CITP-Ⅱ辐照装置的安全性及可行性研究

张之华，米向秒，李润东

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900）

实现氚燃料的自持与循环，是聚变能源商用的基础。研制一套在线产氚辐照装置，利用热中子研究堆的辐照场，开展增殖剂材料的辐照性能研究，是现有条件下进行增殖剂辐照产氚、释氚实验研究的有效途经。20 世纪90 年代，在国家“863计划”的牵引下，中国工程物理研究院在300＃反应堆上建成了我国第一条增殖剂产氚演示回路（CITP-Ⅰ）。在完成预定的γ-LiAlO2的产氚及释氚辐照试验后，由于该回路无法实现增殖剂材料的更换，从300＃反应堆上拆除［1］。现阶段，顺应ITER 项目的进展和聚变能源研究的需要，建造一套新的、先进的增殖剂在线产氚辐照试验回路（CITP-Ⅱ），成为迫切需要。

增殖剂产氚辐照装置是CITP-Ⅱ在线产氚辐照试验回路的关键装置，安装在堆芯活性区，处在高强度和复杂的n-γ混合场中，为增殖剂材料的产氚性能研究提供辐照空间。要实现增殖剂材料的在线换料和安全辐照，产氚辐照试验装置必须具备可靠的核性能和机械性能，还必须具备先进的测试手段和良好的热工性能。其安全性、可行性、经济性是设计成败的关键。

1 增殖剂产氚辐照装置的结构

CITP-Ⅱ在线产氚辐照回路的堆内设备由增殖剂产氚辐照装置、辐照靶换料系统、堆内支撑及固定系统等部分组成，增殖剂产氚辐照装置是其核心设备。增殖剂产氚辐照装置必须具备的主要功能和特性如下：能为增殖剂的堆内辐照提供安全合适的辐照环境；能实现增殖剂的更换料操作，可适用不同的固体增殖剂材料；在任何工况下，产氚辐照装置无论是在用或备用状态，都不能危及反应堆的安全。增殖剂产氚辐照装置由外辐照筒、内辐照筒、铠装热电偶、非均匀电加热器、气体进出口管等组成［2］，其结构示于图1。

图1 产氚辐照装置结构Fig.1 Structural drawing of tritium production irradiation device

2 增殖剂产氚辐照装置的安全性能

按照核安全法规要求，装入反应堆的样品及装置在任何情况下都不能对反应堆的安全造成影响，同时也要保证自身的安全可靠。以ITER备选增殖剂材料Li4SiO4为装载对象，以产氚辐照装置满装载增殖剂（1 132g）为初始条件，对装置入堆后的相关物理参数进行计算及分析。

2.1 不同辐照位置的反应性

产氚辐照装置装入反应堆后，由于装置结构材料及增殖剂材料的影响，会引起反应堆反应性的变化。将满载增殖剂的辐照装置装入反应堆B1、H4、G8 等不同的辐照位置后，引起的反应性的变化情况列于表1。由表1可知，由于6Li具有较大的热中子吸收截面，装置入堆后引入负反应性，总体上是偏安全的；Δρ变化不大，在堆的调控范围内，不会引起安全事件。

表1 装入不同位置的反应性变化Table 1 Reactivity changes for device in different irradiation positions

2.2 不同辐照位置的中子注量率

产氚辐照装置装入反应堆后，会引起所处辐照位置中子注量率及中子能谱的变化。由于堆内不同位置的中子注量率存在差异，产氚辐照装置装入反应堆后，对不同辐照位置的中子注量率的影响也不同，不同辐照位置的中子注量率列于表2。

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

由于受辐照装置材料及增殖剂材料的影响，装入位置的中子注量率会显著降低。同时装入位置的中子能谱也会发生变化，热中子比率变大，高能中子比率变小。

2.3 增殖剂内的平衡温度计算

在线产氚辐照装置在堆内的发热主要有两部分，一是辐照装置的结构材料接收n-γ混合场沉积能量而发热，二是增殖剂中的6Li受到中子的辐照，发生核反应作用，产生氚并释放热量。由于堆内不同辐照位置的中子注量率存在差异，装置在不同位置的热中子屏蔽因子也不相同，造成不同位置的发热率及发热量也不相同。以B1位置为例，对该位置对应的增殖剂平衡温度进行了计算。

计算选用Fluent软件，设定调温气体密度为理想气体模型，黏度、导热系数等参数利用分子动力学原理计算，通过UDF 接口设定结构材料、增殖剂以及电加热器的轴向不均匀发热率，采用标准k-ε 湍流模型进行计算。

正常工况下，辐照位置增殖剂表面的平均热 中 子 注 量 率 为1.42×1013cm-2·s-1，Li4SiO4的装载量为1 132g，计算得：内外辐照筒的发热量为710 W，增殖剂材料的发热量为7 320 W。采用不同导热系数的调温气体，可在增殖剂内形成不同的平衡温度，并存在一定的温度梯度。以He为调温间隙气体，装置外冷却水的流速为6.2m／s；热平衡后，增殖剂内在纵向上的温度梯度较大，最高温度609℃，最低温度333 ℃，温度分布变化规律和辐照装置内中子注量率的变化规律基本一致；在横向上温度差别不大，从增殖剂区内部向外逐渐降低，不均匀因子在5%以内。

为改善增殖剂温度纵向上的不均匀性，减小温度梯度，设计了非线性电加热器，对增殖剂的核发热进行补偿。以He气体调温，不同工况对应的增殖剂平衡温度参数列于表3。表3中：P 为不同工况增殖剂核功率与电加热器补偿功率之和；T1为增殖剂内平均温度；Tmin为增殖剂内最小温度；Tmax为增殖剂内最高温度。

表3 不同工况对应的平衡温度Table 3 Equilibrium temperatures with different working conditions

由表3可知，不论是预期正常运行的15kW工况，还是假想的极端事故工况28kW，增殖剂内的最高温度均小于其融化温度1 225 ℃，具有一定的安全域度，增殖剂不会发生熔化［3］。

2.4 辐照装置的强度校核

结构强度是辐照装置设计及安全分析时需要考虑的重要问题。根据装置的结构特点、材料情况、工况载荷，选择对内外辐照筒的强度进行校核计算。根据第三强度理论，对部件采用应力强度进行评价。在均布压力的作用下，内外辐照筒的最大应力为42MPa，远小于结构材料的许用应力；在对应载荷的作用下，内外筒体的变形较小，内辐照筒的变形量略大于外辐照筒，内辐照筒最大变形量为1.27×10-4mm（图2）。由计算结果知，辐照装置具有足够的强度和刚度。

图2 内辐照筒的最大变形量Fig.2 Max deformation for inner irradiation cylinder

3 增殖剂产氚辐照装置的可行性分析

3.1 间隙气体调温的可行性

产氚辐照装置内的增殖剂受到中子的辐照，产生氚并放出热量。产生的热量一部分使增殖剂的温度升高，另一部分通过热传导被外辐照筒外的冷却水带走。CITP-Ⅱ产氚辐照装置的内外辐照筒之间是间隙调温空间，间隙3mm，通过充入不同导热系数的间隙调温气体来改变调节辐照装置内增殖剂的平衡温度。

通过改变间隙气体进行增殖剂平衡温度的控制，在300＃反应堆增殖剂产氚演示回路（CITP-Ⅰ）上有成功的实践。采用1 100 W 电加热器为热源，增殖剂γ-LiAlO2的装料121g，间隙空间2 mm，采用不同的间隙气体为调温气体，增殖剂内的平衡温度为：He，310 ℃；Ne，446 ℃；Ar，582 ℃。此外，还进行了不同电加热器功率、不同配比调温气体对平衡温度的影响。由实验数据知，利用惰性气体调温是可行的；同一发热功率下，间隙调温气体造成的温差，以Ar最高，Ne次之，He最低。

CITP-Ⅱ产氚辐照装置，增殖剂Li4SiO4满装载1 132g，发热功率7 320W，辐照装置外的冷却水的流速6.0 m／s，辐照位置的平均热中子注量率为1.42×1013cm-2·s-1，间隙气体的厚度3mm，以He等气体作为调温气体，对应的温度参数计算结果列于表4。由表4 可知：随选用调温气体导热系数的降低，增殖剂内的平均温度、最低温度、最高温度均逐渐升高；由于从辐照装置内通过调温气体传入冷却水中的热量减少，在线产氚辐照装置的外壁水温逐渐降低。

表4 不同调温气体对应的温度参数Table 4 Temperatures with different thermoregulation gasses

3.2 增殖剂气动换料的可行性

CITP-Ⅱ产氚辐照装置的增殖剂更换料方案设计上采用氦气作为载带及吹送气体，采用气力对增殖剂小球进行压力输送，将增殖剂带出辐照装置；其气力输送的可行性决定了产氚辐照装置的经济性及多用途性。近几十年来，气力输送发展迅速，在世界各国均得到广泛应用，大量应用在对碎石、砂、城市废弃物、农产品的集装容器管道输送上。在我国气力输送也涉足国民经济的大量行业，在反应堆上也有多个成功应用的例子，如高温气冷堆的燃料装卸及输运系统、吸收球停堆系统、试验堆的活化跑兔试验系统等。CITP-Ⅱ产氚辐照装置采用气力输送进行增殖剂小球的在线更换料，具有一定的实践基础。

增殖剂产氚辐照装置的内部结构会影响气体通过时的压力、流速等参数的变化；对辐照装置进行了气动换料结构设计。对增殖剂小球，如果其上下表面存在压差，则会产生朝向为压力较小方向的驱动力。在合适的结构条件下，可在辐照装置内使得载带气体产生的驱动力远大于增殖剂小球的重力，此时增殖剂小球会在该力的作用下，随载带气体流出辐照装置，实现增殖剂的气动更换料。

本研究利用流体力学Fluent软件对增殖剂产氚辐照装置的流场进行模拟计算和分析，研究了不同的装置内部结构、不同的载带气体进出口压差等条件下的辐照装置内的流场特性。考虑到辐照装置内部的复杂性，为更好反映装置内部的载气流场情况，建模时采用对称3D 模型，通过多次迭代计算进行计算网格的精确划分、修正和优化。计算时采用能量方程求解，求解器设置为稳态工况，工作气体设置为氦气理想气体，边界条件为压力入口和压力出口。

不同的载带气体进出口压差影响载带气体在产氚辐照装置内产生的载带力。载带气体进行压力输送时，载带气流进出口的压力差会在增殖剂小球的上下半球面形成吹浮力，吹浮力是上下部压差在整个增殖剂小球上的积分效应。增殖剂小球的下部气压高于上部气压，吹送载带气体对增殖剂小球会产生向上的吹浮力。不同的载带气体进出口压差在增殖剂小球上产生的吹浮力列于表5。

表5 载带气体进出口压差对应的吹浮力Table 5 Buoyancy with carrier-gas pressure difference between inlet and outlet

吹浮力的大小与载带气流的进出口压差有关，随压差的增大而增大，基本呈线性关系。当吹送气流的进出口压差大于1.01×104Pa时，载带气体在增殖剂小球上产生的吹浮力大于小球的重力（7.18×10-6N），可实现增殖剂小球的向上输送。当选取的吹送气体进出口压差大于5.06×104Pa时，在增殖剂小球上产生的吹浮力会比小球的重力大10倍，能较流畅地实现Li4SiO4增殖剂小球的换料气力输送［4］。

4 增殖剂产氚辐照装置的经济性评估

CITP-Ⅱ在线产氚辐照装置可实现增殖剂的更换料，减少了增殖剂填装和辐照装置在堆内安装的工程量，提高了辐照装置的利用率。在辐照装置设计时，考虑了装置在堆内位置的互换，具有一定的互换性。装置的增殖剂装载量大，即可进行增殖剂的产氚性能研究，又可进行少量氚的生产。可对增殖剂进行取样分析，研究不同的中子积分通量和不同燃耗时增殖剂的辐照性质。实现了间气成分可调、载气成分可调、电加热器功率可调，可进行各种因素对增殖剂产氚率的影响、氚的载带及氚的释放等试验研究。能重复辐照环境，减弱影响因素，再试验时，增加了数据的可靠性和实验结果分析的准确性。可对不同的增殖剂材料进行研究，具有一定的适应性和多用性。

5 结语

CITP-Ⅱ在线产氚辐照装置具有足够的强度和刚度。运行工况下，结构及外部载荷在装置上产生的应力远小于材料的许用应力，最大变形量很小，装置结构稳定、安全可靠。装置装入堆后，引入的反应性不大，在反应堆的调控范围内，不会对堆的安全产生影响。装置的自屏因子较大，装入反应堆后会引起所处辐照位置中子能谱和中子注量率的显著变化。利用装置外冷却剂强迫冷却和间隙气体调温，可实现对装置内增殖剂平衡温度的调控，不论是运行工况还是超设计基准事故状态，均不会发生增殖剂小球熔化的事故，具有较大的安全系数。采用气力输送可实现不同增殖剂的在线更换料。

CITP-Ⅱ在线产氚辐照装置可实现增殖剂的更换及氚的在线监测和分析研究；可进行不同增殖剂材料的辐照性能、活化性能、氚的扩散系数、释放因子等单项和综合因素研究；可开展增殖剂温度、载气成分、流量对产氚释氚的影响研究；具有安全性、可行性和经济性的特色。

［1］ 姜亦祥，沈文德，代君龙.在线产氚辐照装置的研制［J］.核动力工程，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］ 张之华，米向秒，李润东，等.CITP-Ⅱ在线产氚辐照回路设计［J］.科技导报，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］ 张之华，米向秒，段世林，等.CITP-Ⅱ产氚辐照装置的热工研究［J］.核动力工程，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］ 张之华，邓勇军，米向秒，等.CITP-Ⅱ产氚辐照装置的设计研究［J］.原子能科学技术，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）.