CN118155892A - 一种临界安全贮槽以及核工业厂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种临界安全贮槽，包括外筒和环管，所述外筒与环管相互平行，且外筒套设在环管的外部，所述环管的内壁和外壁之间围设成用于贮存中子吸收体的环形区域，所述环管的内壁内部、以及外壁和外筒之间形成用于贮存料液的贮存区域。本发明的临界安全贮槽能够有效提高容器内料液占比，从而提高处理效率，并降低中子吸收体用量，节省材料成本，同时还能保证临界安全。本发明还提供一种核工业厂。

Description

一种临界安全贮槽以及核工业厂

技术领域

本发明具体涉及一种临界安全贮槽以及核工业厂。

背景技术

在核工业领域中，涉及含易裂变核素的料液贮存的情况下，保证设备临界安全是重中之重，为此会采用体积控制、浓度控制、中子毒物控制等方法控制设备的有效增殖系数，并设置临界安全限值，以确保设备一定的临界安全。

目前，常常采用环形结构贮槽贮存上述料液，当存放的含易裂变核素/含易裂变物质的料液量很小时，通常可以使用这类结构简单的环形槽，即，将料液贮存于环形槽的环形空腔内，并在环形槽的内环的中间填充中子吸收材料。

然而这种环形槽贮存的料液量少，料液存储空间仅为槽壁一圈的环形区域，故整个容器的处理效率低，而为了确保吸收程度，中子吸收材料却需要填满环形槽的内环中部，因此中子吸收材料使用量大，成本过高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种临界安全贮槽，该贮槽能够有效提高容器内料液占比，从而提高处理效率，并降低中子吸收体用量，节省材料成本，同时还能保证临界安全。本发明还提供一种核工业厂。

本发明提供一种临界安全贮槽，包括外筒和环管，所述外筒与环管相互平行，且外筒套设在环管的外部，所述环管的内壁和外壁之间围设成用于贮存中子吸收体的环形区域，所述环管的内壁内部、以及外壁和外筒之间形成用于贮存料液的贮存区域。

进一步地，所述环管的内壁直径为第一设定值，外壁直径为第二设定值，所述第一设定值和第二设定值具体为：通过设定算法根据贮存参数得到多组环管参数，以及对应的有效增殖系数和料液体积占比；并在多组环管参数中获取有效增殖系数符合设定要求，且料液体积占比最高的一组环管参数，以该组环管参数中的内壁直径和外壁直径分别作为第一设定值和第二设定值。

进一步地，所述贮存参数包括外筒高度、外筒内径、外筒壁厚、环管材料、环管内壁壁厚和外壁壁厚以及料液材料，所述设定算法为蒙特卡罗算法。

进一步地，所述环管上开设有通道，所述通道贯穿环管的内壁和外壁，且不连通内壁和外壁之间的环形区域，从而使环管内壁内部的贮存区域与外壁和外筒之间的贮存区域保持互通。

进一步地，所述环管设有多个，各环管均匀布置在外筒的内部。

进一步地，所述外筒截面呈圆形，各环管以外筒的中心作为布局中心，以多个同心圆或多个同心正六边形的方式等间距布局。

进一步地，所述环管的内壁和外壁均为包壳，所述包壳的材料包括钛合金、锆合金、铝合金、铜合金以及不锈钢。

进一步地，所述中子吸收体的材料包括碳化硼、含硼硅酸盐材料、含硼铝基复合材料、含硼有机材料、含硼混凝土材料、金属镉、金属钆、氧化钆、含硼不锈钢、含镉不锈钢、含钆不锈钢中的一种或多种组合。

进一步地，所述外筒包括筒体、料液进口和料液出口，所述料液进口设置在筒体的顶部，所述筒体的底部呈倾斜平面，料液出口设置在筒体的底部中的最低位置处。

进一步地，临界安全贮槽还包括鼓泡管、阀门、流量检测器和控制器，所述鼓泡管连接外筒，用于向外筒内注入气体，所述阀门设置在鼓泡管上，用于通过开度控制鼓泡管注入气体的气体流量，所述流量检测器设置在外筒的内部，用于监测气体流量值，所述控制器与流量检测器和阀门分别电连接，用于根据流量检测器获取的气体流量值控制阀门的开度。

一种核工业厂，包括提取设备以及上述的临界安全贮槽，所述临界安全贮槽用于贮存含易裂变物质的料液，所述提取设备连接所述临界安全贮槽，用于从料液中提取设定元素。

本发明的临界安全贮槽，对中子吸收体的贮存区域进行结构改进，采用环管贮存中子吸收体，环管的内部和外部均作为贮存料液的贮存区域，相比于常规的整片中子吸收体贮存区域来说，本贮槽相当于挖空了原本中子吸收体的中部区域，将原本由中子吸收体占据的空间出让给料液，从而在降低中子吸收体用量的同时提升料液的贮存量。

且本贮槽的结构中，由于中子吸收体所在区域呈环形结构，内外部均贮存料液，因此其内环线和外环线均为中子吸收体和料液的界面，这就使得中子吸收体与料液的界面得到有效扩张，从而极大提升处理效率，在中子吸收体直径不变的情况下，本结构的贮槽既能够降低中子吸收体用量、提升料液的贮存量、节省材料，还能够扩大中子吸收体和料液之间的界面、提升处理效率，在能保证临界安全的前提下降低大量成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中临界安全贮槽的截面示意图；

图2是本发明实施例1中临界安全贮槽的结构示意图；

图3是本发明实施例1中临界安全贮槽的几何结构与料液占比、有效增值系数关系示意图；

图4是本发明实施例1中临界安全贮槽的环管几何结构示意图。

图中：1、外筒；11、贮存区域；2、环管；21、环形区域；22、包壳；3、料液；4、中子吸收体。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的临界安全贮槽，包括外筒1和环管2，外筒1与环管2相互平行，且外筒1套设在环管2的外部，环管2的内壁和外壁之间围设成用于贮存中子吸收体4的环形区域21，环管2的内壁内部、以及外壁和外筒1之间形成用于贮存料液3的贮存区域11。中子吸收体4为中子毒物。料液3为含易裂变物质的料液。本实施例中的料液3为含铀钚的料液。

本实施例的临界安全贮槽，可以用于核工业厂中，具体可以用于后处理厂中。本实施例对中子吸收体4的贮存区域进行结构改进，采用环管2贮存中子吸收体4，环管2的内部和外部均作为贮存料液3的贮存区域11，相比于常规的整片中子吸收体4贮存区域来说，本贮槽相当于挖空了原本中子吸收体的中部区域，将原本由中子吸收体4占据的空间出让给料液3，从而在降低中子吸收体4用量的同时提升料液3的贮存量。

且本贮槽的结构中，由于中子吸收体4所在区域呈环形结构，内外部均贮存料液3，因此其内环线和外环线均为中子吸收体4和料液3的界面，这就使得中子吸收体4与料液3的界面得到有效扩张，从而极大提升处理效率，在中子吸收体4直径不变的情况下，本结构的贮槽既能够降低中子吸收体4用量、提升料液3的贮存量、节省材料，还能够扩大中子吸收体4和料液3之间的界面、提升处理效率，在能保证临界安全的前提下降低大量成本。

本实施例中，环管2的内壁直径为第一设定值，外壁直径为第二设定值，第一设定值和第二设定值具体为：通过设定算法根据贮存参数得到多组环管2参数，以及对应的有效增殖系数和料液体积占比；并在多组环管2参数中获取有效增殖系数符合设定要求，且料液体积占比最高的一组环管2参数，以该组环管2参数中的内壁直径和外壁直径分别作为第一设定值和第二设定值。

当贮槽没有经过临界安全分析、未经过计算验证时，无法确定贮槽结构是否能够满足临界安全要求，因此无法实际应用于放射性料液的贮存，而本实施例还提供了环管2的内外壁直径的选取方案，从而最终得到满足临界安全要求的环管2结构。由于环管2的外壁直径越小，内壁直径越大，料液3体积占比越高，而有效增殖系数越大，即越接近临界安全限值，因此通过本实施例提供的选取方案能够得到在满足临界安全要求的情况下，料液体积占比最高的环管2结构，从而尽可能得到贮槽结构最优解。

本实施例中，贮存参数包括外筒1高度、外筒1内径、外筒1壁厚、环管2材料、环管2内壁壁厚和外壁壁厚以及料液3的材料，设定算法为蒙特卡罗算法。

本实施例中，环管2上开设有通道，通道贯穿环管2的内壁和外壁，且不连通内壁和外壁之间的环形区域21，从而使环管2内壁内部的贮存区域11与外壁和外筒1之间的贮存区域11保持互通。

本实施例中，环管2设有多个，各环管2均匀布置在外筒1的内部。从而确保外筒1内部各处的吸收效率均匀一致。各环管2均相互平行，呈管束状分布。本实施例中，将55个环管2包容中子吸收体4设置在贮槽外筒1的底面上，在贮槽外筒1与环管2围成的腔体中贮存料液3，实现贮槽的临界控制。

本实施例中，外筒1截面呈圆形，各环管2以外筒1的中心作为布局中心，以多个同心圆或多个同心正六边形的方式等间距布局。即各环管2内的中子吸收体4以贮槽外筒1的圆心为中心等间距排布，在贮槽外筒1底面的正投影视图上，以同心圆或正六边形的方式等间距的设置在贮槽外筒1底面上。

本实施例中，环管2的内壁和外壁均为包壳22，中子吸收体包壳22包覆于中子吸收体4外部(即外壁表面和内孔表面)，包壳22的材料包括钛合金、锆合金、铝合金、铜合金以及不锈钢。

本实施例中，中子吸收体4的材料为用于临界安全控制的中子吸收材料，中子吸收体4的材料包括碳化硼、含硼硅酸盐材料、含硼铝基复合材料、含硼有机材料、含硼混凝土材料、金属镉、金属钆、氧化钆、含硼不锈钢、含镉不锈钢、含钆不锈钢中的一种或多种组合,使用此类材料的中子吸收体4易于加工制造。进一步地，当中子吸收体4的材料采用含硼有机材料或含硼混凝土材料时，中子吸收体4采用一体浇筑式结构。

本实施例中，中子吸收体4和包壳22的材料选取方案可以是以下组合：包壳22材料为不锈钢或钛合金、中子吸收体4材料选用含硼量为20％的含硼环氧树脂，采用一体浇筑式的设计进行加工制造；中子吸收体4的材料包括碳化硼和含硼硅酸盐材料，质量比为1:1、包壳22材料为锆合金；中子吸收体4的材料包括含硼铝基复合材料、包壳材料22为铝合金；中子吸收体4的材料包括含硼混凝土材料，含硼混凝土材料采用一体浇筑式结构、包壳22材料为不锈钢；中子吸收体4的材料包括金属镉、包壳22材料为铜合金；包壳22材料为不锈钢、中子吸收体4的材料包括金属钆或氧化钆或含硼不锈钢或含镉不锈钢或含钆不锈钢。

本实施例中，外筒1包括筒体、料液进口和料液出口，料液进口设置在筒体的顶部，筒体的底部呈倾斜平面，即贮槽外筒1底面与一侧贮槽外筒侧壁内侧的夹角大于90°，料液出口设置在筒体的底部中的最低位置处，保证料液3能够沿倾斜的底部平面从料液出口处完全排出。

本实施例中，临界安全贮槽还包括鼓泡管、阀门、流量检测器和控制器，鼓泡管连接外筒1，用于向外筒1内注入气体，阀门设置在鼓泡管上，用于通过开度控制鼓泡管注入气体的气体流量，流量检测器设置在外筒1的内部，用于监测气体流量值，控制器与流量检测器和阀门分别电连接，用于根据流量检测器获取的气体流量值控制阀门的开度，从而保证气体流量值处于需要的流量范围内。此部分结构为贮槽的常规结构，故不做赘述(附图中未示出，且不示出也不影响本领域人员对该结构的理解)。

本实施例的临界安全贮槽，大致包括贮槽的外筒1、设置于外筒1内的环形的用于贮存吸收中子的中子吸收体4环管2，贮槽外筒1用于贮存含易裂变物质的料液3。料液3为含预设浓度的易裂变物质的料液3。此贮槽可以保证其内的后处理厂中的料液3的临界安全。即在保证含易裂变物质的料液3临界安全的情况下，增加含易裂变物质的料液3在贮槽中的占比，节省中子吸收体4的材料成本，提高容器处理料液的效率，提高临界安全贮槽的容积利用率，降低贮槽中的中子吸收体材料的使用量，节约了制造成本，提高了贮槽的利用率和经济性。

本实施例进行了参数的优化分析，采用内壁直径、外壁直径两个变量限定环管2的几何条件，即中子吸收体外半径以及中子吸收体内半径，通过同时改变两个变量，可以使用三维蒙特卡洛程序(三维蒙特卡洛程序即基于蒙特卡洛算法的程序)搜索可以得到贮槽次临界安全(次临界安全为使贮槽一直处于临界安全状态)对应的几何参数，并给出对应几何的有效增殖系数(反应性)以及贮槽内料液的体积占比，有效增殖系数是反映反应性大小的度量，即Keff，在有效增殖系数小于一时，系统不会发生中子链式反应。

本实施例中，所采用的参数为：外筒1高度240cm，外筒1内径为200cm，外筒1壁厚1.4cm，包壳22材料为不锈钢，包壳22的厚度为0.3cm，料液3为钚溶液(上述参数为根据具体需求进行选取的数值，其他实施方式中也可以根据需求进行修改)。采用上述参数建模，以中子吸收体外半径以及中子吸收体内半径为变量，在建模上体现出中子吸收体的内孔，采用大量中子进行的随机试验，根据蒙特卡罗算法即能得到有效增殖系数最终结果(附图中未体现出环管2的内壁包壳22，是因为对于临界计算而言不考虑内壁包壳22会更保守，故模型图里没有建立)。

根据计算得到了下表1和下表2所示数据，可以根据该表选择合适的几何，以满足贮槽所在房间临界安全限值，分析结果见图3，分析结果给出了在不同环管2几何条件下，不同的溶液体积占比以及对应的有效增殖系数。

表1.环管2几何发生变化时的容器keff

表2.毒物几何发生变化时的溶液占比

图3中的一个数据点表示一个典型的略小于临界安全限值的尺寸参数组合，最终本实施例选取：中子吸收体4外环半径(即环管2外壁半径)为19cm，中子吸收体4内环半径(即环管2内壁半径)为5cm，中子吸收体4包壳22的厚度为0.3cm，如图4所示，有效增殖系数(keff)为0.9300±0.0005。此时贮槽体积中料液体积占比约为51.75％，处理量相比直管式管束槽设计方案增加约10％。

本实施例提供的临界安全贮槽，可以在保证含易裂变物质的料液临界安全的情况下，增加含易裂变物质的料液在贮槽中的占比，料液体积占比增加，中子毒物的体积占比降低，提高容器处理料液的效率，提高临界安全贮槽的容积利用率，降低贮槽中的中子吸收体1材料的使用量，通过环管的几何布置，可以在保证贮槽临界安全的情况下，减少一定量的中子吸收体材料，节约了制造成本，提高了贮槽的利用率和经济性。

实施例2

本实施例的核工业厂，具体可以为后处理厂，包括提取设备以及实施例1中的临界安全贮槽，临界安全贮槽用于贮存含易裂变物质、可能发生临界事故的料液3，提取设备连接临界安全贮槽，用于从料液3中提取设定元素。提取设备可以是贮槽前后连接的管束槽、环形槽，或是萃取柱、澄清槽。这些器械都是通过化学手段提取料液3中某种元素的系统，具体提取元素可以根据需求进行选择。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种临界安全贮槽，其特征在于：包括外筒(1)和环管(2)，

所述外筒(1)与环管(2)相互平行，且外筒(1)套设在环管(2)的外部，

所述环管(2)的内壁和外壁之间围设成用于贮存中子吸收体(4)的环形区域(21)，

所述环管(2)的内壁内部、以及外壁和外筒(1)之间形成用于贮存料液(3)的贮存区域(11)。

2.根据权利要求1所述的临界安全贮槽，其特征在于，所述环管(2)的内壁直径为第一设定值，外壁直径为第二设定值，

所述第一设定值和第二设定值具体为：

通过设定算法根据贮存参数得到多组环管(2)参数，以及对应的有效增殖系数和料液体积占比；并在多组环管(2)参数中获取有效增殖系数符合设定要求，且料液体积占比最高的一组环管(2)参数，以该组环管(2)参数中的内壁直径和外壁直径分别作为第一设定值和第二设定值。

3.根据权利要求2所述的临界安全贮槽，其特征在于，所述贮存参数包括外筒(1)高度、外筒(1)内径、外筒(1)壁厚、环管(2)材料、环管(2)内壁壁厚和外壁壁厚以及料液(3)材料，

所述设定算法为蒙特卡罗算法。

4.根据权利要求1所述的临界安全贮槽，其特征在于：所述环管(2)上开设有通道，所述通道贯穿环管(2)的内壁和外壁，且不连通内壁和外壁之间的环形区域(21)，从而使环管(2)内壁内部的贮存区域(11)与外壁和外筒(1)之间的贮存区域(11)保持互通。

5.根据权利要求1所述的临界安全贮槽，其特征在于：所述环管(2)设有多个，各环管(2)均匀布置在外筒(1)的内部。

6.根据权利要求5所述的临界安全贮槽，其特征在于：所述外筒(1)截面呈圆形，

各环管(2)以外筒(1)的中心作为布局中心，以多个同心圆或多个同心正六边形的方式等间距布局。

7.根据权利要求1所述的临界安全贮槽，其特征在于：所述环管(2)的内壁和外壁均为包壳(22)，所述包壳(22)的材料包括钛合金、锆合金、铝合金、铜合金以及不锈钢。

8.根据权利要求1所述的临界安全贮槽，其特征在于：所述中子吸收体(4)的材料包括碳化硼、含硼硅酸盐材料、含硼铝基复合材料、含硼有机材料、含硼混凝土材料、金属镉、金属钆、氧化钆、含硼不锈钢、含镉不锈钢、含钆不锈钢中的一种或多种组合。

9.根据权利要求1所述的临界安全贮槽，其特征在于：所述外筒(1)包括筒体、料液进口和料液出口，

所述料液进口设置在筒体的顶部，

所述筒体的底部呈倾斜平面，料液出口设置在筒体的底部中的最低位置处。

10.根据权利要求9所述的临界安全贮槽，其特征在于：还包括鼓泡管、阀门、流量检测器和控制器，

所述鼓泡管连接外筒(1)，用于向外筒(1)内注入气体，

所述阀门设置在鼓泡管上，用于通过开度控制鼓泡管注入气体的气体流量，

所述流量检测器设置在外筒(1)的内部，用于监测气体流量值，

所述控制器与流量检测器和阀门分别电连接，用于根据流量检测器获取的气体流量值控制阀门的开度。

11.一种核工业厂，其特征在于：包括提取设备以及权利要求1至10中任一项所述的临界安全贮槽，

所述临界安全贮槽用于贮存含易裂变物质的料液(3)，

所述提取设备连接所述临界安全贮槽，用于从料液(3)中提取设定元素。