CN220474344U - 一种反应堆燃料组件的屏蔽结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种反应堆燃料组件的屏蔽结构，所述屏蔽结构为双层的圆柱形结构；其中，内层为电子屏蔽层，外层为光子屏蔽层；电子屏蔽层的材料为聚乙烯，径向厚度与轴向厚度的比值为5:3；光子屏蔽层的材料为铅，径向厚度与轴向厚度的比值为4:3；聚乙烯与铅的径向厚度的比值为1:20，轴向厚度的比值为1:25。本申请设计了一个尽可能薄而轻的屏蔽体对光子、电子进行有效的屏蔽，使用多层屏蔽材料对电子、光子依次逐步屏蔽，充分考虑到各层屏蔽材料在不同厚度对粒子的屏蔽效果。
Description
技术领域
本实用新型总体地涉及核辐射防护技术领域，具体地涉及一种反应堆燃料组件的屏蔽结构。
背景技术
加速器驱动次临界系统ADS(Accelerator Driven Sub-critical system)目前被认为是最有效的放射性物质嬗变处理方式之一。嬗变反应堆燃料组件是由核废料构成，核废料是核物质在核反应堆内燃烧后残留下来的核灰烬，具有极强烈的放射性，而且半衰期很长，所以如何安全、永久地处理核废料是科学家们一个重大的课题。以核废料为燃料的燃料组件在制造、运输、贮存等过程中，都将会辐射能量，对人体产生一定的危害，因此，利用核废料构成的燃料组件的屏蔽问题值得关注和重视。
实用新型内容
本实用新型提供一种反应堆燃料组件的屏蔽结构，所述屏蔽结构为双层的圆柱形结构；
其中，内层为电子屏蔽层，外层为光子屏蔽层；
电子屏蔽层的材料为聚乙烯，径向厚度与轴向厚度的比值为5:3；
光子屏蔽层的材料为铅，径向厚度与轴向厚度的比值为4:3；
聚乙烯与铅的径向厚度的比值为1:20，轴向厚度的比值为1:25。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为一种反应堆燃料组件的屏蔽结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
如图1所示，提供一种反应堆燃料组件的屏蔽结构，所述屏蔽结构为双层的圆柱形结构；
其中，内层为电子屏蔽层，外层为光子屏蔽层；
电子屏蔽层的材料为聚乙烯，径向厚度与轴向厚度的比值为5:3；
光子屏蔽层的材料为铅，径向厚度与轴向厚度的比值为4:3；
聚乙烯与铅的径向厚度的比值为1:20，轴向厚度的比值为1:25。
以核废料作燃料的燃料组件的设计原则是应尽可能地屏蔽其辐射出的中子、光子和电子，本方案主要针对光子和电子的屏蔽，使得屏蔽体外的辐射量符合日常工作人员的辐照安全要求，并且考虑到实际工作条件，屏蔽体的尺寸和重量也应该有一定的限制，占地面积尽量小，重量尽量轻。
核燃料被烧结成一个个圆柱状、六角形、正方体等不同形状的二氧化铀陶瓷芯块，再组装才燃料组件，就可以投入核电站使用。但嬗变反应堆燃料组件，其他构造都大致相同，燃料组件也有不同的形状，不同点在于嬗变反应堆燃料组件的有效成分是核废料(Ma+Pu)，具有更强的放射性。因此，在制造、运输和储存过程中要时刻关注其放射性的泄露情况，做好严格的辐射屏蔽，确保工作人员的安全万无一失，所以必须要做好辐射防护屏蔽工作。
屏蔽体屏蔽效果的好坏取决于屏蔽材料的选取，为有效屏蔽光子、电子，在屏蔽材料一定的情况下，既要尽可能减少屏蔽体的体积，也要做到用材少，屏蔽佳的效果，就需要采用多层屏蔽结构。第一层为电子的辐射屏蔽材料，将电子尽可能屏蔽掉，以免发生韧致辐射，合适的材料应该具有较小的原子序数，如聚乙烯(C2H2)、钢化玻璃以及硼玻璃等。第二层为原子序数较大的材料，用以有效屏蔽光子，如铅(Pb)等。
在一定厚度的条件下，任何金属都将可以作为γ辐射屏蔽材料。然而就目前为止，对γ的辐射屏蔽还是要以重金属较为有效。根据对X射线辐射屏蔽的一些相关经验可知，铅(Pb)是最常用的而且是相对成本便宜的γ辐射屏蔽材料的最佳选择，所以本论文在屏蔽光子时，采用的屏蔽层材料就是铅(Pb)。但是铅(Pb)也有些缺点，比如材质较软，不能直接作为结构的部件，而且铅(Pb)的熔点较低容易被酸碱所腐蚀，因此在使用上要多加考虑，甚至会受到一些限制。
根据辐射防护的特征，屏蔽材料被施加到不同的屏蔽部件，各种屏蔽材料在屏蔽不同射线和粒子时，要合理使用。在辐射防护领域屏蔽材料的作用是有目共睹的，但许多屏蔽材料的结构性能、屏蔽功能、焊接性能、以及热稳定性等，都存在着难以平衡的问题。辐射屏蔽材料的应用，在综合物理性能和机械性能的要求越来越高，而优化设计，结构和屏蔽材料的功能也变得越来越重要。特别是对快堆和移动反应堆的屏蔽，要结合多种因素进行分析，屏蔽效率、材料体积以及重量是值得认真考虑的问题。本方案根据实际情况和相关原理，结合以前屏蔽的经验方法，选择了铅作为屏蔽光子的材料，聚乙烯作为屏蔽电子的材料，两者结合构成屏蔽体，对燃料组件辐射的光子、电子进行有效而可靠的屏蔽。
为确定各层材料及厚度，设置了如图所示圆柱形屏蔽体(正视图)，其内层为核废料燃料组件的简化模型。中心为光子、电子点源。根据核废料中镎镅锔钚及其同位素经自发裂变产生大量光子、电子，为防止电子发生韧致辐射，屏蔽体内层为聚乙烯(C2H2)，外层为铅(Pb)，因此实验中拟模拟的源放出的粒子能量要进行屏蔽，防止辐射泄露，以控制在人体可接受的安全水平范围内。屏蔽体中心是半径为9.166cm，高为50cm的圆柱体燃料组件(燃料组件是由核废料构成，组件是中心对称，利于实验模拟各向同性的点源)。在外界设置了球面探测器，进行面通量的实验模拟。进行能量沉积和泄漏率方面的实验模拟计算及分析。
在考虑到既保证计算精度，又节约时间，本次实验模拟跟踪光子、电子数为2e8—4e8个，以减小实验误差。
图1为MCNP实验模拟中的模型图。其中1位置表示核废料；2位置表示铅(Pb)；3位置表示聚乙烯(C2H2)；4位置表示外界。圆柱型屏蔽体由两层屏蔽材料构成。表1为MCNP实验模拟的模型图介绍。
表1MCNP实验模拟的模型图介绍
电子屏蔽材料选择的是聚乙烯(C2H2)，其主要功能是先将电子屏蔽，避免电子发射韧致辐射，对材料造成一定的损失，破坏屏蔽体结构。选用的材料是原子序数较小的，具有很轻质量的，非弹性散射截面越大，对电子的屏蔽效果越好，材料越厚，对电子的屏蔽效果当然也越好，但为了尽量控制屏蔽体的重量，减小屏蔽体的体积，就要做相应的实验模拟，得到最佳的尺寸。为了确定电子屏蔽材料的合适厚度，利用MCNP5程序，模拟电子输运情况。
模拟实验厚度点的选取原则：根据实验模拟数据绘制出的曲线的变化趋势，分析曲线的变化趋势，选取曲线斜率变为零的点(极大值点或极小值点，又或者曲线开始变平缓的点)作为此层实验模拟出来的该屏蔽层厚度的点。
由上述过程中屏蔽模拟实验，同时根据光子、电子屏蔽原理，从物理上分析由铅(Pb)、聚乙烯(C2H2)屏蔽材料设计的屏蔽体，光子源的屏蔽防护主要由铅(Pb)层材料承担，电子源的屏蔽防护主要由聚乙烯(C2H2)材料承担。因此，再根据所确定的各屏蔽层厚度得出一套比较优化的屏蔽方案，如下表2所示。
表2屏蔽体结构
以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种反应堆燃料组件的屏蔽结构，其特征在于，所述屏蔽结构为双层的圆柱形结构；
其中，内层为电子屏蔽层，外层为光子屏蔽层；
电子屏蔽层的材料为聚乙烯，径向厚度与轴向厚度的比值为5:3；
光子屏蔽层的材料为铅，径向厚度与轴向厚度的比值为4:3；
聚乙烯与铅的径向厚度的比值为1:20，轴向厚度的比值为1:25。
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