核科学技术

中国先进研究堆中子残余应力谱仪校准

刘晓龙，刘蕴韬，陈东风，等

摘要：目的：为将三维残余应力测量应用于材料科学和工程领域，依托中国先进研究堆（CARR）建造了一台中子残余应力谱仪，该谱仪配置了覆盖完整衍射峰的位置灵敏探测器（PSD）。由于 PSD各道的灵敏度（即整体探测效率）并不一致，各道的位置坐标与衍射角存在几何转换关系，入射束与机械零位之间也存在零点偏移，需要对谱仪进行校准获得这些校准参数，才能将PSD采集的原始数据预处理为残余应力分析用的衍射数据。设计了系列中子实验校准谱仪，获得PSD灵敏度、衍射几何关系和零点偏移等校准参数。方法：利用中子的非相干散射、相干弹性散射和Bragg公式校准谱仪参数。（1）基于中子非相干散射产生的均匀分布中子，测试PSD各道的灵敏度响应。氢与热中子的非相干散射截面较高，1.8 nm；热中子时为80.27 m－28，有机玻璃含氢原子比例 53.3%，中子束打在有机玻璃上能够产生强的均匀非相干散射本底。因此，选择直径φ4 m高度50 m的有机玻璃棒作为校准PSD灵敏度的样品。（2）基于中子相干弹性散射产生的衍射峰，根据衍射峰位出现在 PSD的相对位置随探测器轴的角度变化关系，建立PSD各道的位置坐标与衍射角的几何关系。α-Fe标样（211）衍射峰的信号较强，因此，选择直径8 m高度50 m的标准Fe粉作为校准PSD衍射几何的样品。（3）基于Bragg公式，根据一组晶面间距和相应衍射峰的峰位，计算零点和波长。继续使用铁粉作为样品，选择晶面（110）（200）（211）（220）用于校准零点。为处理校准实验所获得的实验数据，准确地获得谱仪的校准参数，根据上述校准方法，使用 LabVIEW语言编写了一套标准的谱仪校准软件。特别是使用 Levenberg-Marquardt最小二乘算法拟合衍射峰和 Bragg公式。结果：按照校准步骤开展校准实验，并利用校准软件获得了谱仪的校准参数。将获得的校准参数用于标准Fe粉前4个衍射峰的数据预处理，校正衍射峰位与计算衍射角的差值≤0.006°残余应力谱仪的误差要求。结果表明，该工作能够准确地获得校准参数，并用于CARR中子残余应力谱仪的数据预处理。结论：利用中子的非相干散射、相干弹性散射和Bragg公式作为理论依据，通过详细的实验设计和软件编写，分别校准了CARR中子残余应力谱仪的PSD灵敏度、PSD衍射几何关系和零点偏移。结果表明，该工作能够准确地获得校准参数，CARR中子残余应力谱仪能够提供准确的实验结果。

来源出版物：原子能科学技术, 2016, 50(8): 1486-1490

入选年份：2016

结合AMTEC的小型自然循环快堆的关键技术研究

陆道纲，张勋，李宗洋，等

摘要：目的：为满足远距离及无人值守等极端环境下的电源可靠供给，提出了一种结合碱金属热电转换器（AMTEC）的小型模块化反应堆（SMR）的概念，即SMR＋AMTEC（Small Modular Reactor＋Alkali Metal Thermal to Electric Converter）。针对该小型模块化反应堆的概念设计，研发了3项关键技术，即：基于转鼓的堆物理控制技术；正常功率条件下一回路全自然循环技术；基于自然循环的余热排出技术。针对与该小型模块化反应堆相耦合的小型多管循环式AMTEC单元，重点开展了3项关键部件制备技术的研发，即：AMTEC的TiN 多孔薄膜电极制备技术；β′′ 氧化铝固体电解质组件封接技术；吸液芯组件的制备及测试技术。通过对以上技术的研究与开发，以初步验证SMR＋AMTEC系统的可行性。方法：为了研究基于转鼓的堆物理控制技术，对堆芯进行临界计算和热工水力学分析，研究了堆芯燃料装载量不变的情况下，芯块半径，燃料棒长度和圈数对堆芯有效增值因数keff，堆芯压降和传热的影响。同时分析了不同额外停堆裕量下，燃料棒圈数对B4C吸收层厚度和堆芯初始剩余反应性的影响；为了研究正常功率条件下一回路全自然循环技术，基于MATLAB/Simulink建立单自然循环回路模型以分析自然循环瞬态响应（非线性法），同时采用线性方法判断自然循环稳定性边界；为了验证基于自然循环的余热排出技术，基于MATLAB/Simulink建立双自然循环回路的瞬态计算模型，分析丧失二次侧冷却情况下双自然循环回路的导热能力和稳定性。为了研究AMTEC的TiN多孔薄膜电极制备技术，采用丝网印刷法和Ti氮化工艺制备了TiN薄膜电极式样并进行了孔隙率和电导率性能测试；为了研究β′氧化铝固体电解质组件封接技术，采用高温活性钎焊法进行了 BASE-钽组件的封接试验并进行了封接面形貌扫描和泄漏率测试；为了研制吸液芯组件，提出了利用粉末烧结成型配合线切割的制备方法，并通过建立乙醇实验回路，根据微压差计值和累计流量来确定不同孔隙度和孔径的吸液芯组件的毛细力和极限流量，验证吸液芯组件的可靠性。结果：通过堆芯临界及热工水力计算可以看出，保持堆芯当量直径和冷却剂通道总截面积不变的情况下，减少燃料棒圈数和活性区长度不仅可增加keff，且能降低堆芯压降；为提高额外停堆裕量需增加吸收层厚度，但降低了堆芯初始剩余反应性，不利于电厂的经济性；通过非线性法和线性法分析 SMR＋AMTEC一回路自然循环稳定性，结果表明正常功率下一回路的自然循环是稳定的；通过对双自然循环回路的瞬态分析可以看出，利用一回路和余热排出回路的自然循环可稳定的导出堆芯余热。从TiN薄膜电极的测试结果可以看出，电极内充满微米级空隙，氮化温度越高且氮化时间越短，电极电导率越高；通过对BASE-钽封接组件的泄漏率测试，结果表明泄漏率小于10－10a·m3/s；通过对吸液芯组件的测试，表明吸液芯组件可驱动乙醇循环流动，吸液芯组件最大压头主要取决于吸液芯的孔径，受蒸发器孔径影响较小，选择小孔径的吸液芯和大孔隙率的蒸发器有利于提高组件压头和降低流阻。结论：提出的一种结合小型自然循环钠冷模块堆和AMTEC的SMR＋AMTEC系统的概念设计。针对SMR和小型多管循环式AMTEC分别研究了3项关键技术对于SMR，可依靠转鼓进行反应性控制并可提供足够的停堆裕量，额定功率下可完全依靠一回路自然循环运行，在丧失二次侧冷却事故下，也可完全依靠一回路和余热排出回路的稳定自然循环将堆芯余热导出；对于AMTEC，采用丝网印刷法能够制备具有多孔特性和导电特性的TiN薄膜电极，采用高温活性钎焊法能实现BASE组件的封接且满足低泄漏率要求，通过乙醇试验回路论证了采用吸液芯组件提供毛细驱动力的可行性。

来源出版物：原子能科学技术, 2016, 50(9): 1570-1579

入选年份：2016