HFETR6LiD轉換器熱工安全分析研究

羅欣 曹寅 梁光遠 徐濤忠 鄧才玉

【摘 要】6LiD轉換器在堆內輻照時，樣品與轉換器包殼會產生熱量，因此對轉換器的熱工安全進行了分析研究，結果表明：將轉換器布置在HFETR輻照孔道，轉換靶芯體最高溫度為83.55oC，包殼溫度在80oC左右，樣品中心溫度在59oC左右，都在安全限值以下，低于其熔化溫度，滿足熱工安全要求。安全性能分析表明，轉換器可以在HFETR內安全運行。

【關鍵詞】6LiD轉換器；樣品；14MeV中子

中圖分類號： TH867.91 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0029-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.013

【Abstract】When the 6LiD converter was put into the core of the reactor，the sample and the convert would generate energy，so the thermal security of the converter should be analysed.The results showed：when the converter was put into the core of the reactor，the highest temperature of converters core part was 83.55oC，and the highest temperature of cladding was about 80oC，and the highest temperature of the sample was about 59oC.All the above temperature was under the melt temperature.The security analysis showed the converter could run safely in the HFETR.

【Key words】6LiD converter；Sample；14Mev neutron

0 引言

隨著核能的發展，基于聚變堆材料輻照考驗和長壽命核素嬗變的需求，人們越來越希望能獲取到較高通量的14MeV中子。但是遺憾的是，具有較高通量14MeV中子的聚變驅動次臨界堆預計2035年以后才可能投入商用；如果希望它們兼顧具有輻照考驗聚變堆材料和嬗變處理核廢物的能力，則需要等待的時間更長[1-2]。因此，人們很希望通過在裂變堆內布置LiD中子轉換器來開發出一種既含聚變譜中子又含裂變譜中子的混合譜中子場，從而得到較高通量的14MeV中子。

中子轉換器的轉換材料中含有6Li，6Li的熱中子吸收截面達940×10-24cm2，轉換器放入堆芯后必將吸收大量熱中子，產熱量，所以轉換器放入HFETR后必須對其進行熱工安全分析，以便分析轉換器是否能保證熱工安全，確定轉換器是否可以在HFETR內運行。

1 輻照孔道選取

1.1 輻照孔道選取與轉換器結構

根據HFETR堆芯結構的特點，擬布置于HFETR中的轉換器設計為圓套筒型結構，見圖1。轉換器將布置在HFETR的輻照孔道內，輻照孔道的大小及位置將直接決定轉換器的結構及大小，HFETR堆芯設計可以布置5個Φ150mm的大輻照孔道和2個Φ63mm的小輻照孔道，在反射層內可布置4個大輻照孔道（2個Φ230mm，2個Φ122mm）。由于輻照孔道熱中子注量率越高，轉換器中子源強就越大，相應地樣品的輻照時間就越短，所以放置轉換器的輻照孔道的熱中子注量率高一些比較合理。K11孔道位于HFETR堆芯中心位置，通常裝載下熱中子注量率最高，所以選擇K11孔道作為放置轉換靶的輻照孔道，以期轉換器的中子源強最大。

2 轉換器熱源計算

中子轉換器在運行期間，6LiD芯體由于核反應和n、γ能量沉積而發熱。芯體是轉換器中發熱最大的部件，如果這部分熱量不能及時排出，就可能造成芯體融化，或芯體包殼溫度超過堆的運行限值的事件。由于轉換器置于HFETR中心K11位置，為了保證轉換器和HFETR的安全，轉換器熱工水力設計準則為：轉換器芯體溫度低于其熔化溫度668℃，轉換器芯體包殼溫度低于HFETR一次水飽和溫度195℃。

HFETR運行時轉換器轉換靶熱源主要由兩部分組成：一部分是6LiD芯體內n-6Li、D-T、T-6Li核反應產生的裂變核慢化時產生的熱，另一部分是n、γ能量沉積在6LiD芯體及其內外包殼而發熱。

綜合考慮為了盡可能大的中子源強與盡可能大的輻照空間，同時為了保證輻照裝置的安全，采用目前更加成熟的結構，見下圖2，其中輻照管內為水，輻照管內徑21.5mm，外層冷卻劑間隙厚度比內層厚0.5mm，減小6LiD靶內徑R1，增加6LiD靶外徑R2，R1、R2的改變量相等，使6LiD芯體厚度從0.3mm增加到1.0mm（該結構輻照管內徑較大，內外層冷卻劑間隙厚度較薄，適合輻照對中子能量要求高、體積大的樣品。

2.1 轉換靶核反應熱

2.2 轉換靶n、γ釋熱

轉換靶n、γ釋熱包括6LiD芯體及其內外包殼n、γ釋熱，轉換靶n、γ釋熱率計算采用MCNP程序，MCNP程序的輸入文件由MCNPIP程序根據HFETR堆芯裝載布置、燃料元件功率分布、燃耗深度及控制棒高度等參數，自動生成，解決了HFETR復雜的堆芯描述，提高了HFETR蒙特卡羅計算效率及準確性。

3 轉換靶熱工安全分析

3.1 轉換靶入口流速計算

本文中，Hfetr·f程序用于轉換器內、外流道冷卻劑流速的計算分析。該程序采用了HFETR穩態熱工水力數學模型，堆芯流量分配模型，燃料元件傳熱模型。在上述模型的基礎上，采用數值迭代的方法對穩態方程進行數值求。該程序采用結構模塊化，使用靈活，移植方便，適用于微機上運行。Hfetr·f程序在HFETR穩態熱工水力計算中用于堆芯流量分配的計算，根據多爐的運行結果可以驗證該程序計算結果是可信的。

轉換靶內外流道冷卻水流量計算采用Hfetr.f程序，堆芯裝載按80盒堆芯布置，計算設定：

（1）一回路四臺主泵運行，一次水入堆流量4800t/h；

（2）一次水入口溫度tin為50℃；

經過HFETR.f程序計算得到轉換靶內、外流道流速為6.8m/s，該參數將作為ANSYS/CFX程序分析轉換靶溫場分布的輸入參數。

3.2 轉換靶溫場分布

轉換靶溫場分布采用國際通用的ANSYS/CFX程序，該軟件采用有限容積法，可計算的物理問題包括不可壓縮及可壓縮流動、耦合傳熱問題、多相流、粒子輸運過程、化學反應、氣體燃燒（含NOX生成模型）、熱輻射等，同時還能處理滑移網格，可用來計算透平機械中葉片間的流場。有很強的網格生成及后處理功能。

根據轉換靶的設計尺寸利用ICEM進行建模并劃分結構化網格，對流體邊界層區進行網格加密，模擬流體邊界層的復雜熱工水力性質。

轉換靶進口冷卻劑流速為6.8m/s，入口水溫為50oC，出口邊界條件采用壓力邊界條件，為1.0MPa，圖3為在軸向方向0.7m處橫截面溫度場分布，圖4為整個轉換靶（連同樣品）截面的溫度分布，由圖4可知，轉換靶芯體最高溫度為83.55oC，包殼溫度在80 oC左右，樣品中心溫度在59oC左右，都在安全限值以下，能夠保證轉換靶的安全運行。

4 結論

從熱工分析可以看出：將轉換器布置在HFETR輻照孔道，轉換靶芯體最高溫度為83.55oC，包殼溫度在80oC左右，樣品中心溫度在59oC左右，都在安全限值以下，低于其熔化溫度，滿足熱工安全要求。安全性能分析表明，轉換器可以在HFETR內安全運行。

【參考文獻】

[1]VICTOR M，WIFFEN F B，SEKI M.National fusion material program of EU，US and Japan[C]，，19th-24th IEA Fusion Materials Executive Committee Meeting.Germany：IEA，2001.

[2]許增裕，聚變材料研究的現狀與展望[J].原子能科學技術，2003，37【增刊】：105-110.

XU Zengyu，Status and expectation of fusion materials research and development[J].Atomic Energy Science and Technology，2003，37[suppl.]：105-110.