CN110491530A - 一种氦-3功率瞬态试验系统及方法 - Google Patents
一种氦-3功率瞬态试验系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110491530A CN110491530A CN201910811219.2A CN201910811219A CN110491530A CN 110491530 A CN110491530 A CN 110491530A CN 201910811219 A CN201910811219 A CN 201910811219A CN 110491530 A CN110491530 A CN 110491530A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- helium
- gas
- circuit
- tritium
- pressure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000001307 helium Substances 0.000 title claims description 53
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 title claims description 53
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 53
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 175
- SWQJXJOGLNCZEY-BJUDXGSMSA-N helium-3 atom Chemical compound [3He] SWQJXJOGLNCZEY-BJUDXGSMSA-N 0.000 claims abstract description 133
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 100
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 claims abstract description 95
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 49
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims abstract description 38
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 claims abstract description 19
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims abstract description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-PWCQTSIFSA-N Tritiated water Chemical compound [3H]O[3H] XLYOFNOQVPJJNP-PWCQTSIFSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 10
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 229910008008 ZrCo Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 5
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 claims description 3
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 claims description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 2
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 claims description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims 2
- 206010037660 Pyrexia Diseases 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims 1
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 claims 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 claims 1
- 238000009715 pressure infiltration Methods 0.000 claims 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 abstract description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 10
- 238000011160 research Methods 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 5
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 2
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000007363 regulatory process Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000010025 steaming Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
- G21C17/001—Mechanical simulators
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
- G21C17/10—Structural combination of fuel element, control rod, reactor core, or moderator structure with sensitive instruments, e.g. for measuring radioactivity, strain
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
- Examining Or Testing Airtightness (AREA)
Abstract
本发明公开了一种氦‑3功率瞬态试验系统及方法。由辐照装置、回路除氚系统、回路调压系统和回路真空系统组成。辐照装置与回路除氚系统相连形成高密封的气体循环回路，回路调压系统通过气压驱动式和充放气式改变辐照装置中氦‑3气屏内中子吸收气体压力，从而控制燃料元件的瞬态辐照功率。氦‑3气体在堆内吸收中子产生少量氚，含氚的氦‑3气体由气体循环泵驱动，通过除氚器和分子筛干燥器除去氚气和氚化水蒸气。整个系统为全金属材料密封，并采用多点和多级抽真空方式，减小残留氧和水蒸气量。本发明可用于核燃料功率瞬态试验、在线辐照产氚试验和氚增殖剂堆内辐照等。
Description
技术领域
本发明涉及一种核燃料元件堆内辐照试验领域，具体涉及一种利用氦-3气体进行燃料元件功率瞬态试验系统及方法，可为核电厂和核动力的高性能燃料元件研发、在线辐照产氚试验和氚增殖剂堆内辐照等提供技术支持。
背景技术
燃料元件堆内瞬态试验是验证先进燃料组件在Ⅰ和Ⅱ类工况下保持其完整性的重要阶段，是研究核燃料安全的重点。氦-3是较大中子吸收截面的气体吸收体，可在研究堆上建立氦-3功率瞬态试验系统，在不改变研究堆功率的情况下，根据试验要求可快速、均匀地控制燃料元件的瞬态辐照功率，且变化速度和幅度容易控制。因此挪威HBWR堆、瑞典STUDSVIK的R2堆、日本JMTR堆等都建立基于氦-3的功率瞬态试验系统。由于我国当前尚未建立氦-3系统，很多难题还未解决，因此突破氦-3试验系统的关键技术是非常重要的研究。本发明提出一种高密封、高安全和多调节方式的氦-3循环系统的试验方法对功率瞬态试验具有非常重要意义。
发明内容
该发明的目的在于提供一种应用氦-3气体进行燃料元件功率瞬态试验的系统，对氦-3吸收中子在线产生氚进行循环吸附处理，实现高密封氦-3气体回路的抽真空和压力调节，为燃料元件的功率瞬态试验提供一种工艺实现方法。氦-3是较大中子吸收截面的气体吸收体，基于氦-3气体密度与吸收中子特性成比例，可通过改变燃料元件周围环屏管中氦-3气体的压力，从而改变气体中子吸收体浓度，控制辐照试验中燃料元件的瞬态功率。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明提出一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：包括辐照装置、回路除氚系统、回路调压系统和回路真空系统组成。
所述回路除氚系统与辐照装置进出口相连，形成高密封的气体循环回路；所述回路调压系统与回路除氚系统相连，形成高密封压力调节控制；所述回路真空系统分别为回路除氚系统和回路压力调节系统抽真空。
具体的，所述辐照装置包括位于中心的燃料元件，围绕燃料元件的氦-3气屏，通过其内充满的氦-3中子吸收气体压力变化改变辐照孔道中子通量，从而控制燃料元件的瞬态辐照功率。所述燃料元件与氦-3气屏间通过压力管分隔开，压力管内燃料元件发热设置高温高压冷却水进行冷却，模拟试验要求的环境，压力管外的氦-3气屏发热设置低温低压水进行冷却。
具体的，所述回路除氚系统包括至少2台除氚器、1台回路用分子筛干燥器、2台气体循环泵、2台过滤器。所述回路除氚系统与辐照装置的氦-3气屏进出口相连，形成强制循环的高密封氦-3气体回路。所述氦-3气屏内的氦-3气体在堆内吸收部分中子发生(n，p)反应产生少量氚，含氚的氦-3气体由气体循环泵驱动，通过辐照装置上端出口流出氦-3气屏进入除氚器，经除氚器把氚气净化吸附并固化后，经气体循环泵流至回路分子筛或从其旁通管路流过，经分子筛干燥器除去氚化水蒸气后，又通过过滤器清除残余粉尘颗粒物，返回流至辐照装置中容纳氦-3的气屏上端入口，之后在氦-3气屏内搅混流动，完成一个循环。
具体的，所述回路除氚系统的除氚器使用ZrCo作为吸气剂，含氚的氦-3气体循环流过除氚器时吸收和固化气体回路中产生的高扩散性的放射性氚气，所需反应温度低，大大减少氚扩散渗透，且与空气的反应性低，可保证氦-3回路在长期正常运行的安全和在事故状态下不发生大的危险。所述除氚器设置为至少两层密闭腔结构，内腔用于盛放ZrCo，外腔抽真空形成真空隔离层，且内外腔包层结构表面至少制备一层Al2O3陶瓷涂层，以减小氚的高温高压渗透。
具体的，所述回路除氚系统的分子筛干燥器用于吸附氦-3回路中氚被残留的微量氧气和水蒸气氧化成的氚化水蒸气，减少回路中氚化水蒸气向手套箱的扩散渗透。所述回路用分子筛干燥器为不锈钢全密封焊接结构，柱内封装无水型白色球形颗粒的5A分子筛，粒径和装量较小，保证装填吸附剂后的空隙容积尽量小，干燥后水蒸气去除率可达99.9％。
具体的，所述回路调压系统设置于回路除氚系统的气体循环泵出口与辐照装置的氦-3气屏之间的进气管路上。所述回路调压调节可由两种方法实现，第一为气压驱动式波纹管调压器控制，第二种充放气式气罐与隔膜式增压装置联合使用控制，可保证对含氚氦-3气体进行大范围压力转换过程的高密封。根据氦-3气体回路的压力调节大小和速度，可选择不同压力调节方法决定功率调节的幅度和速度，同时通过手动或自动控制阀调节压力变化速度。氦-3气屏出气管路与所述回路调压系统之间用截止阀隔断直接旁通相连，通过氦-3气屏双端进出气管路同时排气加快放气时间。
具体的，所述回路真空系统对所述回路除氚系统、回路调压系统以及除氚器真空隔离层内的气体抽真空，保证氦-3气体功率调节时的纯度和防止生成的氚遇见空气氧化成毒性更大的氚化水。所述回路真空系统设置3个抽气点，第一抽气点设置在氦-3气屏与除氚器之间，第二个抽气点设置在除氚器与气体循环泵之间，第三个抽气点设置在氦-3气屏与调压系统之间，保证各设备之间的气路畅通，不留堵死的残气空间。
进一步，所述回路真空系统包括至少2台无油机械真空泵，1台干式分子涡轮泵和2台不同量程真空计组成。根据气体回路的残留氧量和水蒸气量确定抽中真空(10Pa～0.1Pa)和高真空(10-3Pa～10-5Pa)两种方式，当回路仅需要中真空时，只需要机械真空泵投入，当回路需要高真空时机械真空泵和分子涡轮泵联合投入运行，机械真空泵为前级泵，分子泵为后级泵。
具体的，所述回路真空系统的真空计的隔离阀前之间设置气源输送支路，连接氦-3气瓶。所述氦-3气瓶压力超过10MPa，容积小于2L的纯度为99.99％的高压气体，减少充入氦-3回路后气瓶内气体残留。气瓶内的氦-3气体通过减压阀减压后进入气源输送支路，然后由真空抽气管路的各个抽气点充入氦-3气体回路。
具体的，所述堆内的辐照装置氦-3气屏，与堆外的回路除氚系统、回路调压系统、回路真空系统、管道、阀门及仪表等构成氦-3功率瞬态试验系统的压力边界，形成含氚的氦-3实体包容屏障。所述含氚的氦-3包容系统选择低泄漏率的全金属部件，结构材料选用氚渗漏量小的316L不锈钢，整个系统的氦质谱检漏的泄漏率小于10-7Pa·m3/s。所述除氚器和氦-3气屏处氚聚集较多，且在较高温度和较大压力下工作，渗透量很大，因此在其结构表面处进行Al2O3涂层，减少氚的渗透量。所述涉氚阀门选择超低泄漏量的波纹管密封阀，氦质谱检漏小于4×10-10Pa·m3/s；涉氚的气体循环泵选择金属波纹管泵，氦质谱检漏小于1×10-8Pa·m3/s。氦-3气体回路尽可能全都采用焊接，减少或不用机械部件连接。
一种氦-3功率瞬态试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先连接辐照装置的氦-3气屏与回路除氚系统形成封闭循环的氦-3气体回路，通过回路真空系统对氦-3气体回路的三个点进行抽真空，保证氦-3气体纯度和防止氚化水生成，并将氦-3气瓶内氦-3气体通过回路真空抽气支路充入气体回路。
(2)然后将回路除氚系统的除氚器和分子筛干燥器加热到它们各自的活化温度，除去杂质后降低至各自的工作温度。同时启动气体循环泵，使氦-3在气体回路中循环流动，等到当研究堆运行时，氦-3吸收研究堆辐照孔道内中子产生氚，循环通过除氚器和回路用分子筛干燥器，分别除去氚气和氚化水。
(3)最后通过回路调压系统，根据试验要求选择一种调压方式改变氦-3气体回路中的压力，气体回路与氦-3气屏连通，进而改变氦-3气屏内压力，使燃料元件周围的中子通量发生变化，其瞬态辐照功率也改变。
本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明的氦-3功率瞬态试验系统为高性能燃料的研究提供瞬态辐照能力，解决常规稳态辐照不能模拟燃料元件异常运行工况情况。由于我国现有的几个研究堆都还没有建成氦-3功率瞬态试验系统，尚未可借鉴的经验，国外仅有少数几个发达国家掌握了此项核心技术，公开的氦-3功率瞬态试验系统详细设计资料非常少。为了攻克氦-3瞬态试验系统设计的关键技术，本发明提出了基于氦-3的燃料功率瞬态试验系统的主要组成和设备，完成了氦-3试验系统核心工艺和方法研究，能够有效实现高密封防氚环境下的功率控制，功率变化幅度较大且均匀，对进行燃料元件功率瞬态试验奠定了技术基础。
2、本发明的氦-3功率瞬态试验系统具有高密封全金属气体系统特点。当前的气体辐照回路一般为常温或低压，密封性低，本发明整个氦-3试验系统压力边界范围内的密封性很高，且与介质接触部分为全金属结构，适合氦-3系统的氚环境要求，能够实现氦质谱检漏小于1×10-7Pa·m3/s。在研究堆内进行燃料元件功率瞬态试验时，由于辐照装置氦-3气屏处温度和压力较高，除氚器吸附氚也需要在200℃左右高温环境，因此氚的渗透量很大，本发明氦-3试验系统通过包容和涂层等措施，减少高温高压下氚的渗透，能够适用于高温高压流通式循环吸附氚的环境。
3、本发明的氦-3功率瞬态试验系统具备多种气体处理功能。本发明的氦-3气体辐照回路，可在研究堆上在线实现气态靶中子吸收核反应生产、压力调节、气体循环、气体吸附、抽真空等多种气体处理功能，对气体辐照回路的设计具有重要参考意义。为了实现燃料元件功率瞬态试验的变化幅度，氦-3系统的压力变化范围为0.1到4.5MPa，因此压力变化比在45倍，本发明提供两种压力调整方式，能够实现大范围压力调节，还可根据功率变化速度要求选择不同的压力调节方法。
附图说明
附图1为氦-3功率瞬态试验系统工艺图
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。
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，对本发明做进一步的详细说明，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
本实施例1的氦-3功率瞬态试验系统，结合图1对本发明例进行说明
本发明的氦-3功率瞬态试验系统主要由堆内辐照装置，堆外回路压力调节系统、回路除氚系统和回路真空系统组成，其中堆内辐照装置、回路压力调节系统和回路除氚系统构成氦-3功率控制回路(简称氦-3回路)是整个系统的核心和实现功率瞬态试验的关键，它可在运行时根据试验要求调节回路氦-3气屏内的氦-3中子吸收气体压力，从而瞬时控制燃料元件辐照功率。回路除氚系统包括2台气体循环泵、2台除氚器、1台回路用分子筛干燥器、2台过滤器、管道、阀门和仪表等，回路调压系统由气压驱动式调压的金属波纹管隔膜调压器，以及充放气式调压的充放气罐与增压装置等构成，回路真空系统主要包括1台分子泵、2台机械真空泵、真空计、管道和阀门等。
氦-3功率瞬态试验的工艺流程图，如附图1。辐照装置的氦屏内充满氦-3气体包围进行试验的燃料元件，回路压力调节系统通过控制氦屏内氦-3气体压力，从而调节燃料元件的瞬态辐照功率，辐照装置氦-3气屏进出口与回路除氚系统相连，形成强制循环密闭气体回路。回路除氚系统包容氦-3气体，防止氚和氦-3气体泄漏，使氦-3气体在回路内循环流动，并捕集和固化氚，保证试验回路中氦-3气体的纯度和防止放射性氚释放到环境。回路真空系统设置1台前级分子泵和2台后级机械真空泵对管道抽气，形成高真空，避免残留空气中的氧对氚气进行氧化，形成危害更大的氚化水。
氦-3循环回路是由堆外除氚系统与堆内辐照装置的氦屏进出口相连，形成强制循环的高密封氦-3气体回路。辐照装置的氦-3气屏通过氦-3中子吸收气体压力变化改变辐照孔道中子通量，从而瞬态控制燃料元件的辐照功率。在氦-3回路中，氦-3气体在堆内吸收中子通过(n,p)反应会产生放射性氚，由于氚具有较强的渗透性和很高的扩散性，因此设置除氚装置对整个试验回路的元素氚(HT)和氧化氚(HTO)进行吸附，防止放射性物质释放到环境中，避免对操作人员造成辐射伤害。回路除氚系统包括2台除氚器、1台回路分子筛干燥器、2台回路过滤器、2台气体循环泵等构成。氦屏内的氦-3气体在堆内吸收部分中子发生(n，p)反应产生少量氚，含氚的氦-3气体由气体循环泵驱动，通过辐照装置上端出口流出氦屏进入除氚器，经除氚器把氚气净化吸附并固化后，经过气体循环泵流至回路分子筛，经分子筛除去氚化水蒸气后，通过过滤器清除部分残余粉末，返回流至辐照装置中容纳氦-3的氦屏上端入口，之后在氦屏内搅混流动，完成一个循环。
为净化调节功率产生的氚，氦-3气屏内的氦-3气体由气体循环泵驱动输送至-3气屏，从氦-3气内流出含氚的氦-3气体进入除氚器，除氚之后的氦-3气体返回至气体循环泵入口，完成一次循环，因此气体循环泵功能是驱动氦-3气屏内的涉氚氦-3气体在回路中循环通过除氚器和分子筛干燥器，去除氦-3气体中未氧化的氚气和氧化的氚化水返回氦屏，一备一用。气体循环泵是涉氚泵，需考虑与氚系统的兼容性，密封要求极高，因此选用全密封金属波纹管泵，泵的容积变化腔由密封焊的波纹管提供完整的包容，避免泵腔容积变化过程中的密封泄漏。所有与介质接触表面由不锈钢构成，不含有机材料，减少氚的渗透，没有磨损表面且无润换需要，避免氚污染。在出厂前进行压力测试确保无泄漏的完整性，并达到氦质谱检漏小于1×10-7m3Pa/s。
除氚器作用是用于吸收和固化回路中产生的放射性物质氚气，选择ZrCo作为除氚器的吸气剂，所需反应温度较低，大大减少高温高压氚扩散渗透，且与空气的反应性低，在室温下空气中不会自燃，可以保证氦-3回路在长期正常运行的安全和在事故状态下不发生大的危险。由于除氚器使用频繁，且在200℃左右的高温度和4.5MPa的高压下工作，除氚器设置为至少两层密闭腔结构，同时在包层结构表面制备一层Al2O3陶瓷涂层，以减小氚的高温高压渗透。回路用分子筛干燥器用于吸附氦-3回路中氚被残留的微量氧气和水蒸气氧化成的氚化水蒸气，减少回路中氚化水蒸气向手套箱的扩散渗透。回路分子筛采用不锈钢全密封焊接结构，内封装无水型白色球形颗粒的5A分子筛，它的磨耗率、松装堆积密度、静态水吸附、动态水吸附、抗压强度、粒度含量等符合优级品要求，粒径和装量较小，保证装填吸附剂后的空隙容积尽量小，干燥后水蒸气去除率可达99.9％。氦-3回路管道主要为氦-3气体提供流动通道，管道内径在保证气体能顺利流通下尽量减小以获得较小空隙容积，减少氦-3气体用量。涉氚的管道由于使用高纯的氦-3气体，为减小涉氚微小杂质扩散和氚污染管道内表面不易去污，内表面需电抛光至10μmRa，且管内非挥发物质残留余量尽可能小，氦质谱检漏的最大泄漏率应小于4×10-10Pa·m3/s。
实施例2
本实施与实施例1的区别在于，当需要对氦-3回路进行多种方式和多种速度调节压力时，本发明提供气压驱动式和充放气式两种压力调节，满足不同燃料元件试验的需要。具体设置如下：
回路调压系统是实现燃料元件瞬态试验的核心，控制压力就是调节功率，压力控制精度和速度决定着辐照功率调节的大小和速度，压力调节范围较大：0.05～4.5MPa，在压力动态调节过程中要具有非常高的密封性，防止昂贵的氦-3气体和危险的氚泄漏，因此也是最易发生氚泄漏的环节。本发明的回路调压系统可通过两种方式，第一种气压驱动式波纹管调压器进行调节，调压器的内腔波纹管气室通过管路与氦-3回路连接，外腔通过管路与驱动气体相接，调压器这种双层结构可以避免内腔氦-3中的氚通过波纹管渗透到空气，即使波纹管破裂，还可通过外侧壳体进行密封。进行燃料元件瞬态试验时，通过充放气改变外腔内的驱动气体压力，使内腔中波纹管的体积增大或减小，从而改变氦-3气体压力。第二种充放气式气罐进行调节。当进行燃料元件功率瞬态试验时，对提升功率试验，氦-3屏通过管路向放气罐快速放气(卸压过程)，减小氦-3回路气体压力，从而减小中子的吸收量，增大辐照孔道的中子通量，燃料元件功率提高；对降低功率试验，将排入放气罐的低压氦-3气体，经气体增压装置加压到很高压力贮存在充气罐中，再打开充气罐的阀门快速向氦-3回路充气(增压过程)，增加氦屏的气体压力，从而增大中子的吸收量，燃料元件功率降低，如此完成一个循环过程。设置充气罐和放气罐是为加快功率变化时间，进行高压快速充放气的压力调节，实现快速功率瞬态。整个调压过程通过阀门和仪表来监控。
实施例3
本实施与实施例1或实施2的区别在于，为了将氦-3回路的残留空气抽尽，本发明在氦-3回路基础上增加设置多个抽真空点和两种真空度的抽气方式。具体设置如下：
回路抽真空是将氦-3回路、回路调压系统、除氚器真空隔离层内的气体抽真空，保证氦-3气体功率调节时的纯度和防止生成的氚遇见空气氧化成毒性更大的氚化水，减小氚的放射性危害。本发明对氦-3回路抽真空分中真空和高真空两种，根据回路的残留氧量和水蒸气量确定是否需要高真空。因此设置了两种真空泵，一种为无油机械真空泵(前级泵)，真空度可达：0.1～10Pa，另一种为干式分子涡轮泵(后级泵)，真空度可达：10-3～10-5Pa。当回路仅需要一般真空时，只需要机械真空泵投入即可满足要求。当回路需要高真空时机械真空泵和分子涡轮泵联合投入运行，机械真空泵为前级泵，分子泵为后级泵。由于氦-3回路管道较长，且设备分散布置，为尽量减少回路中的残留空气，在回路中设置了3个抽气点，第一抽气点设置在氦屏与除氚器之间，第二个抽气点设置在除氚器与气体循环泵之间，第三个抽气点设置在氦屏与调压系统之间。如此设置，保证了各设备之间的气路畅通，不留堵死的残气空间。
Claims (10)
1.一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：包括辐照装置、回路除氚系统、回路调压系统和回路真空系统组成；所述回路除氚系统与辐照装置进出口相连，形成高密封的气体循环回路；所述回路调压系统与回路除氚系统相连，形成高密封压力调节控制；所述回路真空系统分别为回路除氚系统和回路压力调节系统抽真空。
2.根据权利要求1所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述辐照装置包括位于中心的燃料元件，围绕燃料元件的氦-3气屏，通过其内充满的氦-3中子吸收气体压力变化控制燃料元件的瞬态辐照功率；所述燃料元件与氦-3气屏间通过压力管分隔开，压力管内燃料元件发热用高温高压冷却水进行冷却，模拟试验要求的环境，压力管外的氦-3气屏发热用低温低压水进行冷却。
3.根据权利要求1所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述回路除氚系统包括至少2台除氚器、1台回路用分子筛干燥器、2台气体循环泵、2台过滤器；所述回路除氚系统与辐照装置的氦-3屏进出口相连，形成强制循环的高密封氦-3气体回路；所述氦-3气屏内的氦-3气体在堆内吸收中子产生少量氚，含氚的氦-3气体由气体循环泵驱动，通过辐照装置上端出口流出进入除氚器，把氚气净化吸附固化后，经气体循环泵流至回路用分子筛或其旁通管路，除去氚化水蒸气后，又通过过滤器清除残余粉尘颗粒物，返回流至辐照装置中氦-3气屏上端入口，之后在氦-3气屏内搅混流动，完成一个循环。
4.根据权利要求3所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述除氚器使用ZrCo作为吸气剂，含氚的氦-3气体循环流过除氚器时吸收和固化气体回路中产生的高扩散性氚气；所述除氚器设置为至少两层密闭腔结构，内腔用于盛放ZrCo，外腔抽真空形成真空隔离层，且内外腔包层结构表面至少制备一层Al2O3陶瓷涂层，减小氚的高温高压渗透。
5.根据权利要求3所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述回路用分子筛干燥器吸附氦-3回路中氚被残留的微量氧气和水蒸气氧化成的氚化水蒸气，减少回路中氚化水蒸气向手套箱的扩散渗透；所述回路用分子筛干燥器为不锈钢全密封焊接结构，柱内封装无水型白色球形颗粒的5A分子筛，粒径和装量较小，保证装填吸附剂后的空隙容积尽量小，干燥后水蒸气去除率可达99.9％。
6.根据权利要求1所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述回路调压系统设置在辐照装置的进气管路上；所述回路压力调节由气压驱动式波纹管调压器控制，以及充放气式气罐与隔膜式增压装置联合使用控制，同时通过手动或自动控制阀调节压力变化的速度；所述氦-3气屏出气管路与回路调压系统之间用截止阀隔断直接旁通相连，实现氦-3气屏双端进出气管路同时排气。
7.根据权利要求1所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述回路真空系统对回路除氚系统、回路调压系统以及除氚器真空隔离层内的气体抽真空；所述回路真空系统设置3个抽气点，第一抽气点设置在氦-3气屏与除氚器之间，第二个抽气点设置在除氚器与气体循环泵之间，第三个抽气点设置在氦-3气屏与调压系统之间，保证各设备之间的气路畅通，不留堵死的残气空间。
8.根据权利要求7所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述回路真空系统包括至少2台前级无油机械真空泵、1台后级干式分子涡轮泵、1台真空过滤器和2台不同量程真空计组成；通过气体回路的残留氧量和水蒸气量确定抽真空方式，抽中真空时只投入机械真空泵，抽高真空时机械真空泵和分子涡轮泵联合投入；所述回路真空系统的真空计的隔离阀前设置气源输送支路，连接氦-3气瓶。
9.根据权利要求1所述的一种氦-3功率瞬态试验系统，其特征在于：所述氦-3气体回路的压力边界内选择低泄漏率的全金属部件，结构材料为氚渗漏量小的316L不锈钢，焊接连接方式，涉氚阀门为波纹管密封阀，涉氚的气体循环泵为金属波纹管泵，形成含氚的氦-3初级包容屏障，整个系统氦质谱检漏小于1×10-7Pa·m3/s；所述氦-3气体回路氚渗透量较大的除氚器和氦-3气屏处，其结构表面进行Al2O3涂层。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种氦-3功率瞬态试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先连接辐照装置与回路除氚系统形成封闭循环的氦-3气体回路，通过回路真空系统对氦-3气体回路进行抽真空，保证氦-3气体纯度和防止氚化水生成，并将气瓶内氦-3气体充入；
(2)然后将回路除氚系统的除氚器和回路用分子筛干燥器加热到活化温度，除去杂质后降低至工作温度，同时启动气体循环泵，使氦-3气体在气体回路中循环流动，氦-3吸收研究堆内中子产生氚，循环通过除氚器和回路用分子筛干燥器，除去氚气和氚化水；
(3)最后启动回路调压系统，根据氦-3气体回路的压力调节大小和速度选择不同压力调节方法改变氦-3气体回路中的压力，进而改变氦-3气屏内压力控制燃料元件的瞬态辐照功率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910811219.2A CN110491530B (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种氦-3功率瞬态试验系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910811219.2A CN110491530B (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种氦-3功率瞬态试验系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110491530A true CN110491530A (zh) | 2019-11-22 |
| CN110491530B CN110491530B (zh) | 2022-03-01 |
Family
ID=68553718
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910811219.2A Active CN110491530B (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种氦-3功率瞬态试验系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110491530B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110600151A (zh) * | 2019-09-19 | 2019-12-20 | 中国核动力研究设计院 | 一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统 |
| CN118643769A (zh) * | 2024-08-09 | 2024-09-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种失水事故后氚分布的评估方法和装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1322448A (en) * | 1970-10-09 | 1973-07-04 | Commissariat Energie Atomique | Capsule for irradiating samples with neutrons from a nuclear reactor |
| US5080693A (en) * | 1991-03-26 | 1992-01-14 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Tritium monitor and collection system |
| FR2949899A1 (fr) * | 2009-09-10 | 2011-03-11 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de mesure de reactivite |
| CN203273292U (zh) * | 2013-04-11 | 2013-11-06 | 西安航天动力试验技术研究所 | 发动机蓄压式氦气增压系统 |
| CN104538074A (zh) * | 2014-12-03 | 2015-04-22 | 中国核动力研究设计院 | 一种用于去除氦-3气体中氚的氚阱装置及其除氚方法 |
| CN107067918A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-08-18 | 西南石油大学 | 聚变反应堆的氦气实验回路装置 |
| CN109065193A (zh) * | 2018-07-27 | 2018-12-21 | 中国核动力研究设计院 | 一种双冷却辐照试验系统及方法 |
-
2019
- 2019-08-30 CN CN201910811219.2A patent/CN110491530B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1322448A (en) * | 1970-10-09 | 1973-07-04 | Commissariat Energie Atomique | Capsule for irradiating samples with neutrons from a nuclear reactor |
| US5080693A (en) * | 1991-03-26 | 1992-01-14 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Tritium monitor and collection system |
| FR2949899A1 (fr) * | 2009-09-10 | 2011-03-11 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de mesure de reactivite |
| CN203273292U (zh) * | 2013-04-11 | 2013-11-06 | 西安航天动力试验技术研究所 | 发动机蓄压式氦气增压系统 |
| CN104538074A (zh) * | 2014-12-03 | 2015-04-22 | 中国核动力研究设计院 | 一种用于去除氦-3气体中氚的氚阱装置及其除氚方法 |
| CN107067918A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-08-18 | 西南石油大学 | 聚变反应堆的氦气实验回路装置 |
| CN109065193A (zh) * | 2018-07-27 | 2018-12-21 | 中国核动力研究设计院 | 一种双冷却辐照试验系统及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 张亮，等: "功率跃增辐照装置氦屏结构优化", 《核动力工程》 * |
| 李炳林，等: "燃料元件功率瞬态试验氦-3回路中氚阱设计", 《核动力工程》 * |
| 黄欣: "氦-3回路设计技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110600151A (zh) * | 2019-09-19 | 2019-12-20 | 中国核动力研究设计院 | 一种适用于含氚氦气回路的实验室支持系统 |
| CN118643769A (zh) * | 2024-08-09 | 2024-09-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种失水事故后氚分布的评估方法和装置 |
| CN118643769B (zh) * | 2024-08-09 | 2024-11-08 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种失水事故后氚分布的评估方法和装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110491530B (zh) | 2022-03-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8936834B2 (en) | Computer readable medium for high pressure gas annealing | |
| CN110491530A (zh) | 一种氦-3功率瞬态试验系统及方法 | |
| CN104777269A (zh) | 一种超临界co2注入与煤层气强化驱替模拟试验方法 | |
| CN110068428B (zh) | 一种碘吸附器泄漏率在线测量系统及其测量方法 | |
| CN114034604A (zh) | 一种涉氢材料综合反应系统及其测试方法 | |
| US3028327A (en) | Closed-cycle water-boiler reactor | |
| FR2700058A1 (fr) | Elément constituant interne d'un réacteur de fusion. | |
| CN106706383A (zh) | 一种制备放射性石墨中碳‑14液体样品的实验装置 | |
| CN104538074A (zh) | 一种用于去除氦-3气体中氚的氚阱装置及其除氚方法 | |
| CN110491536A (zh) | 一种用于氦-3瞬态试验的氚防护系统及方法 | |
| CN206447564U (zh) | 一种高压氢气供给装置 | |
| CN104093261B (zh) | 一种高产额中子发生器氦处理装置 | |
| CN102243898A (zh) | 一种高温气冷堆保压检修密封控制系统 | |
| CN105241902B (zh) | 一种用于储氢合金吸放氢过程的原位同步辐射x射线衍射的测试装置 | |
| CN109932141A (zh) | 一种用于航天低温复合材料贮箱的渗漏性测试装置 | |
| CN106586961B (zh) | 氚水制备装置及方法 | |
| Zhu et al. | Design of ultra-efficient and automatically temperature-variable cycle (TVC) Sieverts apparatus for testing sorption properties of hydrogen storage materials | |
| CN105506274A (zh) | 一种辐照低浓铀箔靶件铀箔溶解装置 | |
| Ye et al. | Hydrogen storage and heat transfer properties for large-capacity double thin-layered annulus ZrCo bed with secondary containment cavity | |
| CN110486624A (zh) | 一种气体高密封慢速调压系统及方法 | |
| CN204157150U (zh) | 一种高产额中子发生器氦处理装置 | |
| CN109932140A (zh) | 一种用于航天低温复合材料构件的渗漏性测试装置 | |
| CN111939717A (zh) | 一种惰性气氛手套箱氢同位素气体去除系统 | |
| CN109577936B (zh) | 通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置及实验方法 | |
| CA1069295A (en) | Process for drying encapsulated fissile and non-fissile bodies |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Feng Mingquan Inventor after: Zhang Liang Inventor after: Dai Yubing Inventor after: Fu Yuanjie Inventor after: Liu Xiaosong Inventor after: Li Binglin Inventor after: Sun Sheng Inventor after: Zhang Shuai Inventor after: Zhang Hangzhou Inventor after: Cao Na Inventor after: Tong Mingyan Inventor after: Yang Wenhua Inventor before: Li Binglin Inventor before: Wang Hong Inventor before: Ding Liangliang Inventor before: Yong Youjun Inventor before: Guo Junyu Inventor before: Zheng Hualin Inventor before: Hu Teng Inventor before: Liu Hui |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |