CN110600150B - 一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置，可用于在热谱研究堆内进行金属型快堆燃料的中子辐照试验；该装置可提供中子能谱硬化、金属燃料辐照温度控制、燃料元件释热功率测量等功能；本发明的装置包括保护管、镉管、辐照试验件以及相关的气体管道、热电偶等组成；本发明采用镉金属层吸收热中子降低装置内的热中子注量率，从而使得试验燃料元件的中子能谱接近快中子反应堆。本发明的装置通过气隙与燃料棒外液态金属层建立温差，通过独立调节各辐照件的气隙气体成分，将不同辐照件内的燃料芯体温度控制在所需的温度区间内。

Description

一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置

技术领域

本发明涉及堆辐照技术领域，具体地，涉及一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置。

背景技术

第四代核能系统国际论坛(GIF)提出的6种第四代先进核能系统堆型中，其中的5种堆型采用了快中子能谱的反应堆设计。快中子反应堆是未来先进裂变能系统的主力堆型，承担者提升核能系统发电效率、显著提高铀资源利用率的重大期望。快中子反应堆技术如果与先进的燃料后处理技术结合，并最终建立闭式燃料循环体系，则有望利用现有探明的铀资源储量满足近千年的人类能源需求。

先进燃料元件的研发是快中子反应堆技术研发的重要内容。金属型燃料因具有优异的燃料增殖能力，是快中子反应堆燃料的发展方向。与现有陶瓷燃料的“湿法”燃料后处理工艺相比，金属型燃料可以采用“干法”燃料后处理工艺，有利于实现低成本的大规模燃料后处理。金属型快堆燃料因辐照生长现象显著，给其实际应用带来了一系列的困难。目前，快堆金属型燃料处于研究验证阶段，距离工业化应用仍有一段距离。

中子辐照试验是金属型快堆燃料研发与验证的关键步骤，是研究金属燃料辐照生长对燃料元件整体性能影响的必须研究手段。由于国内外现有快中子反应堆辐照资源极为有限，采用已有丰富使用经验的高中子通量热谱研究堆，开展快堆燃料元件的中子辐照试验研究是合理可行的方法，也是国外相关机构广泛采取的方法。

为在热谱研究堆内开展金属型快堆燃料中子辐照试验研究，须解决或改善中子能谱差异的影响，建立并维持燃料辐照温度在一定范围之内，从而实现对快堆燃料实际运行工况的模拟试验。因此，须依托已有的高中子通量研究堆，研发适用于金属型快堆燃料元件辐照试验的辐照试验装置与相关技术。

发明内容

本发明的目的是获得一种适用于金属型快堆燃料元件的辐照试验装置，可用于在热谱研究堆中进行金属型快堆燃料元件的辐照试验。本发明可以实现快堆燃料元件辐照试验时的中子能谱硬化改善，满足金属型燃料元件辐照所需的辐照温度范围，并可在同一辐照装置中搭载多根试验燃料元件进行辐照试验。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置，所述装置包括：

保护管和辐照试验体；辐照试验体包括N个辐照试验单元，N为大于或等于4的正整数，辐照试验体安装在保护管内，保护管与镉管之间的区域为外侧冷却水流道；每个辐照试验单元两端均设有过渡端，第一个辐照试验单元的其中一个过渡端与第二个辐照试验单元的其中一个过渡端连接，第二个辐照试验单元的另外一个过渡端与第三个辐照试验单元的其中一个过渡端连接，…，第N-1个辐照试验单元的另外一个过渡端与第N个辐照试验单元的其中一个过渡端连接，第N个辐照试验单元的另外一个过渡端与保护管的一端连接；辐照试验单元包括：镉管以及位于镉管内的辐照试验件，镉管与辐照试验件之间的区域为内侧冷却水流道；过渡端为无镉金属层，并设计有一系列开孔，用于设置并安装辐照件固定结构、进出口气管和热电偶接管；每个辐照试验件上下端部位置均设置有热电偶，用于测量相应轴向位置的内侧流道冷却水温度，辐照试验件的内套筒下部设置一根贯穿内套筒与燃料元件下端塞的热电偶，用于测量燃料芯体的温度。

为在热谱研究堆内进行金属型快堆燃料的中子辐照试验，相应辐照试验装置须提供中子能谱硬化、金属燃料辐照温度控制、燃料元件功率测量等功能，并要求辐照试验装置具有较强的试验燃料元件搭载能力。

本发明提出的金属型快堆燃料元件的辐照试验装置，由保护管、镉管、辐照试验件以及相关的气体管道、热电偶等组成。该装置轴向上大致分为4段，每段包含一个辐照试验件。每个辐照试验件内搭载一根棒状金属型快堆燃料元件。该装置的主要结构如图1和图2所示。

该装置的保护管为一个整体结构，用于固定镉管以及辐照试验件。保护管与镉管形成的外侧冷却水流道具有较大的空间，用于容纳从每个辐照试验件引出的气体管道、热电偶引线等。外侧流道内流动的堆芯冷却水，可用于冷却镉管、保护管、进出口气管以及电热偶引线。

装置在径向上分为三层，由外到内分别为：保护管、镉管、辐照试验件，中间为镉金属层，由不锈钢包壳紧密包裹。镉管内的镉金属层轴向上分为4段；两端间的过渡区域无镉金属层，并设计有一系列开孔，用于设置并安装辐照件固定结构、进出口气管和热电偶接管。镉管中镉金属层具有很大的热中子吸收截面，从而可以大幅度降低镉管以内结构的热中子注量率水平(中子能谱硬化)，从而使得试验燃料棒内的中子能谱更为接近快中子反应堆。

镉管与辐照试验件外套筒形成内侧冷却水流道，内侧流道内的堆芯冷却水用于带走试验燃料棒以及辐照试验件其余结构的释热。内侧流道与外侧流道互相隔离；每个辐照试验件上下端部位置均设置有热电偶，用于测量相应轴向位置的内侧流道冷却水温度。利用测量得到的内侧流道冷却水流量，以及轴向每段端部位置的水温，可以得到每个辐照试验件的释热功率。

辐照试验件大体为多层圆筒形结构，由外而内依次为外套筒、气隙、内套筒、液态金属层、棒状燃料元件以及相关的气体管道、热电偶等组成。辐照试验件的结构如图3所示。图3中的燃料棒为一种典型的金属型快堆燃料棒设计。为便于监测辐照试验过程中的燃料芯体温度，在燃料棒下端塞中心开孔，用于穿出热电偶引线。

辐照试验件的内套筒为封闭结构，内含试验燃料棒以及液态金属层。内套筒与燃料棒包壳形成均匀厚度的环形间隙，间隙内填充液态金属作为热阻层。液态金属层所采用的金属种类，与试验燃料元件所属的快堆冷却剂相同。内套筒内液态金属的填充高度，须保证整体淹没试验燃料棒，同时上部留有空腔并填充保护性气体。

辐照试验件的外套筒为封闭结构，外套筒与内套筒间为环形间隙，间隙内充气体。内套筒外表面有条状肋形突起，用于固定内套筒并形成均匀尺寸的气体间隙。外套筒下部设置有2个容纳进气管的开孔，两根进气管分别输送氦气和氩气；出气口位于外套筒上部。采用堆外双气体调节系统，通过进气管向辐照试验件气隙内注入氦气或氩气的方式，改变环形气隙内混合气体成分和导热系数，从而有效调节环形气隙的径向温度梯度。通过燃料芯体处热电偶测量温度的实时反馈，进而将试验燃料棒的辐照温度控制在一定范围内。

辐照装置内的4个辐照试验件采用独立的气体进出口管道，通过堆外双气体调节系统独立地调节每个试验件内的燃料棒温度。

外套筒下部的内壁面设置一根热电偶，用于测量外套筒的内壁温。利用内侧流道测得的水温与外套筒内壁温的差值，可以得到该轴向位置外套筒材料的伽马释热率。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1)本发明的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，采用液态金属层、气体间隙两种设计建立径向换热温差，可有效地调节和控制试验燃料棒的辐照温度，减少燃料棒释热功率波动对燃料辐照温度的影响。

2)本发明的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，可搭载4个辐照试验件并单独进行气隙气体成分调节，可将装置内释热功率差异巨大的4根燃料棒的辐照温度调节至同一范围内，最终实现一次辐照试验即可得到同一辐照温度下4个不同燃耗水平的燃料棒样品。

3)本发明的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，采用了金属镉管作为试验燃料棒的热中子屏蔽结构，可以大幅度降低试验燃料棒内的热中子注量率水平，从而使得该装置可以近似模拟快中子反应堆的中子能谱。

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；

图1为一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置纵截面图；

图1中各结构的名称如下：1-保护管；2-外侧冷却水流道；3-镉管；4-内侧冷却水流道；5-辐照试验件；

图2为一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置径向结构示意图；

图2中各结构的名称如下：1-保护管；2-外侧冷却水流道；3-镉管；4-内侧冷却水流道；5-辐照试验件；

图3为一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置的辐照试验件纵截面图；

图3中各结构的名称如下：101-外套筒；102-气隙；103-内套筒；104-液态金属层；105-第一气体进气口；106-第二气进气口；107-第一热电偶出口；108-第二热电偶出口；109-气体出气口；201-燃料包壳；202-燃料棒内金属结合层；203-燃料芯体；204-燃料棒下端塞；205-燃料棒气腔；206-燃料棒上端塞；207-燃料棒内热电偶引出通道。201-206组成典型的快堆燃料棒设计。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图3，金属型快堆燃料元件辐照试验装置采用如图1所示的结构，由保护管、镉管、辐照试验件以及相关的气体管道、热电偶等组成。装置轴向上分为4段，每段包含一个辐照试验件。每个辐照试验件内搭载一根棒状金属型快堆燃料元件。

保护管用于固定镉管以及辐照试验件。保护管与镉管形成的外侧冷却水流道用于容纳从每个辐照试验件引出的气体管道、热电偶引线。外侧流道内的堆芯冷却水，可用于冷却镉管、保护管、进出口气管以及电热偶引线。

镉管在径向上分为三层，即内、外侧不锈钢包壳层以及中间的镉金属层。镉管中的镉金属层作为中子毒物，可以大幅度降低镉管以内结构的热中子注量率，从而使得试验燃料棒内的中子能谱接近快中子反应堆。

镉管与外套筒形成内侧冷却水流道，内侧流道内的堆芯冷却水用于冷却辐照试验件释热。内侧流道与外侧流道互相隔离。利用测量得到的内侧流道冷却水流量，以及轴向每段端部位置的水温，得到每个辐照试验件的释热功率。

辐照试验件大体为多层圆筒形结构，由外而内依次为外套筒、气隙、内套筒、液态金属层、棒状燃料元件以及相关的气体管道、热电偶等组成。

辐照试验件的内套筒与燃料棒包壳形成均匀厚度的环形间隙，间隙内填充液态金属与试验燃料元件所属的快堆冷却剂相同。内套筒下部，设置一根贯穿内套筒与燃料棒下端塞的热电偶，用于直接测量燃料芯体的温度。

辐照试验件的外套筒与内套筒形成环形气体间隙。内套筒外表面有条状肋形突起，用于固定内套筒并形成均匀尺寸的气体间隙。外套筒下部设置有2个容纳进气管开孔，两根进气管分别输送氦气和氩气；出气口位于外套筒上部。采用堆外双气体调节系统，通过向辐照试验件气隙内注入氦气或氩气的方式，改变环形气隙内混合气体的气体成分和导热系数，从而有效调节环形气隙的径向温度梯度。通过燃料芯体处热电偶测量温度的实时反馈，进而将试验燃料棒的辐照温度控制在一定范围内。

辐照装置内的4个辐照试验件采用独立的气体进出口管道，通过堆外双气体调节系统独立地调节每个试验件内的燃料棒温度。进行金属型快堆燃料棒中子辐照试验时，通过气隙与燃料棒外液态金属层建立温差，通过独立调节各辐照件的气隙气体成分，可将不同辐照件内的燃料芯体温度控制在不同的温度区间内。

本装置通过辐照件内气隙与燃料棒外液态金属层建立传热温差，采用堆外双气体调节系统向辐照试验件气隙内注入氦气或氩气的方式，改变环形气隙内混合气体的导热系数，从而有效调节环形气隙的径向温度梯度；通过燃料芯体处热电偶测量温度的实时反馈，进而将试验燃料棒的辐照温度控制在一定范围内。

燃料棒下端塞中心开孔，用于穿出热电偶引线，以监测辐照试验过程中的燃料芯体温度。

置内的每个辐照试验件均可独立调节其气隙气体成分，从而可将不同辐照件内的燃料芯体温度控制在所需的温度区间内。

本装置采用镉金属层吸收热中子降低装置内的热中子注量率，从而使得试验燃料元件的中子能谱接近快中子反应堆。外侧冷却水流道用于容纳气体管道和热电偶引线，内侧流道冷却水用于冷却辐照件；内流道内设置的热电偶，用于测量各辐照件的释热功率。外套筒下部内壁面设置热电偶，用于测量测量外套筒的内壁温；利用内侧流道测得的水温与外套筒内壁温的差值，得到该轴向位置外套筒材料的伽马释热率，最终得到每个辐照件内燃料棒的释热功率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，所述装置包括：

保护管和辐照试验体；辐照试验体包括N个辐照试验单元，N为大于或等于4的正整数，辐照试验体安装在保护管内，保护管与镉管之间的区域为外侧冷却水流道；每个辐照试验单元两端均设有过渡端，第一个辐照试验单元的其中一个过渡端与第二个辐照试验单元的其中一个过渡端连接，第二个辐照试验单元的另外一个过渡端与第三个辐照试验单元的其中一个过渡端连接，…，第N-1个辐照试验单元的另外一个过渡端与第N个辐照试验单元的其中一个过渡端连接，第N个辐照试验单元的另外一个过渡端与保护管的一端连接；辐照试验单元包括：镉管以及位于镉管内的辐照试验件，镉管与辐照试验件之间的区域为内侧冷却水流道；过渡端为无镉金属层，并设计有一系列开孔，用于设置并安装辐照件固定结构、进出口气管和热电偶接管；每个辐照试验件上下端部位置均设置有热电偶，用于测量相应轴向位置的内侧流道冷却水温度，辐照试验件的内套筒下部设置一根贯穿内套筒与燃料元件下端塞的热电偶，用于测量燃料芯体的温度。

2.根据权利要求1所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，外侧冷却水流道用于容纳从每个辐照试验件引出的气体管道和热电偶引线；外侧冷却水流道内流动的堆芯冷却水用于冷却镉管、保护管、进出口气管以及电热偶引线。

3.根据权利要求1所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，内侧冷却水流道内的堆芯冷却水用于带走试验燃料棒以及辐照试验件其余结构的释热；内侧冷却水流道与外侧冷却水流道互相隔离。

4.根据权利要求1所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，辐照试验件为多层圆筒形结构，由外而内依次为外套筒、气隙、内套筒、液态金属层、棒状燃料元件。

5.根据权利要求4所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，棒状燃料元件下端塞中心开孔，用于穿出热电偶引线。

6.根据权利要求4所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，辐照试验件的内套筒为封闭结构，内含试验燃料棒以及液态金属层；内套筒与棒状燃料元件包壳形成均匀厚度的第一环形间隙，第一环形间隙内填充液态金属作为热阻层。

7.根据权利要求4所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，辐照试验件的外套筒为封闭结构，外套筒与内套筒间为第二环形间隙，第二环形间隙内充气体；内套筒外表面有条状肋形突起，用于固定内套筒并形成均匀尺寸的气体间隙；外套筒下部设置有2个容纳进气管的开孔，两根进气管分别输送氦气和氩气；出气口位于外套筒上部。

8.根据权利要求4所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，辐照装置内的N个辐照试验件采用独立的气体进出口管道，可对每个辐照试验件单独进行温度控制。

9.根据权利要求4所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，外套筒下部的内壁面设置一根热电偶，用于测量外套筒的内壁温。

10.根据权利要求4所述的金属型快堆燃料元件辐照试验装置，其特征在于，利用外套筒内壁面的热电偶测量的内壁温，以及内侧冷却水流道测得的水温与外套筒内壁温的差值，得到外套筒材料的伽马释热率；利用该材料的伽马释热率，计算每个辐照试验件的结构材料伽马释热功率，进而得到每个辐照件内燃料棒的释热功率。

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