CARR銥源試驗靶件設計和試驗驗證

馬勇哲，邱妙蓮，高永光，徐西安，丁 麗，竇勤明

(中國原子能科學研究院 反應堆工程研究設計所，北京 102413)

CARR銥源試驗靶件設計和試驗驗證

馬勇哲，邱妙蓮，高永光，徐西安，丁 麗，竇勤明

(中國原子能科學研究院 反應堆工程研究設計所，北京 102413)

為配合中國先進研究堆(CARR)銥源輻照生產項目，設計制造了銥源試驗靶件，對試驗靶件的設計參數、結構尺寸進行了介紹。在堆外使用專門的傳熱裝置模擬銥源靶件的外部和內部傳熱工況，測量了用于模擬輻照罐壁面溫度和樣品溫度的傳熱裝置的壁面溫度和內部溫度，結果驗證了熱工分析方法是合適的。入堆試驗靶件由含有銥片樣品的輻照罐和等量發熱的模擬罐組成。堆內試驗獲得的數據綜合驗證了試驗靶件物理熱工的分析結果，這個結果可對CARR銥源輻照生產安全評審提供依據且偏于安全。

銥源；試驗靶件；試驗驗證

放射性同位素廣泛應用于農業、工業、醫學和科學研究等領域[1]，放射性同位素的生產是許多研究堆上正在進行的工作之一。中國先進研究堆(CARR)上進行放射性銥源生產的論證工作已提上日程。銥源試驗靶件的設計和熱工驗證是為了配合CARR輻照生產192Ir源課題而進行的。

本工作依據CARR功率運行時輻照罐外表面不發生欠熱泡核沸騰及內部溫度不超過金屬銥熔化溫度的設計限值，對銥源生產靶件進行物理和熱工設計，同時進行堆外模擬傳熱試驗和堆內熱工試驗。堆外試驗在專門的傳熱裝置上進行，對模擬的溫度場進行測量以驗證傳熱分析方法。堆內試驗在堆外試驗結論的基礎上，修改并確定試驗靶件的最終設計后，通過實際測量試驗靶件在堆內工況下的表面溫度，綜合驗證靶件的物理、熱工分析方法。

1 試驗堆和輻照位置介紹

CARR是一座多用途、高性能的研究堆，既能引出高中子束流滿足中子散射實驗的要求，又有適度的功率和足夠的輻照空間，用以進行放射性同位素生產和燃料元件及材料輻照考驗。其核功率最大為60 MW，活性區最大熱中子注量率為1×1015cm-2·s-1，具有9個中子束流水平孔道和26個垂直輻照孔道[2]。垂直輻照孔道中包括7個水冷同位素孔道，試驗靶件在其中1個水冷同位素孔道中輻照。

水冷同位素孔道相對于堆芯的位置如圖1所示。水冷同位素孔道位于堆水池的下方，貫穿于導流箱和重水箱中。孔道內的冷卻水即為堆水池的去離子水。

圖1 水冷同位素孔道位置示意圖Fig.1 Position of water cooling isotope tunnel

2 試驗靶件結構設計

試驗靶件由樣品輻照罐、模擬輻照罐、吊籃和內套筒等部件組成，總長度為5.565 m，直徑為53 mm。圖2為試驗靶件結構示意圖。

輻照罐是試驗靶件的核心部件，也是設計分析的基本單元，輻照罐內部裝有銥片樣品并填充氦氣，輻照罐外部是冷卻水，試驗靶件中包含9個輻照罐。考慮到實驗成本，9個輻照罐中只有1個輻照罐裝有銥片樣品，即樣品輻照罐；另外8個輻照罐為等量核發熱的模擬罐，即模擬輻照罐。樣品輻照罐由筒體、鋁芯、銥片和筒底4部分組成。模擬輻照罐由筒體和筒底兩部分組成，模擬輻照罐增加筒體壁厚以模擬樣品輻照罐的總發熱量。輻照罐的設計參數列于表1。

圖2 試驗靶件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of test target structure

表1 輻照罐設計參數Table 1 Design parameter of irradiation capsule

3 物理和熱工設計

通過堆物理分析，在反應堆功率運行時，單個輻照罐(包括樣品)的最高發熱量為380 W，靶件平均線功率最大為4 617 W/m。試驗靶件中樣品的比活度滿足要求。

隨堆輻照穩態熱工設計滿足以下準則：1) 樣品最高溫度不超過300 ℃；2) 反應堆功率運行時輻照罐表面不允許發生欠熱泡核沸騰，即輻照罐表面溫度不超過128 ℃。

按照堆物理參數進行熱工分析，分析了輻照罐壁面最高溫度和樣品溫度。對輻照罐壁面最高溫度采用了大空間自然對流換熱模型和自然循環冷卻模型兩種分析方法，計算結果列于表2。大空間自然對流換熱模型忽略了內套筒的影響，自然循環冷卻模型考慮了內套筒的影響。

表2 熱工計算結果Table 2 Result of thermal calculation

4 熱工試驗驗證

鑒于兩種分析方法的計算模型差異較大，且內套筒結構對試驗靶件傳熱工況的影響不甚明確，所以在堆外使用專門的傳熱模擬裝置[3]對輻照罐的傳熱工況進行了模擬，對熱工分析的結果進行了初步驗證。之后，在堆外傳熱試驗的基礎上對試驗靶件進行了設計修改，并進行了堆內熱工驗證試驗，使用堆內試驗的數據對熱工分析方法進行了綜合驗證。

4.1 堆外傳熱試驗

堆外傳熱試驗模擬試驗靶件徑向傳熱工況。圖3為試驗靶件橫剖面示意圖，圖中以銥源輻照罐為界，其外部為冷卻水，其內部為氦氣。熱工分析的重點在于輻照罐外部的自然循環傳熱和輻照罐內部的氣隙導熱。

圖3 試驗靶件橫剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of cross-section for test target

圖4為堆外傳熱試驗裝置結構示意圖，圖中以內筒為界限，其外部為冷卻水，其內部為氦氣。由電加熱棒提供熱源，通過調節電加熱棒的電功率模擬輻照罐核發熱的線功率。在內筒外壁和鋁塊內部布置了熱電偶，熱電偶的測點在圖4中以黑點表示，其溫度測量值可模擬輻照罐壁面溫度和內部樣品溫度。

圖4 堆外傳熱試驗裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure for out-of-pile heat transfer test device

為驗證輻照罐外部冷卻水傳熱工況，設計了一個雙層套筒結構(圖4)，使用雙層套筒和不使用雙層套筒各進行1次試驗，以近似模擬冷卻水的自然循環工況和大空間自然對流工況。

兩組試驗中，電加熱棒的功率均為1 120 kW左右，折合線功率即為模擬試驗靶件的最高線功率，通過調節冷卻水流量，使水溫保持在50 ℃左右，待傳熱狀態穩定后記錄測量數據，試驗數據列于表3。

內筒外壁溫度的測量值可模擬CARR功率運行時銥源輻照罐的外壁溫度。比較兩組試驗的壁溫測量結果可看出，帶有雙層套筒的試驗結果較低，說明雙層套筒結構對于靶件傳熱是有利的。第1組試驗中的計算值分別以自然循環冷卻模型和大空間自然對流換熱模型作為計算模型，計算值相對于測量值均偏大，相對偏差分別為9.5%和8.5%，說明兩種計算模型均偏于保守，而大空間自然對流換熱模型計算結果與測量值比較相對偏差更小，更適合用作此問題的分析模型。對第2組試驗只用大空間自然對流換熱模型進行了分析。

為驗證輻照罐內部樣品溫度，試驗時電加熱棒功率下降至780 W，折合線功率與輻照罐內部的樣品和支架的最大核發熱線功率相等。調節冷卻水流量使內筒外壁溫度穩定在96 ℃。試驗數據列于表4。

表3 堆外傳熱試驗模擬外部冷卻工況試驗數據Table 3 Data of out-of-pile heat transfer test for simulating outer cooling condition

表4 堆外傳熱試驗模擬輻照罐內部溫度試驗數據Table 4 Data of out-of-pile heat transfer testfor simulating inner temperature of capsule

鋁塊的溫度測量值可模擬CARR功率運行下輻照罐內樣品的溫度。計算值和測量值的相對偏差約為1%，偏差的原因主要是熱電偶本身精度(Ⅰ級精度±1.5 ℃)、鋁塊測溫孔機加工精度和熱電偶布置難度導致的不確定性三方面所致。測量結果說明輻照罐內部溫度的分析結果很準確，即通過輻照罐表面溫度推測輻照罐內樣品溫度的分析方法是正確的。

4.2 堆內熱工驗證試驗

堆內熱工驗證試驗是將試驗靶件放入CARR的水冷同位素孔道中進行輻照，在CARR滿功率和其他功率水平下，通過試驗靶件上布置的熱電偶，實際測量輻照罐外壁溫度，從而對試驗靶件的傳熱工況進行綜合驗證。

與堆外試驗帶或不帶雙層套筒的兩種情況相對應，堆內試驗對帶內套筒和不帶內套筒的情況進行了兩組試驗。試驗結果表明，帶內套筒的試驗中輻照罐的壁溫明顯較低，說明內套筒結構對于形成冷卻水的自然循環、提高冷卻能力十分有利，這與堆外試驗結果一致。CARR滿功率運行時堆內試驗輻照罐外壁壁面溫度數據列于表5。

表5 堆內試驗輻照罐外壁壁面溫度數據Table 5 Data of wall temperature of in-pile test capsule

對帶有內套筒的試驗數據進行熱工分析，計算模型分別采用大空間自然對流換熱模型和自然循環冷卻模型。從表5可看出，輻照罐換熱應用大空間自然對流換熱模型的計算結果與試驗測量結果對比相對偏差較小(為18.5%)，計算值偏保守；自然循環冷卻模型的計算結果與測量結果的相對偏差較大(為36%)。對無內套筒的試驗數據則分別采用大空間自然對流換熱模型和有限空間自然對流換熱模型。由表5可看出，應用大空間自然對流換熱模型的計算結果與試驗測量結果對比相對偏差較大(-24.1%)，計算值也不保守，模型不適用；有限空間自然對流換熱模型的計算結果與試驗測量結果較為吻合(相對偏差為6.6%)。

入堆試驗靶件的壁溫明顯低于堆外傳熱試驗模擬的壁溫。這表明堆外試驗的結果相對于堆內試驗是保守的。一個原因是堆外試驗的水溫控制在略低于50 ℃(按照CARR的水溫限值)，而堆內實際水溫較50 ℃低很多。修正水溫的影響后，計算值和測量值的相對偏差小于10%。這說明熱工分析的方法對堆外試驗和堆內試驗均適用。

4.3 輻照罐內部部件溫度分析

由試驗數據對輻照罐內部部件的溫度進行分析，計算模型中將靶芯和靶粒視為一個整體，靶芯溫度即為這個整體的中心溫度。計算中靶芯和靶粒的發熱量取堆物理提供的發熱量，輻照罐外壁溫度取堆內試驗測量值。理論最大值分析時，靶件核發熱功率取所有裝載情況的最大值，靶件外壁溫度取飽和泡核沸騰水溫。其分析結果列于表6。

表6 CARR滿功率時輻照罐內部溫度分析結果Table 6 Analysis result of inner temperature for capsule at CARR rated power

5 結論

1) 銥源輻照生產試驗靶件的設計通過堆外和堆內試驗的驗證，滿足銥源輻照生產的設計要求，也滿足CARR安全要求。堆內外熱工驗證試驗的結果均證明熱工分析的方法是合適的，該方法可滿足研究堆內輻照安全評審的要求，對今后其他同位素靶件的設計和分析工作具有參考價值。

2) 通過有無內套筒的兩組試驗結果可看出，在堆內采用內套筒結構對試驗靶件的冷卻效果明顯優于無內套筒結構。但內套筒結構在堆內會產生核發熱，其對試驗靶件傳熱效果的影響難以分析，而且內套筒會增加輻照廢物量，在不超過試驗靶件和CARR安全限值的前提下，在今后的實際輻照生產中去掉內套筒結構也是值得考量的一個方案。

3) 從熱工分析角度，堆外傳熱試驗裝置雖不能完全模擬輻照罐熱源分布和試驗堆垂直孔道的冷卻工況，但可給出一個保守的結果。根據試驗靶件壁溫熱工計算值與堆內試驗測量值的對比結果，有內套筒的試驗靶件換熱采用大空間自然對流換熱模型分析是適合的，無內套筒的試驗靶件換熱采用有限空間自然對流換熱模型是適合的，熱工計算模型均偏向保守。

[1] 仲言. 重水研究堆[M]. 北京：原子能出版社，1988:13.

[2] 袁履正，柯國土，金華晉，等. 中國先進研究堆(CARR)的設計特點和創新技術[J]. 核動力工程，2006,27(S2):1-5.

YUAN Lvzheng, KE Guotu, JIN Huajin, et al. Features and innovatives of China Advanced Research Reactor (CARR) design[J]. Nuclear Power Engineering, 2006, 27(S2): 1-5(in Chinese).

[3] MA Yongzhe, ZHANG Peisheng. Out-of-pile heat transfer test device for low pressure irradiation capsule[C]∥21st International Conference on Nuclear Engineering. Chengdu: [s. n.], 2013.

Design and Test Verification for192Ir Test Target in CARR

MA Yong-zhe, QIU Miao-lian, GAO Yong-guang, XU Xi-an, DING Li, DOU Qin-ming

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-64,Beijing102413,China)

The192Ir test target was designed and manufactured in order to support the project of192Ir irradiation production in China Advanced Research Reactor (CARR). Design parameters and structural dimensions of test target were described. The special heat transfer device was used to simulate outer and inner heat transfer conditions of the test target. The wall temperature and inner temperature of the heat transfer device were measured, which simulated the wall temperature of capsule and the temperature of specimens in capsule. The results prove that the thermal analysis method is suitable. The in-pile test target contains the capsule with specimens and the simulating capsules with equivalent heat transfer conditions. Data obtained from in-pile tests verify the results of physical and thermal analysis comprehensively, which can provide a basis for safety evaluation of192Ir irradiation production in CARR and are conservative.

192Ir; test target; test verification

2014-06-11;

2014-10-30

馬勇哲(1980—)，男，北京人，副研究員，燃料元件專業

TL921.3；TL349

A

1000-6931(2015)10-1839-05

10.7538/yzk.2015.49.10.1839