达反应堆容器及构件上的中子及γ射线注量低于规定限值。为了堆芯组件的装卸料的统一管理，屏蔽组件采用了与堆芯燃料组件一样的外形设计，通过液态金属钠、铅或铅铋合金冷却剂进行冷却。
屏蔽组件主要结构（见图1）自上往下由操作头1，冷却剂出口2，上栅格板3，支撑棒4，屏蔽元件球5，六边形外套管6，下栅格板7，组件管脚8，冷却剂入口9构成。
图2为屏蔽组件的A-A视图，六边形外套管的边长为L，屏蔽元件球的直径为R。确保六边形外套管的边长的两倍略大于五倍屏蔽元件球直径（即2L>5R）。留出的空间用来布置约束径向位移的支撑棒，防止屏蔽元件球接触六边形外套管，影响外套管的长期使用。同时调整上下栅格板的厚度，使上下栅格板的距离H为屏蔽元件球直径R的整数倍。
屏蔽元件球结构（见图3）自外向内由各项同性的致密热解碳层10、疏松热解碳层11及中心的碳化硼核芯12组成。
考虑到获得更佳的屏蔽效果，同时限制屏蔽元件球流致振动对六边形外套管的碰撞、挤压等不利影响。采用了上下栅格板及支撑棒（见图5）对填充的屏蔽元件球进行轴向和径向的约束，保证屏蔽组件在堆芯长期运行中可靠性。具体可采用如下两种实施方式。
实施例1
如图6所示，每层以正三角形摆放19个直径为R的屏蔽元件球，相邻层屏蔽元件球进行同样的布置。依次向上进行叠放，共叠放H/R层屏蔽元件球。同时通过支撑棒与上下栅格板的约束作用，限制屏蔽元件球在冷却剂作用下的振动。此种屏蔽组件实施方式经过模拟软件进行数值模拟，在原先屏蔽元件棒空腔、端塞的高度，到达反应堆容器的中子通量降低了了21%，提高了屏蔽组件整体的屏蔽效果。
实施例2
如图7所示。在实施方式1的基础上，采用直径为R1、R2两种尺寸的屏蔽元件球，其中较小的屏蔽元件球的直径
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。上下错落布置屏蔽元件球，使得小屏蔽元件球处于相邻层大屏蔽元件球的缝隙之中，并与上下两层的大屏蔽元件球相接触。由于支撑棒与上下栅格板的约束作用，大屏蔽元件球在冷却剂作用下的振动很小。同时，相邻层的大屏蔽球也对小屏蔽球有约束。相比第一种方案，屏蔽组件的整体屏蔽性能提高了12%左右。但是由于冷却剂的流道变小，使得屏蔽组件的热应力也会相应变大。

Claims (9)

1.一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，屏蔽组件在保留六角形外套管的基础上，内部自下往上填充屏蔽元件球，屏蔽元件球自外向内由致密且各项同性的热解碳、疏松热解碳及碳化硼核芯构成。
2.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述的屏蔽元件球的直径R大小及屏蔽元件球的个数可根据反应堆的功率大小、辐照水平及屏蔽组件所需的冷却作用进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述的疏松热解碳包裹层的厚度L1可根据屏蔽元件球碳化硼核芯在换料周期内放出的放射性气体体积进行调整，致密热解碳包壳层的厚度L2可根据传热性能的要求进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述的屏蔽元件球的屏蔽材料可使用碳化硼复合材料或其他具有优良屏蔽性能的材料。
5.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述的屏蔽组件套管内的屏蔽元件球为自下往上进行堆叠，或通过隔架将每层屏蔽元件球进行分隔。
6.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述填充的屏蔽元件球的外围区域有不锈钢支撑棒或不锈钢金属网进行径向固定。
7.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述的屏蔽组件内填充的屏蔽元件球的直径大小种类为一个以上。
8.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述的屏蔽元件球所包裹的屏蔽材料碳化硼的密度为2.2g/cm3,可根据反应堆的功率大小使用不同浓缩度10B同位素的碳化硼。
9.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构，其特征在于，所述的屏蔽组件外套管的上下两端有栅格板对屏蔽元件球进行轴向的固定。
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