本發(fā)明涉及堆輻照，具體涉及一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置。

背景技術(shù)：

1、壓水堆燃料元件的性能與反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。開展燃料元件堆內(nèi)輻照試驗(yàn)，是燃料元件研發(fā)與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)。燃料元件功率瞬態(tài)輻照試驗(yàn)一般在研究堆上采用專門的功率瞬態(tài)輻照試驗(yàn)裝置進(jìn)行；通過在短時(shí)間內(nèi)改變?nèi)剂显墓β?，進(jìn)行燃料元件性能參數(shù)和安全余量的驗(yàn)證。為在研究堆內(nèi)對壓水堆燃料元件進(jìn)行功率瞬態(tài)輻照試驗(yàn)，國外的一些研究堆，如挪威的hbwr堆、比利時(shí)的br2堆、瑞典r2堆和日本jmtr堆，采用氦-3氣體回路作為燃料元件的功率調(diào)節(jié)裝置。通過改變研究堆內(nèi)氦屏中氣態(tài)中子毒物(3he氣體)的壓力，有效地調(diào)節(jié)試驗(yàn)燃料元件的輻照功率。

2、氦-3氣體回路的氦屏以及與其相連的部分氦氣管道，位于研究堆堆芯活性區(qū)內(nèi)；氦屏和部分氦氣管道內(nèi)的3he氣體吸收堆內(nèi)的熱中子，產(chǎn)生具有放射性危害的氚(3h)。氚是氫的同位素，氣體狀態(tài)的氚具有很強(qiáng)的滲透能力；較高溫度的氚可以輕松滲透金屬材料制成容器，進(jìn)而泄露到環(huán)境中。氚的滲透能力隨自身溫度的升高而急劇增大。

3、由于氦-3氣體回路提供的氣體壓力調(diào)節(jié)范圍是有限的，一般為0.1～4.5mpa；同時(shí)，傳統(tǒng)的氦屏結(jié)構(gòu)采用環(huán)形氣腔式設(shè)計(jì)，且離試驗(yàn)燃料棒較遠(yuǎn)。這兩方面的因素限制了試驗(yàn)燃料元件元件的功率變化范圍。另一方面，為提高單次功率瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)的燃料棒數(shù)量，一般采用燃料束開展試驗(yàn)；由于研究堆內(nèi)中子注量率分布的差異以及燃料棒束的“互屏”效應(yīng)，使得棒束內(nèi)不同位置的燃料棒功率差異較大，不符合單次試驗(yàn)時(shí)要求燃料棒功率及其變化情況盡可能相同的要求。因此，有必要針對燃料棒束的功率瞬態(tài)試驗(yàn)，開發(fā)可實(shí)現(xiàn)大幅度功率變化、不同位置燃料棒功率展平的功率瞬態(tài)輻照裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置，采用本方案，可使得多根燃料棒同時(shí)實(shí)現(xiàn)大幅度的功率躍增，并極大的減小了不同位置燃料棒的功率差異，試驗(yàn)過程中不同燃料棒的試驗(yàn)參數(shù)基本一致，從而用多根棒狀燃料元件同時(shí)開展功率瞬態(tài)試驗(yàn)。

2、本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置，包括：

4、外管，所述外管上下端均敞口，所述外管內(nèi)腔軸向帶有氦氣出口管；

5、螺旋管氦屏，所述螺旋管氦屏同軸繞于所述外管的外側(cè)，所述螺旋管氦屏上端進(jìn)口和氦氣進(jìn)口管連通，所述螺旋管氦屏下端出口和所述氦氣出口管下端連通，所述氦氣出口管上端和外部設(shè)備連通；

6、所述氦氣出口管外壁和外管內(nèi)壁之間的環(huán)形區(qū)域?yàn)橛糜诠├鋮s水通過的中間流道，所述中間流道內(nèi)環(huán)向且等間距均布有若干棒狀燃料元件；相鄰所述棒狀燃料元件之間的間距和原型燃料組件中的燃料棒間隔一致；所述棒狀燃料元件的燃料段兩端均位于所述螺旋管氦屏兩端之間。

7、相對于現(xiàn)有技術(shù)中，氚是氫的同位素，氣體狀態(tài)的氚具有很強(qiáng)的滲透能力；較高溫度的氚可以輕松滲透金屬材料制成容器，進(jìn)而泄露到環(huán)境中；并且，由于氦-3氣體回路提供的氣體壓力調(diào)節(jié)范圍是有限的，一般為0.1～4.5mpa；同時(shí)，傳統(tǒng)的氦屏結(jié)構(gòu)采用環(huán)形氣腔式設(shè)計(jì)，且離試驗(yàn)燃料棒較遠(yuǎn)。這兩方面的因素限制了試驗(yàn)燃料元件元件的功率變化范圍。另一方面，為提高單次功率瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)的燃料棒數(shù)量，一般采用燃料束開展試驗(yàn)；由于研究堆內(nèi)中子注量率分布的差異以及燃料棒束的“互屏”效應(yīng)，使得棒束內(nèi)不同位置的燃料棒功率差異較大，不符合單次試驗(yàn)時(shí)要求燃料棒功率及其變化情況盡可能相同的要求等問題，本發(fā)明提供了一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置，采用本方案，可使得多根燃料棒同時(shí)實(shí)現(xiàn)大幅度的功率躍增，并極大的減小了不同位置燃料棒的功率差異，試驗(yàn)過程中不同燃料棒的試驗(yàn)參數(shù)基本一致，從而用多根棒狀燃料元件同時(shí)開展功率瞬態(tài)試驗(yàn)。

8、具體方案中，包括外管、螺旋管氦屏以及氦氣進(jìn)口管和氦氣出口管，螺旋管氦屏呈螺旋狀，并同軸繞于外管外側(cè)，即氦屏為上述結(jié)構(gòu)的氦氣管道繞外管螺旋折繞而成，此時(shí)螺旋管氦屏的上端和氦氣進(jìn)口管連通，螺旋管氦屏的下端彎折從外管下端敞口處進(jìn)入到外管內(nèi)部，從而形成氦氣出口管，這樣，通過氦氣進(jìn)口管，可在螺旋管氦屏和氦氣出口管內(nèi)充入氦氣(3he氣體)，氦-3氣體自氦氣進(jìn)口管進(jìn)入，流經(jīng)螺旋管氦屏，最后經(jīng)由中心位置的氦氣出口管流出；另外，在氦氣出口管外壁和外管內(nèi)壁之間帶有環(huán)形區(qū)域，即用于供冷卻水通過的中間流道，若干棒狀燃料元件環(huán)向設(shè)置于環(huán)形區(qū)域內(nèi)，即n個(gè)燃料棒周向等間距圍成一圈，由相應(yīng)的固定結(jié)構(gòu)保持各棒位置的固定，燃料棒間距與其所在的原型燃料組件中的燃料棒間隔一致，這樣，通過環(huán)向間隔均布的若干棒狀燃料元件、外部螺旋設(shè)置的螺旋管氦屏以及位于中心的氦氣出口管，在使得多根燃料棒同時(shí)實(shí)現(xiàn)大幅度的功率躍增的同時(shí)，極大的減小了不同位置燃料棒的功率差異，使試驗(yàn)過程中不同燃料棒的試驗(yàn)參數(shù)基本一致。以上棒狀燃料元件采用采用縮短的燃料棒設(shè)計(jì)，一般將燃料棒的燃料區(qū)域與堆芯熱中子注量率軸向分布的平坦區(qū)域相重疊。螺旋管氦屏的軸向位置與若干棒狀燃料元件的燃料段所圍繞的軸線基本相同，即若干棒狀燃料元件圍繞的軸線和螺旋管氦屏同軸，且氦屏的長度略大于燃料段長度，從而將燃料段容納在內(nèi)。

9、以上方案，旨在實(shí)現(xiàn)：通過采用了緊湊式的圓周形布置方案，可同時(shí)搭載多根燃料棒；同時(shí)采用了螺旋管氦屏以及中心氦氣管道的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)大幅的功率躍增，且有效減小不同燃料棒的功率差異。另外，螺旋管氦屏和中心氦氣管道均位于冷卻燃料棒束的中間流道外，減小了氦-3氣體以及其氦屏結(jié)構(gòu)材料釋熱對燃料釋熱功率測量的影響，提高了燃料棒束釋熱功率測量的準(zhǔn)確性。氦屏和中心氦氣管道均不與冷卻燃料棒束的較高溫度冷卻水接觸，一定程度上降低了氦氣管道以及管道內(nèi)含氚氦氣的溫度，從而有利于減小氚的滲透泄露能力。

10、為滿足不同數(shù)量燃料棒的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)置為：當(dāng)若干所述棒狀燃料元件無法占據(jù)滿環(huán)形區(qū)域時(shí)，若干所述棒狀燃料元件環(huán)向且等間距均布于環(huán)形區(qū)域一側(cè)，除所述環(huán)形區(qū)域一側(cè)之外，其余區(qū)域通過結(jié)構(gòu)部件封閉。本方案中，若試驗(yàn)的燃料棒數(shù)量不能占據(jù)滿內(nèi)外管間的環(huán)形區(qū)域，則在保持燃料棒原有間距不變的前提下，將其緊密排列在圓環(huán)區(qū)域的一側(cè)，圓環(huán)的其余區(qū)域則采用結(jié)構(gòu)部件予以封閉，以保持中間流道內(nèi)沖刷冷卻燃料棒束的冷卻水流速滿足試驗(yàn)要求。

11、為作為壓力邊界，形成冷卻劑通道，還包括壓力管，所述外管和所述螺旋管氦屏均位于所述壓力管的腔室內(nèi)，所述壓力管帶有冷卻水進(jìn)口，所述冷卻水進(jìn)口位于所述螺旋管氦屏上方；所述外管下端和壓力管底部連通，所述外管的上端和冷卻水出口連通。本方案中，壓力管3為采用不銹鋼材料的厚壁圓筒形結(jié)構(gòu)，作為壓力邊界而容納典型壓水堆環(huán)境參數(shù)(壓力約15mpa，溫度約280～330℃)的冷卻水；這樣，冷卻水能自上冷卻水進(jìn)口流入，沿外流道向下流動，從而冷卻壓力管和螺旋管氦屏，隨后在壓力管以及外管底部折返向上，從而通過中間流道，并從冷卻劑出口流出。

12、為將外流道和中間流道完全隔開，還包括分流管，所述分流管一端通過中間接頭和所述外管上端連通，所述分流管另一端穿出所述壓力管。

13、為減少熱量傳遞，還包括保護(hù)管，所述壓力管和所述保護(hù)管同軸，且從內(nèi)到外依次設(shè)置，所述保護(hù)管內(nèi)側(cè)和所述壓力管外側(cè)之間的腔室為氮?dú)馇弧１痉桨钢?，保護(hù)管位于壓力管外側(cè)，同樣為圓筒形結(jié)構(gòu)；兩者之間為氮?dú)馇唬涑旱獨(dú)?，并分別與氮?dú)膺M(jìn)口和氮?dú)獬隹谙噙B。

14、為進(jìn)一步減小換熱，從而能準(zhǔn)確得到冷卻水在燃料區(qū)域的溫升，還包括內(nèi)管，所述氦氣出口管和所述內(nèi)管同軸，且從內(nèi)到外依次設(shè)置，所述內(nèi)管位于若干所述棒狀燃料元件之間；所述內(nèi)管內(nèi)側(cè)和所述氦氣出口管外側(cè)之間的留有環(huán)向的內(nèi)流道，所述內(nèi)流道的下端和所述壓力管底部連通，所述內(nèi)流道的上端和所述冷卻水出口連通。本方案中，在氦氣出口管之外還同軸帶有內(nèi)管，內(nèi)流道為內(nèi)管和中心的氦氣出口管之間的環(huán)形區(qū)域，由內(nèi)管將其與中間流量分隔開。冷卻水自冷卻水進(jìn)口流入，沿外流道向下流動，冷卻壓力管和螺旋管氦屏后在外管下部折返向上，分別流入中間流道和內(nèi)流道，分別沖刷冷卻燃料棒束和中心位置的氦氣出口管后，兩流道的冷卻水在裝置上部匯流，最后自冷卻水出口管流出。

15、為減小管內(nèi)外不同流道冷卻水之間的熱交換，所述分流管、外管和內(nèi)管均采用第一雙層管結(jié)構(gòu)，所述第一雙層管結(jié)構(gòu)中的間隙內(nèi)填充有氮?dú)狻?/p>

16、為進(jìn)一步防止螺旋管氦屏以及相連氦氣管道中的氚滲透泄露入冷卻水中，所述螺旋管氦屏、氦氣進(jìn)口管和氦氣出口管均采用帶填充層的第二雙層管結(jié)構(gòu)，所述第二雙層管結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次包括有內(nèi)層管、海綿狀金屬鈦管間填充層和外層管，且所述內(nèi)層管和外層管均采用帶致密al2o3涂層的不銹鋼材料制成。本方案中，采用了帶夾層的雙層不銹鋼管結(jié)構(gòu)的氦氣管道，且該雙層管均采用al2o3鍍膜設(shè)計(jì)，內(nèi)層管內(nèi)部容納含氚的氦氣，可防止氦屏以及相連氦氣管道中的氚滲透泄露入冷卻水中，從而有效減少氚泄露產(chǎn)生的放射性危害。

17、為在線監(jiān)測燃料棒附近的熱中子注量率，所述外管的內(nèi)側(cè)安裝有若干自給能中子探測器的測量頭；其中測量頭優(yōu)選位于若干棒狀燃料元件和內(nèi)管之間。

18、為測量中間流道冷卻水在燃料區(qū)域的溫升，若干棒狀燃料元件的燃料段上方和下方位置均設(shè)置有若干根熱電偶。本方案中，在中間流道的燃料段下方設(shè)置若干根燃料段進(jìn)口熱電偶，在燃料段上方設(shè)置若干根燃料段出口熱電偶，用于測量中間流道冷卻水在燃料區(qū)域的溫升；利用與裝置相連的外部系統(tǒng)測量得到的冷卻水流量，以及中間流量與內(nèi)流道的分流比例，即可利用熱平衡法得到燃料棒束的釋熱功率。

19、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

20、1)本發(fā)明提供的一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置，采用了緊湊式的圓周形布置方案，可同時(shí)搭載多根燃料棒；同時(shí)采用了螺旋管氦屏以及中心氦氣管道的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)大幅的功率躍增，且有效減小不同燃料棒的功率差異。

21、2)本發(fā)明提供的一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置，外管、內(nèi)管和分流管均采用雙層管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減少了相鄰流道間冷卻水的換熱；同時(shí)，氦屏和中心氦氣管道均位于冷卻燃料棒束的中間流道外，減小了氦-3氣體以及其氦屏結(jié)構(gòu)材料釋熱對燃料釋熱功率測量的影響，提高了燃料棒束釋熱功率測量的準(zhǔn)確性。

22、3)本發(fā)明提供的一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置，氦屏和中心氦氣管道均不與冷卻燃料棒束的較高溫度冷卻水接觸，一定程度上降低了氦氣管道以及管道內(nèi)含氚氦氣的溫度，從而有利于減小氚的滲透泄露能力。

23、4)本發(fā)明提供的一種適用于燃料棒束的功率瞬態(tài)輻照裝置，采用了帶夾層的雙層不銹鋼管結(jié)構(gòu)的氦氣管道，且該雙層管均采用al2o3鍍膜設(shè)計(jì)，可防止氦屏以及相連氦氣管道中的氚滲透泄露入冷卻水中，從而有效減少氚泄露產(chǎn)生的放射性危害。

24、5)本發(fā)明可應(yīng)用于采用氦-3氣體回路的燃料功率瞬態(tài)試驗(yàn)回路堆內(nèi)裝置設(shè)計(jì)，并最終用于研究堆內(nèi)的大變化范圍、高功率分布均勻性的燃料棒束功率瞬態(tài)輻照試驗(yàn)。