徐西安，张培升，黄 晨，张汝娴（中国原子能科学研究院，北京 102413）

中国实验快堆结构材料辐照装置设计

徐西安，张培升，黄 晨，张汝娴
（中国原子能科学研究院，北京 102413）

摘要：为在中国实验快堆（CEFR）上开展国产快堆包壳材料的辐照试验，进行了CEFR首个结构材料辐照装置的设计。材料辐照装置的创新设计基于CEFR的辐照条件和堆芯组件的基本结构，通过在辐照装置内部设置不同气隙尺寸的辐照罐，实现了在快堆不同功率稳态运行条件下（40%和100%额定功率）对材料样品不同辐照温度（450～600℃）的要求。辐照装置具有样品辐照温度与中子注量率的非在线监测功能，其结构具有通用性，能满足材料辐照标准试样最大装载的需要。通过对辐照装置进行热工分析和堆外的传热验证试验、流阻特性和结构稳定性验证试验，保证了辐照装置的设计能满足材料辐照任务的要求。

关键词：中国实验快堆；结构材料辐照；辐照装置

快中子实验堆的主要任务是应用核裂变产生的快中子进行核燃料辐照试验、核材料辐照考验，以及快堆组件设计、安全验证试验等。为了完成试验任务，各国快中子实验堆均建立了独特辐照装置，并以此为基础，进行了大量反应堆材料和燃料的辐照试验研究［1－3］。

我国建成的第1座快中子实验堆是中国实验快堆（CEFR），其最大中子注量率为3．7× 1015cm－2·s－1。正常运行的CEFR可作为一先进的中子辐照平台，开展多种堆芯材料和燃料的辐照试验，为反应堆材料和燃料研发提供有力的技术支持。建立快堆辐照技术的中心问题是为适应各种辐照任务的要求而进行的辐照装置的设计、研制。辐照装置的型式多种多样，对于CEFR，主要依靠研发可直接放入堆芯的随堆辐照装置来开展结构材料与燃料的辐照试验。

1　CEFR结构材料辐照装置结构设计

1．1 辐照装置设计要求

在CEFR中选择适当的辐照位置，可较快地积累材料的辐照剂量。限于CEFR的条件，辐照装置的结构只能按照取代1组或几组堆芯燃料组件或堆芯相关组件（不锈钢反射层组件、中子源组件）的方式进行设计。试验参数的测量也只能采用非在线监测技术，即预先在辐照装置中放置各种探测片，待辐照后进行检查获取各种试验参数。例如，在辐照装置中放置具有不同熔点的合金探测片（如Mg－Ni、Al－Si等），辐照后进行检查，根据探测片的熔化情况来判定稳态辐照的温度范围；在辐照装置中放置中子探测片，根据中子探测片的辐照后剂量，确定辐照装置中的快中子注量率。

综合CEFR堆芯结构特点与材料辐照试验任务，设计一具有一定通用性的结构材料辐照装置需满足以下几点基本要求。1）辐照装置应与CEFR堆芯其他组件具有相似的结构。2）流经辐照装置内部的钠流量和流经管脚外部的钠流量应满足全堆芯流量分配的限制。3）辐照装置的结构应保证在将辐照装置从钠中取出和对辐照装置进行清洗时，钠和洗涤液能从辐照装置内全部排出。4）辐照材料种类与数量要求：辐照装置内部空间可放置的试验样品应包括拉伸、双轴蠕变及微观分析样品，样品数量应满足标准试验要求的最低样品数。5）辐照温度要求：辐照装置设计应保证试验样品达到所需的辐照温度范围。6）试验参数监测要求：辐照装置内对试验样品的温度和中子注量率具有非在线监测的功能。

1．2 辐照装置设计参数

考虑上述要求，为开展国产快堆包壳材料316（Ti）不锈钢的辐照试验，进行了CEFR首个结构材料辐照装置的设计。CEFR结构材料辐照装置设计参数列于表1。

1．3 辐照装置设计方案

为能快速积累材料样品中子损伤剂量，材料辐照装置按放置在CEFR堆芯中心替代原位置的中子源组件进行设计。考虑和堆芯条件相匹配的要求，采取在CEFR不锈钢反射层组件（Ⅰ型管脚）的结构基础上进行辐照装置的设计。

表1　 CEFR结构材料辐照装置设计参数Table 1 Design parameter of structural material irradiation rig in CEFR

CEFR不锈钢反射层组件主要由操作头、上屏蔽棒、反射体、六角管、下屏蔽棒和管脚组成［4］。材料辐照装置的设计方案是：在不锈钢反射层组件中轴向活性区部位竖直布置3层材料辐照罐，取代原位置的反射体。将待辐照试验样品放置在各层辐照罐中，根据试验要求设计每层辐照罐内形成不同的温度场。将3层辐照罐叠放固定，再与上、下不锈钢屏蔽棒、六角管、管脚等部件组装在一起，构成与不锈钢反射层组件外形一致的材料辐照装置。材料辐照装置的结构如图1所示。

图1　 材料辐照装置结构示意图Fig．1 Schematic diagram of material irradiation rig structure

1．4 辐照罐结构设计

辐照罐的结构（图2）设计是整个辐照装置设计的重点。每层辐照罐均采用内外双层套筒结构，内外套筒的材料均为不锈钢。

图2　 辐照罐结构示意图Fig．2 Schematic diagram of irradiation capsule

内套筒用于放置材料试验样品（包括拉伸、双轴蠕变及微观分析样品），并在内部充入液态钠浸没样品，利用液态钠良好的热导性，使同一内套筒中的试验样品具有基本相同的辐照温度。充入的钠量由样品和内套筒的几何尺寸决定，保证在辐照温度下样品完全浸在液钠中。在内套筒顶部留有一定的空腔，充有惰性气体氦气。内套筒顶部设计的密封头结构，便于在手套箱中向罐内充钠和密封。内套筒中心布置有1根圆管（中心管），用于放置微观样品，同时也作为样品整体取放结构的支撑件。中心管上布满孔眼，便于液体的浸入和倒出。

外套筒用于容纳内套筒，并和内套筒之间形成气隙，在气隙中充有氦气。每层辐照罐的外套筒内外径尺寸相同，而内套筒内外径尺寸不同，目的是在两者间形成不同宽度的气隙。通过设计不同气隙尺寸来控制样品辐照温度。

1．5 试验样品布置和试验参数监测

充分利用辐照装置内部空间，尽可能多的放置样品，是辐照装置设计的原则之一。通过对辐照罐结构设计和优化试验样品布置，可使每个辐照罐内部一次可放入26个外径为φ6mm、长度为100mm的管状拉伸或双轴蠕变样品，以及一定数量的微观样品，样品数量足以满足标准试验的要求。此外，在辐照罐中对材料样品设计有支撑和限位结构，便于样品的整体取放操作，并保证样品之间留有一定的膨胀间隙。辐照罐截面如图3所示。

图3　 辐照罐截面示意图Fig．3 Schematic diagram of irradiation capsule section

为实现对试验样品的温度和中子注量率的非在线监测，在每层辐照罐内布置3个温度监测共晶合金，它们和微观样品一起放在内套筒的中心管内；在六角管与辐照罐之间的6个角均布有3根中子注量率探测柱（图3），每根探测柱内轴向布置3个中子探测器，位置分别对应3层辐照罐的中心。

温度监测采用3种不同熔点的共晶合金，根据辐照后共晶合金状态，判断辐照样品所处的温度范围，并结合温度场计算程序，确定辐照样品温度。3种共晶合金及其熔点标定的误差范围分别为：Mg－Ni，（508±9）℃；Al－Si，（580± 9）℃；Mg－Si，（639±9）℃。中子注量率监测利用中子探测片在反应堆中辐照，先得到探测片活度，再利用高纯锗谱仪测量得到该探测片的反应率，利用几组不同阈值的探测片反应率和理论能谱进行解谱，得到最终注量谱，与辐照时间相乘即为中子注量率。在确定注量谱过程中，涉及到的误差有探测片活度误差（其中包括谱仪效率误差、统计误差等）、理论能谱误差和解谱方法误差，经分析及试验，相对偏差小于1%。

2　辐照装置热工分析

辐照罐内部热量主要来自于辐照材料的伽马热，发热功率取决于反应堆运行功率和样品材料量。根据反应堆运行功率和所需的试验样品材料量，通过热工分析，设计合理的内外层套筒间隙尺寸，以确保每层辐照罐内部温度达到所需的样品辐照温度。

2．1 热工计算条件

编制了CMIRTC计算程序用于对辐照装置进行稳态热工分析。热工计算按每层辐照罐内放置26个不锈钢管状样品（外径φ6mm、壁厚0．4mm、长度100mm）和6个不锈钢圆柱（直径φ4．5mm、长度60mm）。当CEFR分别在40% 和100%额定功率下运行时，设定3层辐照罐样品辐照温度分别为450、500、600℃，计算得出各工况所需的辐照罐内外套筒的气隙尺寸。

计算输入：CEFR按40%额定功率运行时，冷却剂质量流量为0．125kg／s，辐照装置内最大不锈钢释热率为11．70 W／cm3；CEFR按100%额定功率运行时，冷却剂质量流量为0．25kg／s，辐照装置内最大不锈钢释热率为29．24W／cm3；3个辐照罐轴向平均功率因子分别取0．91（应用于600℃辐照罐，放置在活性区中间）和0．7（应用于450℃辐照罐，放置在活性区下部；应用于500℃辐照罐，放置在活性区上部）；辐照装置入口钠温为360℃。

计算中主要采用的计算公式如下。

无内热源环形介质温度场［5］：

有内热源环形介质的温度场［6］：式中为环形介质的外径，m为环形介质的内径，m为环形介质的内表面温度，℃为环形介质的外表面温度，℃为环形介质的线功率，W／m；k为环形介质的热导率，W／（m·K）。

2．2 热工计算结果

CEFR分别在40%和100%额定功率下运行时，辐照罐热工计算结果列于表2、3。

表2　 CEFR 40%额定功率下辐照罐热工计算结果Table 2 Thermal calculation resultof irradiation capsule in CEFR 40%rated power

表3　 CEFR 100%额定功率下辐照罐热工计算结果Table 3 Thermal calculation resultof irradiation capsule in CEFR 100%rated power

3　设计验证与分析

3．1 气隙传热验证

在CEFR结构材料辐照装置设计中，主要通过辐照材料的伽马热和材料辐照罐的气隙温升来实现样品的辐照温度，实际气隙传热效果对辐照罐的热工设计影响很大。为了确定热工计算的误差，进行了堆外的气隙传热验证试验。试验通过建立1套用电加热元件作为热源的模拟气隙传热的试验装置，来测量不同氦气气隙尺寸的温升试验数据，并与计算数据比对，以确定两者的相对偏差。通过对多组试验数据进行分析，结果如下：气隙尺寸为1．5mm时，计算值与试验值平均相对偏差为2．3%；气隙尺寸为1．0mm时，两者平均相对偏差为2．1%；气隙尺寸为0．5mm时，两者平均相对偏差为4．0%。

3．2 流阻特性和结构稳定性验证

为确定辐照装置的结构能否满足热工流体的要求，即在给定的流体压降下，流经辐照装置的流量是否达到设计要求，以及确定辐照装置在一定流量的冷却剂长时间的冲刷下结构的稳定性，进行了流阻特性和结构稳定性验证试验。上述两个验证试验是在水力学台架上进行的。为此，加工了与堆内支撑结构相同的试验段以及与实际辐照装置外形结构完全相同的模拟辐照装置，根据相似理论，设计了试验方案。对于流阻特性试验，在控制压降不变的条件下，通过调节辐照装置管脚内部节流件的几何尺寸，使流经辐照装置的冷却剂流量满足要求，从而确定了辐照装置的最终结构；对于结构稳定性，以120%额定流量对辐照装置模拟件连续冲刷了30d，冲刷后将辐照装置模拟件解体，对表面及内部进行检查，未发现结构的松动。

3．3 对堆芯流量分配和中子注量的影响分析

辐照装置将放置在堆芯中间中子源组件的位置，额定流量与替换的中子源组件相同，将不会对堆芯流量分配造成影响，另外中子源组件中除了体积非常有限的中子源，其余主要为不锈钢，与结构材料辐照装置材料成分相近，且是处于堆芯中心，对整个堆芯中子注量分布的影响也可忽略。

4　结论

1）CEFR结构材料辐照装置基于CEFR的辐照条件和堆芯组件的基本结构，通过设计创新，实现了在快堆稳态运行条件下对材料样品不同辐照温度的要求，并具有温度与中子注量率的非在线监测功能，同时样品装载量满足标准试验要求。

2）热工分析表明：材料辐照装置处于CEFR堆芯中心位置时，在反应堆功率分别按40%和100%额定功率稳态运行条件下，通过设计合适的辐照罐内外套筒气隙尺寸和调整试验样品数量，控制样品辐照温度在450～600℃之间的目标是可以实现的。

3）通过开展气隙传热试验、流阻特性和结构稳定性验证试验，为确定辐照装置的关键结构尺寸提供了依据，确保了辐照装置的设计能满足任务要求。

4）本次设计的CEFR结构材料辐照装置具有一定的通用性，可作为在CEFR上开展反应堆结构材料辐照试验用的一种标准辐照装置。

参考文献：

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Design of Structural Material Irradiation Rig in China Experimental Fast Reactor

XU Xi－an，ZHANG Pei－sheng，HUANG Chen，ZHANG Ru－xian
（China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China）

Abstract：The first structural material irradiation rig used in China Experimental Fast Reactor（CEFR）was designed in order to carry out irradiation test for domestically produced fast reactor cladding material．The innovated design of irradiation rig was based on both the CEFR irradiation conditions and the basic configuration of CEFR fuel assembly．The irradiation rig which had special sizes of inner gas gaps could irradiate material samples at different irradiation temperatures（450－600℃）during different powers（40% and 100%rated powers）of CEFR steady state operation．There are indicating samples inside the irradiation capsule for monitoring temperature range and neutron fluence rate．The irradiation rig has a general configuration which can realize the maximum loading for the standard irradiation samples and be used as a standard irradiation device for reactor structural material irradiation in CEFR．The design of irradiation rig can satisfy the requirement of material irradiation by means of thermal－hydraulic analysis and relevant out－of－pile heat transfer，flow resistance and structure stability verification tests．

Key words：China Experimental Fast Reactor；structural material irradiation；irradiation rig

作者简介：徐西安（1984—），男，江苏东海人，高级工程师，反应堆工程专业

收稿日期：2014－03－31；修回日期：2014－06－10

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1440

文章编号：1000－6931（2015）08－1440－05

文献标志码：A

中图分类号：TL352．1