CN110211710A - 一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构及布置和运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构及布置和运行方法，解决了目前在HFETR材料辐照中，对于不同目标注量要求的材料无法做到同时入堆、同时转面、同时出堆的问题。本发明从上至下依次将HFETR堆芯的横排栅元用A至V的字母编号，从左至右依次将HFETR堆芯的斜排栅元用1至12的数字编号，将G7、P15和K7位置设置为辐照孔道，在该辐照孔道内设置安装有目标材料的辐照装置；与G7相邻的位置处设置两个强吸收体靶件，与K7相邻的位置处设置一个强吸收体靶件和一个铍块，与P15相邻的位置处设置一个铍块和两个强吸收体靶件。本发明能够在不改变燃料元件数量的前提下，满足三批次材料同时入堆同时转面同时出堆且同时达到目标值的效果。

Description

一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构及布置和运行方法

技术领域

本发明涉及一种堆芯装载布置方式领域，具体涉及一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构及其布置方法。

背景技术

高通量工程试验堆(简称HFETR)是我国自主设计建造的压力壳型工程试验堆，反应堆采用铍水慢化、铍作反射层的设计不仅减少了堆芯的铀装载量，而且使反应堆堆芯布置具有很大的灵活性。HFETR至今已运行30余年，开展了多方面的燃料材料试验研究、同位素生产及辐照加工等工作，为我国国防建设和核能事业的发展做出了重大贡献。

以往研究堆辐照多批次不同目标值的材料，需要分多炉次进行，这样既不利于材料研发的进度，也不利于反应堆运行的经济性。但根据先进反应堆研发要求，需要在HFETR堆的辐照孔道内进行三批次压力容器材料辐照考验，其中子(E＞1MeV)注量目标值分别为6.8(±10％)×10¹⁹n/cm²、7.5(±10％)×10¹⁹n/cm²和9.0(±10％)×10¹⁹n/cm²。为了满足进度要求及尽量使辐照环境相同，需要保证三批材料同时入堆、同时转面、同时出堆，且同时满足辐照目标值，并且辐照偏差在10％以内。

目前在HFETR材料辐照中，对于不同目标注量要求的材料无法做到三个“同时”。而且，在HFETR堆芯设计中，反应堆同时要满足同位素辐照生产任务、燃料辐照任务的复杂程度前所未有。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前在HFETR材料辐照中，对于不同目标注量要求的材料无法做到同时入堆、同时转面、同时出堆的问题，目的在于提供一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构及其布置方法，通过结构以及布置方法的优化设计，能够有效保证不同目标注量要求的材料能够同时入堆、同时转面、同时出堆，同时达到目标值并且辐照考验偏差更小。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构，从上至下依次将HFETR堆芯的横排栅元用A至V的字母编号，从左至右依次将HFETR堆芯的斜排栅元用1至12的数字编号，其特征在于，将G7、P15和K7位置设置为辐照孔道，在该辐照孔道内设置安装有目标材料的辐照装置；

与G7相邻的位置处设置两个强吸收体靶件，与K7相邻的位置处设置一个强吸收体靶件和一个铍块，与P15相邻的位置处设置一个铍块和两个强吸收体靶件。

根据先进反应堆研发要求，需要在HFETR堆的Φ63孔道内进行三批次压力容器材料辐照考验，其中子(E＞1MeV)注量目标值分别为6.8(±10％)×10¹⁹n/cm²、7.5(±10％)×10¹⁹n/cm²和9.0(±10％)×10¹⁹n/cm²，为了满足进度要求及尽量使辐照环境相同，需要保证三批材料同时入堆、同时转面、同时出堆，且同时满足辐照目标值。

HFETR堆共有9个试验孔道。根据辐照试验的试验样品要求和快中子注量及试验温度要求，结合每个辐照孔道的结构尺寸、中子注量率和γ发热率情况等综合考虑，并通过堆芯计算，本试验选用HFETR的G7、K7、P15孔道。孔道位于堆芯G7、K7和P15位置，各占一个栅元。同时，在HFETR现有堆芯装载基础上改变G7、P15和K7位置局部组件布置方式，在阳面增加强吸收体靶件布置数目，阴面增加元件和反射层布置，降低孔道的快中子注量率及阴阳面样品受照中子注量的不均匀性。

具体的，与K7相邻的强吸收体靶件设置在K7位置的阳面，与K7相邻的铍块设置在K7位置的阴面，与P15相邻的铍块和两个强吸收体靶件设置在P15位置的阳面。

更为具体的，所述强吸收体靶件的位置为G6、H8、K8、P14和O15，所述铍块的位置为K6和O14。

本发明可以同时实现在HFETR堆芯三个不同孔道辐照三批次目标值不同的辐照样品，且可以同时做到同时入堆，同时转面，同时出堆操作，可以在同一炉段实现多个辐照目标值的材料辐照，可以提高反应堆运行的经济性，同时对于材料辐照来讲，辐照环境也是相同的。

进一步，所述辐照孔道的直径Φ为63mm。

进一步，所述HFETR堆芯的主要设计参数为：

一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的布置方法，包括：

在靠近G7和K7位置一侧增加新元件布置，在靠近P15位置一侧增加旧元件布置，并改变原有提棒方式，将价值较大的1SB和2SB最后提。

进一步，新元件布置在活性区中心区域。

进一步，在2ZB周围增加新元件和浅燃耗元件布置，在1ZB周围增加深燃耗元件布置或布置同位素靶件。

进一步，在堆芯结构的活性区外围增加反射层布置。

一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的运行方法，采取中途停堆换面的方式，在辐照380MWd时换面。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明不需要增加燃料元件数目，只改变堆芯布置和运行方式，本发明能够保证三批材料同时入堆、同时转面、同时出堆的要求，对于HFETR，不同目标注量要求的材料做到三个“同时”尚属于第一次，实现反应堆运行的经济性和高效性；

2、本发明的结构和方法的设置，对于材料辐照来讲，有效保证了辐照环境的相同性，同时满足反应堆安全运行要求；

3、本发明三批次压力容器材料样品均达到了辐照目标值，且偏差在10％以内，因此该堆芯设计满足了辐照任务要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明HFETR堆芯的辐照孔道位置示意图。

图2为本发明中G7、P15和K7辐照孔道位置处的放大结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-燃料元件，2-铍块，3-强吸收体靶件，4-控制棒。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构，从上至下依次将HFETR堆芯的横排栅元用A至V的字母编号，从左至右依次将HFETR堆芯的斜排栅元用1至12的数字编号，如图1所示。

本发明的改进点在于在原有的HFETR堆芯布置的基础上，根据辐照试验的试验样品要求和快中子注量及试验温度要求，结合每个辐照孔道的结构尺寸、中子注量率和γ发热率等情况，通过堆芯计算，选择G7、P15和K7位置为辐照孔道，在该辐照孔道内设置安装有目标材料的辐照装置。

本发明根据辐照孔道的结构尺寸以及反应堆的运行工况，辐照装置采用分段的型式，主要由三段构成，法兰和固定管等为第一部分固定段；辐照罐为第二部分试验段，节流塞和下接头等组成第三部分支承段。辐照装置的结构为现有结构，因此其具体结构不再赘述。

由于G7、K7和P15辐照孔道新入3个中子注量批次反应堆压力容器材料中子辐照考验及辐照后性能测试分析项目样品辐照装置，辐照目标值分别为中子注量(E＞1MeV)9E+19n/cm²、7.5E+19n/cm²和6.8E+19n/cm²。因而，本发明优化了G7、P15和K7位置周围的布置方式。具体设置为：在与G7相邻的位置处设置两个强吸收体靶件，与K7相邻的位置处设置一个强吸收体靶件和一个铍块，与P15相邻的位置处设置一个铍块和两个强吸收体靶件。

由于G7辐照孔道内材料辐照目标值最高，在G7辐照孔道周围布置较浅燃耗的燃料元件，同时为了避免G7孔道的中子注量率过高同时降低阴阳面不均匀性，在其周围布置两个强吸收体靶件。对于K07孔道，其材料辐照目标值处于中间水平，通过在其阳面布置一个强吸收体来降低中子注量率，同时在阴面布置一个铍块，降低阴阳面不均匀性，同时减少中子泄漏。对于P15孔道，其材料辐照目标值最低，在其阳面布置一个铍块和两个强吸收体靶件用来降低该孔道的中子注量率，同时在阴面布置一个燃料元件，用以降低阴阳面辐照的不均匀性。

即，与K7相邻的强吸收体靶件设置在K7位置的阳面，与K7相邻的铍块设置在K7位置的阴面，与P15相邻的铍块和两个强吸收体靶件设置在P15位置的阳面。进一步优化设置为：所述强吸收体靶件的位置为G6、H8、K8、P14和O15，所述铍块的位置为K6和O14，如图2所示。

通过上述设置，即可有效为三批材料的同时入堆、同时转面、同时出堆提供前提条件。

实施例2

本实施例提供了一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的布置方法，具体为：采用实施例1中公开的局部优化布置后的堆芯进行目标材料辐照考验，整体布置方法如下：

由于三批次压力容器材料入堆导致堆芯中子注量率分布不均，堆芯不均匀系数较大，因此为了展平堆芯中子注量率分布，降低不均匀性，在靠近G07和K07位置一侧增加新元件布置，在靠近P15位置一侧增加旧元件布置，并改变原有提棒方式，价值较大的1SB和2SB最后提升。同时为了确保HFETR具有足够的后备反应性，将新元件尽量布置在活性区中心区域。本发明中各控制棒的对应位置如表1所示。

表1

本发明中，由于三批次压力容器材料入堆导致1ZB和2ZB之间的价值偏差较大，不利于换棒操作，因此为降低自动棒之间价值偏差，在2ZB周围增加新元件和浅燃耗元件布置，在1ZB周围增加深燃耗元件布置或布置同位素靶件。为降低堆芯中子泄露，提高同位素靶件产量，在活性区外围增加反射层布置。

根据上述优化措施，得出多辐照目标考验堆芯装载布置，堆芯主要设计参数见表2。

表2

以往研究堆辐照多批次不同目标值的材料，需要分多炉次进行，这样既不利于材料研发的进度，也不利于反应堆运行的经济性。本发明的上述堆芯布置可以同时实现在HFETR堆芯三个不同孔道辐照三批次目标值不同的辐照样品，且可以做到同时入堆、同时转面、同时出堆的操作，可以在同一炉段实现多个辐照目标值的材料辐照，可以提高反应堆运行的经济性，同时对于材料辐照来讲，辐照环境也是相同的。

本发明堆芯布置完成后，采用MCNP程序对RPV材料样品及辐照堆芯进行精细建模计算，计算得出辐照样品主要参数如表3所示。

表3

通过表3可知：压力容器材料平均注量计算值与辐照目标值偏差在6％范围内，满足辐照要求。

为了尽量降低辐照样品阴阳面偏差，拟采取中途停堆换面的操作方式，采用燃料管理计算程序对多个燃耗步骤中的三个辐照装置的辐照栅元累积中子注量进行计算，计算结果见表4。

表4

由表4的计算结果可知：在RPV辐照期间中子注量率变化很小，辐照380MWd时换面其辐照均匀性相对较好，因此在反应堆运行至380MWd时进行换面。且根据出堆后实测结果，三批次压力容器材料样品均达到了辐照目标值，且偏差在10％以内，因此该堆芯设计满足了辐照任务要求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构，从上至下依次将HFETR堆芯的横排栅元用A至V的字母编号，从左至右依次将HFETR堆芯的斜排栅元用1至12的数字编号，其特征在于，将G7、P15和K7位置设置为辐照孔道，在该辐照孔道内设置安装有目标材料的辐照装置；

与G7相邻的位置处设置两个强吸收体靶件，与K7相邻的位置处设置一个强吸收体靶件和一个铍块，与P15相邻的位置处设置一个铍块和两个强吸收体靶件。

2.根据权利要求1所述的一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构，其特征在于，与K7相邻的强吸收体靶件设置在K7位置的阳面，与K7相邻的铍块设置在K7位置的阴面，与P15相邻的铍块和两个强吸收体靶件设置在P15位置的阳面。

3.根据权利要求2所述的一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构，其特征在于，所述强吸收体靶件的位置为G6、H8、K8、P14和O15，所述铍块的位置为K6和O14。

4.根据权利要求1所述的一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构，其特征在于，所述辐照孔道的直径为63mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种多辐照目标材料辐照考验堆芯结构，其特征在于，所述HFETR堆芯的主要设计参数为：

6.一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的布置方法，其特征在于，包括：

在靠近G7和K7位置一侧增加新元件布置，在靠近P15位置一侧增加旧元件布置，并改变原有提棒方式，价值较大的1SB和2SB最后提升。

7.根据权利要求6所述的一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的布置方法，其特征在于，新元件布置在活性区中心区域。

8.根据权利要求6所述的一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的布置方法，其特征在于，在2ZB周围增加新元件和浅燃耗元件布置，在1ZB周围增加深燃耗元件布置或布置同位素靶件。

9.根据权利要求6所述的一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的布置方法，其特征在于，在堆芯结构的活性区外围增加反射层布置。

10.一种多辐照目标材料辐照考验的堆芯结构的运行方法，其特征在于，采取中途停堆换面的方式，在辐照380MWd时换面。