CITP-Ⅱ輻照裝置的安全性及可行性研究

張之華，米向秒，李潤東

（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900）

實現氚燃料的自持與循環，是聚變能源商用的基礎。研制一套在線產氚輻照裝置，利用熱中子研究堆的輻照場，開展增殖劑材料的輻照性能研究，是現有條件下進行增殖劑輻照產氚、釋氚實驗研究的有效途經。20 世紀90 年代，在國家“863計劃”的牽引下，中國工程物理研究院在300＃反應堆上建成了我國第一條增殖劑產氚演示回路（CITP-Ⅰ）。在完成預定的γ-LiAlO2的產氚及釋氚輻照試驗后，由于該回路無法實現增殖劑材料的更換，從300＃反應堆上拆除［1］。現階段，順應ITER 項目的進展和聚變能源研究的需要，建造一套新的、先進的增殖劑在線產氚輻照試驗回路（CITP-Ⅱ），成為迫切需要。

增殖劑產氚輻照裝置是CITP-Ⅱ在線產氚輻照試驗回路的關鍵裝置，安裝在堆芯活性區，處在高強度和復雜的n-γ混合場中，為增殖劑材料的產氚性能研究提供輻照空間。要實現增殖劑材料的在線換料和安全輻照，產氚輻照試驗裝置必須具備可靠的核性能和機械性能，還必須具備先進的測試手段和良好的熱工性能。其安全性、可行性、經濟性是設計成敗的關鍵。

1 增殖劑產氚輻照裝置的結構

CITP-Ⅱ在線產氚輻照回路的堆內設備由增殖劑產氚輻照裝置、輻照靶換料系統、堆內支撐及固定系統等部分組成，增殖劑產氚輻照裝置是其核心設備。增殖劑產氚輻照裝置必須具備的主要功能和特性如下：能為增殖劑的堆內輻照提供安全合適的輻照環境；能實現增殖劑的更換料操作，可適用不同的固體增殖劑材料；在任何工況下，產氚輻照裝置無論是在用或備用狀態，都不能危及反應堆的安全。增殖劑產氚輻照裝置由外輻照筒、內輻照筒、鎧裝熱電偶、非均勻電加熱器、氣體進出口管等組成［2］，其結構示于圖1。

圖1 產氚輻照裝置結構Fig.1 Structural drawing of tritium production irradiation device

2 增殖劑產氚輻照裝置的安全性能

按照核安全法規要求，裝入反應堆的樣品及裝置在任何情況下都不能對反應堆的安全造成影響，同時也要保證自身的安全可靠。以ITER備選增殖劑材料Li4SiO4為裝載對象，以產氚輻照裝置滿裝載增殖劑（1 132g）為初始條件，對裝置入堆后的相關物理參數進行計算及分析。

2.1 不同輻照位置的反應性

產氚輻照裝置裝入反應堆后，由于裝置結構材料及增殖劑材料的影響，會引起反應堆反應性的變化。將滿載增殖劑的輻照裝置裝入反應堆B1、H4、G8 等不同的輻照位置后，引起的反應性的變化情況列于表1。由表1可知，由于6Li具有較大的熱中子吸收截面，裝置入堆后引入負反應性，總體上是偏安全的；Δρ變化不大，在堆的調控范圍內，不會引起安全事件。

表1 裝入不同位置的反應性變化Table 1 Reactivity changes for device in different irradiation positions

2.2 不同輻照位置的中子注量率

產氚輻照裝置裝入反應堆后，會引起所處輻照位置中子注量率及中子能譜的變化。由于堆內不同位置的中子注量率存在差異，產氚輻照裝置裝入反應堆后，對不同輻照位置的中子注量率的影響也不同，不同輻照位置的中子注量率列于表2。

表2 不同輻照位置的中子注量率Table 2 Neutron fluxes in different irradiation positions

由于受輻照裝置材料及增殖劑材料的影響，裝入位置的中子注量率會顯著降低。同時裝入位置的中子能譜也會發生變化，熱中子比率變大，高能中子比率變小。

2.3 增殖劑內的平衡溫度計算

在線產氚輻照裝置在堆內的發熱主要有兩部分，一是輻照裝置的結構材料接收n-γ混合場沉積能量而發熱，二是增殖劑中的6Li受到中子的輻照，發生核反應作用，產生氚并釋放熱量。由于堆內不同輻照位置的中子注量率存在差異，裝置在不同位置的熱中子屏蔽因子也不相同，造成不同位置的發熱率及發熱量也不相同。以B1位置為例，對該位置對應的增殖劑平衡溫度進行了計算。

計算選用Fluent軟件，設定調溫氣體密度為理想氣體模型，黏度、導熱系數等參數利用分子動力學原理計算，通過UDF 接口設定結構材料、增殖劑以及電加熱器的軸向不均勻發熱率，采用標準k-ε 湍流模型進行計算。

正常工況下，輻照位置增殖劑表面的平均熱 中 子 注 量 率 為1.42×1013cm-2·s-1，Li4SiO4的裝載量為1 132g，計算得：內外輻照筒的發熱量為710 W，增殖劑材料的發熱量為7 320 W。采用不同導熱系數的調溫氣體，可在增殖劑內形成不同的平衡溫度，并存在一定的溫度梯度。以He為調溫間隙氣體，裝置外冷卻水的流速為6.2m／s；熱平衡后，增殖劑內在縱向上的溫度梯度較大，最高溫度609℃，最低溫度333 ℃，溫度分布變化規律和輻照裝置內中子注量率的變化規律基本一致；在橫向上溫度差別不大，從增殖劑區內部向外逐漸降低，不均勻因子在5%以內。

為改善增殖劑溫度縱向上的不均勻性，減小溫度梯度，設計了非線性電加熱器，對增殖劑的核發熱進行補償。以He氣體調溫，不同工況對應的增殖劑平衡溫度參數列于表3。表3中：P 為不同工況增殖劑核功率與電加熱器補償功率之和；T1為增殖劑內平均溫度；Tmin為增殖劑內最小溫度；Tmax為增殖劑內最高溫度。

表3 不同工況對應的平衡溫度Table 3 Equilibrium temperatures with different working conditions

由表3可知，不論是預期正常運行的15kW工況，還是假想的極端事故工況28kW，增殖劑內的最高溫度均小于其融化溫度1 225 ℃，具有一定的安全域度，增殖劑不會發生熔化［3］。

2.4 輻照裝置的強度校核

結構強度是輻照裝置設計及安全分析時需要考慮的重要問題。根據裝置的結構特點、材料情況、工況載荷，選擇對內外輻照筒的強度進行校核計算。根據第三強度理論，對部件采用應力強度進行評價。在均布壓力的作用下，內外輻照筒的最大應力為42MPa，遠小于結構材料的許用應力；在對應載荷的作用下，內外筒體的變形較小，內輻照筒的變形量略大于外輻照筒，內輻照筒最大變形量為1.27×10-4mm（圖2）。由計算結果知，輻照裝置具有足夠的強度和剛度。

圖2 內輻照筒的最大變形量Fig.2 Max deformation for inner irradiation cylinder

3 增殖劑產氚輻照裝置的可行性分析

3.1 間隙氣體調溫的可行性

產氚輻照裝置內的增殖劑受到中子的輻照，產生氚并放出熱量。產生的熱量一部分使增殖劑的溫度升高，另一部分通過熱傳導被外輻照筒外的冷卻水帶走。CITP-Ⅱ產氚輻照裝置的內外輻照筒之間是間隙調溫空間，間隙3mm，通過充入不同導熱系數的間隙調溫氣體來改變調節輻照裝置內增殖劑的平衡溫度。

通過改變間隙氣體進行增殖劑平衡溫度的控制，在300＃反應堆增殖劑產氚演示回路（CITP-Ⅰ）上有成功的實踐。采用1 100 W 電加熱器為熱源，增殖劑γ-LiAlO2的裝料121g，間隙空間2 mm，采用不同的間隙氣體為調溫氣體，增殖劑內的平衡溫度為：He，310 ℃；Ne，446 ℃；Ar，582 ℃。此外，還進行了不同電加熱器功率、不同配比調溫氣體對平衡溫度的影響。由實驗數據知，利用惰性氣體調溫是可行的；同一發熱功率下，間隙調溫氣體造成的溫差，以Ar最高，Ne次之，He最低。

CITP-Ⅱ產氚輻照裝置，增殖劑Li4SiO4滿裝載1 132g，發熱功率7 320W，輻照裝置外的冷卻水的流速6.0 m／s，輻照位置的平均熱中子注量率為1.42×1013cm-2·s-1，間隙氣體的厚度3mm，以He等氣體作為調溫氣體，對應的溫度參數計算結果列于表4。由表4 可知：隨選用調溫氣體導熱系數的降低，增殖劑內的平均溫度、最低溫度、最高溫度均逐漸升高；由于從輻照裝置內通過調溫氣體傳入冷卻水中的熱量減少，在線產氚輻照裝置的外壁水溫逐漸降低。

表4 不同調溫氣體對應的溫度參數Table 4 Temperatures with different thermoregulation gasses

3.2 增殖劑氣動換料的可行性

CITP-Ⅱ產氚輻照裝置的增殖劑更換料方案設計上采用氦氣作為載帶及吹送氣體，采用氣力對增殖劑小球進行壓力輸送，將增殖劑帶出輻照裝置；其氣力輸送的可行性決定了產氚輻照裝置的經濟性及多用途性。近幾十年來，氣力輸送發展迅速，在世界各國均得到廣泛應用，大量應用在對碎石、砂、城市廢棄物、農產品的集裝容器管道輸送上。在我國氣力輸送也涉足國民經濟的大量行業，在反應堆上也有多個成功應用的例子，如高溫氣冷堆的燃料裝卸及輸運系統、吸收球停堆系統、試驗堆的活化跑兔試驗系統等。CITP-Ⅱ產氚輻照裝置采用氣力輸送進行增殖劑小球的在線更換料，具有一定的實踐基礎。

增殖劑產氚輻照裝置的內部結構會影響氣體通過時的壓力、流速等參數的變化；對輻照裝置進行了氣動換料結構設計。對增殖劑小球，如果其上下表面存在壓差，則會產生朝向為壓力較小方向的驅動力。在合適的結構條件下，可在輻照裝置內使得載帶氣體產生的驅動力遠大于增殖劑小球的重力，此時增殖劑小球會在該力的作用下，隨載帶氣體流出輻照裝置，實現增殖劑的氣動更換料。

本研究利用流體力學Fluent軟件對增殖劑產氚輻照裝置的流場進行模擬計算和分析，研究了不同的裝置內部結構、不同的載帶氣體進出口壓差等條件下的輻照裝置內的流場特性。考慮到輻照裝置內部的復雜性，為更好反映裝置內部的載氣流場情況，建模時采用對稱3D 模型，通過多次迭代計算進行計算網格的精確劃分、修正和優化。計算時采用能量方程求解，求解器設置為穩態工況，工作氣體設置為氦氣理想氣體，邊界條件為壓力入口和壓力出口。

不同的載帶氣體進出口壓差影響載帶氣體在產氚輻照裝置內產生的載帶力。載帶氣體進行壓力輸送時，載帶氣流進出口的壓力差會在增殖劑小球的上下半球面形成吹浮力，吹浮力是上下部壓差在整個增殖劑小球上的積分效應。增殖劑小球的下部氣壓高于上部氣壓，吹送載帶氣體對增殖劑小球會產生向上的吹浮力。不同的載帶氣體進出口壓差在增殖劑小球上產生的吹浮力列于表5。

表5 載帶氣體進出口壓差對應的吹浮力Table 5 Buoyancy with carrier-gas pressure difference between inlet and outlet

吹浮力的大小與載帶氣流的進出口壓差有關，隨壓差的增大而增大，基本呈線性關系。當吹送氣流的進出口壓差大于1.01×104Pa時，載帶氣體在增殖劑小球上產生的吹浮力大于小球的重力（7.18×10-6N），可實現增殖劑小球的向上輸送。當選取的吹送氣體進出口壓差大于5.06×104Pa時，在增殖劑小球上產生的吹浮力會比小球的重力大10倍，能較流暢地實現Li4SiO4增殖劑小球的換料氣力輸送［4］。

4 增殖劑產氚輻照裝置的經濟性評估

CITP-Ⅱ在線產氚輻照裝置可實現增殖劑的更換料，減少了增殖劑填裝和輻照裝置在堆內安裝的工程量，提高了輻照裝置的利用率。在輻照裝置設計時，考慮了裝置在堆內位置的互換，具有一定的互換性。裝置的增殖劑裝載量大，即可進行增殖劑的產氚性能研究，又可進行少量氚的生產。可對增殖劑進行取樣分析，研究不同的中子積分通量和不同燃耗時增殖劑的輻照性質。實現了間氣成分可調、載氣成分可調、電加熱器功率可調，可進行各種因素對增殖劑產氚率的影響、氚的載帶及氚的釋放等試驗研究。能重復輻照環境，減弱影響因素，再試驗時，增加了數據的可靠性和實驗結果分析的準確性。可對不同的增殖劑材料進行研究，具有一定的適應性和多用性。

5 結語

CITP-Ⅱ在線產氚輻照裝置具有足夠的強度和剛度。運行工況下，結構及外部載荷在裝置上產生的應力遠小于材料的許用應力，最大變形量很小，裝置結構穩定、安全可靠。裝置裝入堆后，引入的反應性不大，在反應堆的調控范圍內，不會對堆的安全產生影響。裝置的自屏因子較大，裝入反應堆后會引起所處輻照位置中子能譜和中子注量率的顯著變化。利用裝置外冷卻劑強迫冷卻和間隙氣體調溫，可實現對裝置內增殖劑平衡溫度的調控，不論是運行工況還是超設計基準事故狀態，均不會發生增殖劑小球熔化的事故，具有較大的安全系數。采用氣力輸送可實現不同增殖劑的在線更換料。

CITP-Ⅱ在線產氚輻照裝置可實現增殖劑的更換及氚的在線監測和分析研究；可進行不同增殖劑材料的輻照性能、活化性能、氚的擴散系數、釋放因子等單項和綜合因素研究；可開展增殖劑溫度、載氣成分、流量對產氚釋氚的影響研究；具有安全性、可行性和經濟性的特色。

［1］ 姜亦祥，沈文德，代君龍.在線產氚輻照裝置的研制［J］.核動力工程，1996，17（5）：464-470.JIANG Yixiang，SHEN Wende，DAI Junlong.Development of the irradiation assembly used inpile tritium production［J］.Nuclear Power Engineering，1996，17（5）：464-470（in Chinese）.

［2］ 張之華，米向秒，李潤東，等.CITP-Ⅱ在線產氚輻照回路設計［J］.科技導報，2012，30（33）：31-34.ZHANG Zhihua，MI Xiangmiao，LI Rundong，et al.Design of the online tritium production irradiation loop CITP-Ⅱ［J］.Science and Technology Review，2012，30（33）：31-34（in Chinese）.

［3］ 張之華，米向秒，段世林，等.CITP-Ⅱ產氚輻照裝置的熱工研究［J］.核動力工程，2013，34（3）：140-143.ZHANG Zhihua，MI Xiangmiao，DUAN Shilin，et al.Thermal research of CITP-Ⅱtritium production irradiation device［J］.Nuclear Power Engineering，2013，34（3）：140-143（in Chinese）.

［4］ 張之華，鄧勇軍，米向秒，等.CITP-Ⅱ產氚輻照裝置的設計研究［J］.原子能科學技術，2012，46（增刊）：867-872.ZHANG Zhihua，DENG Yongjun，MI Xiangmiao，et al.Research of CITP-Ⅱtritium production irradiation device design［J］.Atomic Energy Science and Technology，2012，46（Suppl.）：867-872（in Chinese）.