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微型中子源反应堆改进方案研究_图文

第26卷


第2期 年4月

核动力工程
Nuclear Power

、,01.26.No.2



0 5

Engine舐ng

Apr.2 O 0 5

文章编号:0258.0926(2005)02.01 lo.04

微型中子源反应堆改进方案研究
赵海歌1,郭诚湛1,孙慧斌1,高永春2, 郑伍钦2,高集金2,王德亮2
(1.深圳大学核技术应用联合研究所,广东深圳,518060;2.中国原子能科学研究院,北京,102413)

摘要:分析研究了使微型中子源反应堆延长单次运行时间的几种改进方案。研究与实验结果表明,在中 心控制棒与堆芯原有结构保持不变,不超过安全运行限值的情况下,在侧铍反射层外附加弧形补偿板.再添 加适当当量的顶铍片后,中心控制棒与补偿板联动,可使微型中子源反应堆一次连续运行时间大大提高,提 高了微型中子源反应堆的运行性能。 关键词:微型中子源反应堆;补偿板(棒);运行时间
中图分类号:1r1411+.4;TL326

文献标识码:A







10。时【2】,微型中子源反应堆需要添加顶铍反射 层。深圳大学微型中子源反应堆已运行15年,仅 在安装超热辐照孔道时,添加过10.5mm顶铍反

为了确保深圳大学核技术应用联合研究所 微型中子源核反应堆的固有安全性,要限制其后 备反应性不超过4×10。3…。由于微型中子源反应 堆初装235U量小,后备反应性小,限制了反应堆 功率的提高和每次长时间运行的可能(单次连续 最大运行时间约为6~9h);而通过添加顶铍反射 层可以有限度地提高后备反应性,并使其逐步释 放,既保证了微型中子源反应堆的固有安全性, 又能提高微型中子源反应堆的运行性能,延长单 次运行时间,满足科研工作的需要。本文介绍了 几种使微型中子源反应堆延长单次运行时间的改 进方案。

射层,尚有近100lIull的顶铍反射层添加空问,
这部分潜在资源是提高微型中子源反应堆运行性 能,延长单次运行时间的物质基础。 基于上述思想,1996年进行了延长深圳大学 微型中子源反应堆运行时间的实验。将微型中子 源反应堆侧铍反射层中的一个内辐照管改为超热 辐照管,用O.5nⅡn镉片覆盖在内辐照管外,损失 4.3×10。3反应性,通过添加10.5IIlIIl顶铍反射层 补偿,使微型中子源反应堆冷态后备反应性仍维 持在,4.o×10~。正常运行时,依靠中心控制棒 的提升维持运行,可以进行超热和热中子活化分 析。进行同位素制备时,把超热辐照管作为补偿

2微型中子源反应堆改进方案
2.1

改进思路 我国商用微型中子源反应堆在堆芯350个元

棒。当中心棒自动提升到约200l姗时,手动提
起超热辐照管,最大提出量限制在170IIHn(全提 出铍反射层外,为190IIlIn),即释放4.1×10q反 应性;停堆时,随中心棒一起下插到堆底,后备 反应性在运行过程中始终小于4×10~,确保微型 中子源反应堆的固有安全性。从试运行情况看, 微型中子源反应堆连续运行26h,控制棒仅达

件孑L位中,初装342。345根核燃料,以满足初期 冷态后备反应性的要求,储备约3根燃料元件的 反应性作备用(大于4×10。3的反应性用调节器加 以吸收)。109.5mm顶铍反射层具有约18×loq的 后备反应性,商用微型中子源反应堆总的后备反 应性超过20×10~。当冷态后备反应性小于2.8×
收稿日期:2004m4.05;修回日期:200中08—25

133I眦,距顶部230蛐还有2.9×lO叫的后备反

基金项目:广东省自然科学基金资助项目(011742);深圳大学自然科学基金项目(200113)

万方数据  

赵海歌等:微型中子源反应堆改进方案研究

应性储备。通过氙毒计算,反应堆在这种运行方 式下可连续运行~40h。微型中子源反应堆在运行
26

0.5IllIn不锈钢板,通过固定在外辐照管座架上的 导架,使弧形板紧贴在侧铍反射层,用不锈钢绳 把弧形板连在专门为其服务的传动机构上,可以 上下自由的运动。传动机构采用与中心控制棒驱 动装置完全一样的伺服电机传动装置。该装置固 定在反应堆桶体上盖,同时采取两项措施保证弧 型补偿板在运行时始终处于其导向槽中即:①通 过伺服电机的限位装置,限制其最大行程为 230llun;②补偿板棒位信号采自多圈电位器并传

h时,堆芯平均温度提高5.1℃(与运行8h相

比),温差下降3.2℃,堆热功率下降15%,没有 出现超功率,超温差的情况。 该项修改没有违背微型中子源反应堆运行 限值和条件。超热跑兔管释放的反应性可以得到 有效控制,不会磨损反应堆其他部件。同时从辐 射防护的角度看,也不会对工作人员造成不可接 受的影响,因此,从安全上是可以接受的。 2.2方案论证 试运行证明,利用微型中子源反应堆顶铍反 射层的资源,通过提升超热跑兔管,可以使微型 中子源反应堆的单次最大运行时间成倍地延长。 但是因跑兔管由铝合金材料制成,呈“s”状, 有一定的柔性。并且由传动机构控制,与中心棒 联动,对必要时实现快速停堆的要求有困难。为 了解决这个问题,采用在侧铍反射层外侧增设弧 形补偿板或在一个内辐照管内部添加一根镉棒代 替提升超热跑兔管方式延长反应堆的运行时间。 为此,在中国原子能研究院原型微型中子源反应 堆上进行了几种方案的实验。实验结果见表1。 从表l可以看出,采用条状镉板补偿方式, 虽能满足安全方面的要求,但当量过低,难以实 现反应堆长时间连续运行;棒状镉筒作为补偿棒 可以实现反应堆长时间连续运行,但当量过大, 不满足安全方面的要求。为了保证微型中子源反 应堆的固有安全性,后备反应性不能太大,且使 微型中子源反应堆有足够的辐照空间,决定采用 “弧型镉板”方案。 2.3方案设计与实施 在侧铍反射层外侧,设计一个弧长为 200mm、高度为300IIuIl、厚lnllIl的镉板,外包

输到计算机控制系统中,在计算机控制软件中对

提棒高度也进行了限制(230姗)。

伺服电机的限位措施与计算机控制限位措 施是互相独立的。补偿板及其连接传动机构的钢 丝绳无论在静止和运动中,与反应堆的原有部件 不发生任何接触,故不存在任何的磨擦。补偿板 导向槽上设置有锁扣,固定在外辐照管座架上的 导架后,不会脱落。

3试运行及结果
改进后的微型中子源反应堆于2002年7月 23日进行了试运行。反应堆在满功率下持续运行 了16.2h,比改进前的单次连续运行时间延长了 一倍,达到了反应堆改进要求的目标。
3.1

部件反应性的测量 在安装弧形补偿板及其传动机构之后,对堆

芯运行了调整,添加顶镀反射层以满足启动的要 求。测量结果如下: (1)弧形板及其导架部件反应性为一1.6×100 (在原型堆上测定为一1.5×10。3)。

(2)弧形板反应性调节效率为1.2×10~。
(3)添加3.17Imn顶铍反射层,其效率为
1.38×10-’。

(4)外小跑兔管置换到内跑兔管位置上的反

Table l

Test Result of

表l补偿板(棒)实验结果 Compens撕on Cd-plate(md)
安装位置 侧铍环外表面22.5mm

补偿棒结构
条状镉板 棒状镉简 (厚×内径×长)

尺寸,mm

补偿板当量(棒)实验值
周期法,lO一3 逆动态法,10—3
O.90 2.42 2.61 3.05 1.40

4块250×40×25衄条状镉板组成
l×22×80 l×22×100 l×22×120

O.73 2.5 2.68 3.08
●——

内跑兔管 内跑兔管 内跑兔管 内跑兔管

弧型镉板

(弧长×高×厚)

200×300×l

万方数据  

112

核动力工程

、,01.26.No.2.2005

应性为一0.8×10~。 (5)调整前的后备反应性为3.4×10一,调整好 堆芯之后,反应堆冷态(27.50c)后备反应性仍为
3.4×10~。

候最炎热的季节,如果设置一个制冷系统或处在 冬季,池水温度将会很快下降。由于微型中子源 反应堆依靠自然循环向周围散热,负温度系数较 大,限制了微型中子源反应堆长时期运行的能力。 深圳大学微型中子源反应堆与加拿大 Slowpoke.2反应堆具有一定的类比性,主要区别 是初装不同。加拿大Slowpoke.2反应堆完成了一 系列的动态实验,引入的最大反应性是6.8×10~, 瞬发峰达到150kw,缓发峰达到108kw,出口最 高温度达到96.11℃(205下),依靠空洞系数和慢 化剂的温度系数把反应堆功率自动限制在安全水 平之下。理论计算还表明当引入正反应性至10.5 ×10q时,反应堆依靠空洞效应,功率仍限制在 安全水平内;但当引入反应性超过10.5×10。时, 燃料元件将产生永久变形。深圳大学微型中子源 反应堆引入总的反应性为4.6×lO一,而且不是一 次释放(从程序上、制度上也不允许一次释放)。 当温度上升到一定水平、温度效应提高之后,剩

(6)反应堆可利用的后备反应性为4.6×10~, 比苏州核安全中心审评的允许值6.5×10。3小~ 2×10一,没有违反国家核安全局的规定。 3.2试运行结果与分析 从微型中子源反应堆长时间运行记录(表2) 可以看出,在额定中子注量下延长微型中子源反 应堆运行的时问里,反应堆主要运行参数没有超 过原有的限值,即反应堆热中子注量率不超过1.2 ×1012cm-2?s~,堆芯进出口温差不超过23℃。 在连续运行阶段,对微型中子源反应堆周围环境 进行了1监测。监测结果表明,微型中子源反应 堆长时间运行对周边环境没有影响。 从表3可以看出运行16.2h,停堆后6.5天, 池水温度恢复到原来水平。实验时是深圳地区气

表2深圳大学微型中子源反应堆长时间连续运行记录
Table 2 时问
8:50 9:00 9:30 9:48 10:30 12:30
14:00

Condnuous

R蛐n崦Data for Long西me ofMNsR
温度,℃ 堆顶剂量,“Sv.h’1
r^ rfl: r瞳

中子注量率
,cm-2.s’1 2×10lo l×1012 l×1012 1×1012 l×1012 1×1012 1×1012 l×1012 l×1012 1×1012
1×1012

棒位,rm
中心棒 补偿棒
26.7 146.6 147.5 148.5 149.9 149.5 158 168.3 186 200.1 208.3 216.8 218.4 96.7 139 215.4 231.7 231.3 231.4
231.4

26.8 47.5 51.O 52.8 56.3 57.4 58.2 59.2 60.5 61.4 61.4 61.8 62.3

28.3 28.2 27.8 27.7 28.3 29,5 30.4 31.5 33.5 34.4 34.9 35.6 36.O

O 1.46 1.80
1.94

28.7 33.2 35.7 37.8 40.6 40.9 42.1 43.7 44.O 45.2 45.1

2.23 3.4 3.62 3.90 4.10 4_3l 4.67 4.39 4.62

16:30 19:25 2l:15 22:30 23:30 24:oo O:30

231.O 231.O 231.0

9.976x lOll l×lOl2

“.9

关堆

Table 3 日期
2002.7.23 2002.7.24 2002.7.25 2002.7.25 2002.7.26 2002.7.29 2002.7.30

Temperature Challges in Reac00r
r一,℃
26.7

表3停堆后堆内温度变化 af妇Shut
rm,℃ 26.8 62.3 32.3 30.8 30.5 28.9 28.1

Down
r№,℃ 28.3 36.O 33.O 30.8 30.5 29.1 28.4 O 33 42 58 129 153.5

时间 8:50(启堆前) O:30(停堆)
9:30 18:30 lO:30 9:30 10:00

距停堆时间,h

44.9 32.O 30.7 30.3 28.6 28.2

万方数据  

赵海歌等:微型中子源反应堆改进方案研究

113

余反应性再进一步释放,这样反应堆的安全性大

可以使微型中子源反应堆的单次运行时间大大延 长,提高了反应堆的运行性能,打破了微型中子 源反应堆传统的运行模式,为拓宽微型中子源反 应堆的应用创造了条件。
参考文献:

大提高。同时燃料元件的升温速率大大下降,有
效的保护了燃料元件,防止其因伸缩过度而引起 的疲劳。

4结束语
在不改变堆芯物理、机械设计、不降低安全 性的前提下,微型中子源反应堆通过设置补偿板, 把闲置的顶铍反射层托盘空间有效地加以利用,

【1】郭诚湛,赵海歌.拓宽微型中子源反应堆的应用【J】. 核科学与工程,200l,21(1):90—93. [2】郭诚湛.微型反应堆设计运行经验总结【J】.原子能科 学技术,1997,17(2):131—137.

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作者简介:

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of cen廿al con位ol rod and the origillal stmctl】鹏:of nle reactor core.The

of M NSR caJl be i瑚【proved.

Key words:Miniature Neu廿on SourCe Reactor(MNSR),Compensation

plate(rod),RlmJljng劬e

赵海歌(1963一),男,工程师。1994年毕业于清华大学核能设计研究院,获硕士学位。现主要从事反应堆维护及 应用技术研究。 郭诚湛(194l—),男,研究员。1966年毕业于上海交通大学工程物理系。现主要从事反应堆维护及应用技术研究。 孙慧斌(1957—,,男,教授。1990年毕业于吉林大学物理系核物理专业,获博士学位。现主要从事反应堆维护及 应用技术研究。 (责任编辑:张明军)

万方数据  

微型中子源反应堆改进方案研究
作者: 赵海歌, 郭诚湛, 孙慧斌, 高永春, 郑伍钦, 高集金, 王德亮, ZHAO Hai-ge, GUO Cheng-zhan, SUN Hui-bin, GAO Yong-chun, ZHENG Wu-qin, GAO Ji-jin, WANG De-liang 赵海歌,郭诚湛,孙慧斌,ZHAO Hai-ge,GUO Cheng-zhan,SUN Hui-bin(深圳大学核技术应用联 合研究所,广东,深圳,518060), 高永春,郑伍钦,高集金,王德亮,GAO Yong-chun,ZHENG Wuqin,GAO Ji-jin,WANG De-liang(中国原子能科学研究院,北京,102413) 核动力工程 NUCLEAR POWER ENGINEERING 2005,26(2) 2次

作者单位:

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(2条) 1.郭诚湛;赵海歌 拓宽微型中子源反应堆的应用[期刊论文]-核科学与工程 2001(01) 2.郭诚湛 微型反应堆设计运行经验总结 1997(02)

本文读者也读过(10条) 1. 倪志波.黄宏华.黄印博.朱文越.饶瑞中.Ni Zhibo.Huang Honghua.Huang Yinbo.Zhu Wenyue.Rao Ruizhong Dome效应对四孔大气相干长度仪系统性能的影响[期刊论文]-强激光与粒子束2010,22(11) 2. 李博.杨秉新.陈晓丽.王永辉.LI Bo.YANG Bing-xin.CHEN Xiao-li.WANG Yong-hui 衍射效应对空间可展开光学 系统像质的影响[期刊论文]-光学技术2007,33(4) 3. 李泉凤.程诚.严慧勇.杜泰斌.陈怀璧.LI Quan-Feng.CHENG Cheng.YAN Hui-Yong.DU Tai-Bin.CHEN Huai-Bi CT靶物质的辐射特性研究[期刊论文]-高能物理与核物理2006,30(10) 4. 翁宁泉.吴毅.汪建业.肖黎明.刘晓春.侯再红.汪超.吴晓庆.孙刚.龚知本 利用湍流廓线获得斜程大气相干长度 的实验研究[期刊论文]-强激光与粒子束2004,16(3) 5. 刘耀华.洪飞.金平 微堆中子活化分析测定碳酸盐岩中痕量元素[期刊论文]-岩矿测试2003,22(1) 6. 徐斌.邱怡申.徐惠真.XU Bin.QIU Yi-shen.XU Hui-zhen 光杠杆实现外腔半导体激光器波长调谐的理论研究[期 刊论文]-光通信技术2006,30(12) 7. 李盛凤.苏丽娟.LI Sheng-feng.SU Li-juan 一种新型偶氮化合物的纳秒光限幅特性研究[期刊论文]-光学技术 2007,33(1) 8. 李霞.侯洵.姚保利.杨文正.易文辉 对PPV衍生物非线性折射率的测量[期刊论文]-激光技术2004,28(4) 9. 田明丽.薛喜昌.TIAN Ming-li.XUE Xi-chang 三区位相型三维超分辨光瞳滤波器的优化设计[期刊论文]-光学技 术2009,35(4) 10. 冯巍巍.魏庆农.汪世美.刘世胜.伍德侠.刘增东.王东方.FENG Wei-wei.WEI Qing-nong.WANG Shi-mei.LIU Shi-sheng.WU De-xia.LIU Zeng-dong.WANG Dong-fang 涂层目标1.06μm偏振双向反射分布函数测量方法研究[期 刊论文]-光学技术2009,35(2)

引证文献(2条) 1.赵海歌.孙慧斌.郭诚湛 深圳大学微型中子源核反应堆安全性能分析[期刊论文]-深圳大学学报(理工版) 2006(2) 2.赵海歌.孙慧斌.郭诚湛 深圳大学微型中子源核反应堆安全性能分析[期刊论文]-深圳大学学报(理工版) 2006(2)

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