臨界實驗裝置中子毒物系統初步設計研究

邵增，樊雨軒，胡小利，易 璇，楊海峰

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

在溶液形態的易裂變材料操作、貯存系統中，尤其是對處理量大、設備體積較大的料液貯槽，中子毒物是進行臨界安全控制的主要手段。為驗證中子毒物臨界安全控制方式的可靠性，以及臨界安全分析程序計算該類問題的計算偏差及其不確定度，一般采用相似的臨界基準實驗進行驗證。為此，國外開展過大量的臨界基準實驗，其中就有多種形式的含中子毒物棒的含钚溶液臨界基準實驗。這些實驗開展的年代較早，中子毒物棒的布置操作多采用了手套箱的形式[1]。

由于钚溶液易產生氣溶膠放射性污染，中子毒物系統的布置設計遇到了較大的挑戰，傳統的手套箱方式很難滿足輻射防護等相關要求。

本文針對钚溶液臨界實驗裝置中子毒物系統初步方案設計中遇到的關鍵難題，開展了詳細調研和設計研究，致力于能夠在完全密封、無接觸的條件下，實現有棒、無棒、不同數量、不同材質、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，使得臨界實驗裝置可以有效開展各種不同方案的臨界實驗，同時避免放射性物質泄漏出臨界實驗裝置造成氣溶膠污染等放射性危害。

1 研究背景

中子毒物控制是堆外易裂變材料運輸、貯存及后處理操作過程中常用到的臨界安全控制方法。中子毒物控制通過中子的吸收使系統內的中子消失來減小反應性，防止系統臨界。中子毒物控制既可作為主要臨界控制措施，也可作為增加安全裕度的輔助控制措施。

中子毒物控制可以通過設置固體中子毒物或可溶性中子毒物來實現。例如在乏燃料貯存格架添加硼鋼或鎘等中子毒物板，在乏燃料溶解器中加入固體中子毒物棒，核電站的乏燃料貯存水池中還通過設置一定濃度的可溶硼來增加臨界安全裕量。

對中子毒物的臨界安全控制效果，通常采用臨界安全分析程序進行定量分析評價，如常用的三維蒙特卡羅程序。根據國家標準GB 15146.2 要求[2]，對于用于核臨界安全評價的計算方法，應通過建立臨界實驗數據與相應實驗系統計算結果之間的相關關系來確定計算方法的偏倚及其不確定度。GB 15146.8[3]和GB/T 15146.12[4]等相關標準中進一步要求，用于確定計算方法的偏倚及其不確定度的基準臨界實驗在物理組成、構型和核特性（包括）反射層等方面宜與被評價系統類似。因此，對含中子毒物的臨界實驗裝置或臨界安全控制設備，在開展臨界安全分析評價時，應選用含中子毒物的相似臨界基準實驗來開展計算方法的偏差及其不確定度的分析評價。

自核工業開創以來，國際上開展了數以萬次的臨界實驗、次臨界實驗，其中就包括了含中子毒物的臨界實驗。例如，臨界安全基準實驗國際評價（ICSBEP）中編號為 PU-SOLTHERM-033 的實驗[1]，圓柱容器形的钚溶液容器中布置了不同數目的中子毒物棒，典型的布置方式如圖1 所示[5]。該實驗是1966—1968 年間在法國開展的，采用了手套箱的方式進行中子毒物棒的布置操作，如圖2～圖3 所示，手套箱位于容器裝置的上方，中子毒物棒通過手套箱操作布置在包含兩層柵格板的不銹鋼吊籃中，再將布置好的吊籃整體放入下方的容器裝置內。

圖1 含中子毒物棒的臨界基準實驗布置示例Fig.1 Example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

圖2 含中子毒物棒的臨界基準實驗布置示例Fig.2 Example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

圖3 含中子毒物棒的臨界基準實驗毒物棒布置操作示例Fig.3 Operation example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

采用該種手套箱的方式，能夠實現有棒、無棒、不同數量、不同材質、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，但毒物棒準確插入兩層柵格的難度較大，且手套箱由人員操作，對實驗裝置的清洗去污、密封要求很高，一旦裝置內的殘留易裂變溶液產生的放射性氣溶膠泄漏，給空氣過濾凈化和人員輻射防護將會帶來很大困難。

2 初步方案設計研究

為改進手套箱方式布置中子毒物棒的臨界實驗裝置的可靠性及輻射防護水平，滿足現行法規標準的各項要求，中國核電工程有限公司核臨界安全技術創新工作室團隊開展了詳細調研和初步方案設計研究，致力于能夠在完全密封、無接觸的條件下，實現有棒、無棒、不同數量、不同材質、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，使得臨界實驗裝置可以有效開展各種不同方案的臨界實驗。

根據調研，磁力傳動在核行業及相關行業中是確保密封情況下的一種可行手段。例如，高溫氣冷堆的燃料裝卸系統就是采取了磁力驅動器，以滿足全密封、無泄漏的嚴格要求[6]，福清5、6 號核電機組等項目的反應堆控制棒驅動機構使用的是步進式磁力提升性控制棒驅動機構[7]，中科院近代物理所也針對加速器驅動次臨界系統ADS鎢基合金球顆粒流靶的應用提出了磁力提升裝置[8]。

為此，本文考慮含中子毒物棒的钚溶液臨界實驗裝置的設計要求，考慮磁力傳動的方法，初步設計了一種磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實驗裝置，如圖4～圖7 所示，圖中1為臨界實驗裝置主體容器；2 為強磁控制軌道；3 為強磁控制體；4 為強磁控制協同連接件；5為分布式頂吸磁體；6 為吊籃；7 為中子毒物棒；8 為頂蓋環形標志；9 為吊籃可磁吸部件；10為吊籃軌道。

圖4 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實驗裝置應用示例的頂面俯視圖Fig.4 The top view of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

圖5 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實驗裝置應用示例的垂直剖面圖Fig.5 Vertical section view of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

圖6 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實驗裝置應用示例吊籃處的水平剖面圖Fig.6 Horizontal section view of the barrel of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

圖7 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實驗裝置應用示例部分中子毒物棒隨吊籃落下時的垂直剖面圖Fig.7 Vertical section view of some neutron poison rods falling with barrel of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

本方案基于磁吸控制方式，因此除需進行控制的部件外，臨界實驗裝置主體容器和吊籃的主體材料均采用無磁性或弱磁性、耐蝕性、抗氧化性、力學性能良好的材料，如奧氏體不銹鋼、鈦合金等；臨界實驗裝置主體容器壁面材料不宜過厚，以免影響磁吸效果；臨界實驗裝置主體容器頂蓋可以采用焊接密封，防止放射性物質泄漏。

吊籃控制模塊主要由對稱布置的若干永磁體材料的強磁控制體和強磁控制協同連接件組成。為保證不同軌道內強磁控制體對吊籃位置控制的同步性和穩定性，強磁控制體用強磁控制協同連接件橫向或縱向相連，形成籠狀結構。主體容器外壁面沿縱向對稱設置若干強磁控制軌道，數量與強磁控制體相對應，吊籃控制模塊沿強磁控制軌道在裝置的上半部分空間垂直移動，并通過磁吸力的作用帶動吊籃垂直移動。吊籃控制模塊的位置可以鎖定，鎖定裝置可設置在吊籃控制模塊或強磁控制軌道上，并可以采用已有的任何鎖定結構，在設定的幾個位置上鎖定吊籃控制模塊。由于其操作僅限于垂直移動和位置鎖定，可以通過手動操作或遠程控制實現。

臨界實驗裝置內設置吊籃，由兩層或多層柵格板連接組成，柵格板開孔直徑略大于中子毒物棒下部直徑，中子毒物棒下部可以穿過柵格板的開孔并由其上部定位。可以根據中子毒物棒的準直精度要求選擇合適的柵格板間距，確保選定的中子毒物棒落入裝置下部空間時，能保持預期的排列位置精度。

臨界實驗裝置主體容器內壁面布置若干軌道，吊籃外緣設置的吊籃可磁吸部件在吊籃控制模塊磁吸控制下沿吊籃軌道在裝置的上半部分空間移動。為促進吊籃在吊籃軌道中的通暢移動，可以在吊籃可磁吸部件上設置小尺寸的滑輪或引入其他持久潤滑材料。考慮臨界實驗裝置內還在垂直方向上設置有安全棒套管、調節棒套管，吊籃的各層柵格板上可以預留合適尺寸的開孔，吊籃移動時不影響裝置的安全性能。

中子毒物棒下部直徑小于吊籃柵格板開孔直徑，頂端設有軟磁材料的毒物棒可磁吸部件，當移除分布式頂吸磁體的磁吸力時，中子毒物棒依靠重力作用落在吊籃上；中子毒物棒各段長度經過合理設計，當吊籃控制模塊移動至最高位置時，對應中子毒物棒頂部剛好接觸主體容器頂蓋下面；當吊籃控制模塊移動至最低位置時，對應選定的中子毒物棒底部剛好接觸主體容器底面，而其他未落下的中子毒物棒底部仍貫穿于吊籃的各層柵格板，即中子毒物棒始終貫穿于吊籃的各層柵格板，避免了在吊籃控制模塊控制吊籃提升時出現其他未落下的中子毒物棒不能準確進入吊籃各層柵格板的情況。

臨界實驗裝置主體容器的頂蓋上按照與吊籃各層柵格板開孔對應的位置設置頂蓋環形標志，并設置編號，滿足分布式頂吸磁體的準確定位需求。分布式頂吸磁體放置于頂蓋環形標志內，可以使用永磁體材料，通過移動一定距離實現磁吸力的移除和引入，也可以使用電磁體，通過接入電流的方式遠程控制實現磁吸力的移除和引入。

開展實驗所需的多根中子毒物棒貫穿搭載在吊籃上，通過裝置頂蓋上的相應數量的分布式頂吸磁體吸附固定在裝置頂蓋下面，在開展中子毒物棒的臨界實驗時，可根據需要移除不同數量、不同排列的分布式頂吸磁體的磁吸力，以使得選定部分中子毒物棒可隨吊籃移入主體容器下部空間。待開展完帶中子毒物棒的臨界實驗后，再控制吊籃返回主體容器上部空間，中子毒物棒重新被主體容器頂蓋的分布式頂吸磁體吸附固定在主體容器上部空間。

3 初步可行性分析

本節給出了一個磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實驗裝置設計實例。臨界實驗裝置總高度200 cm，內部凈高190 cm，內徑59 cm，壁厚0.5 cm。吊籃總長度為30 cm，設置了2層柵格板，其上沿距裝置頂蓋底面10 cm。每層柵格板上開有108 個直徑2 mm、中心距5 cm、正三角形排列的圓孔，用于搭載中子毒物棒。裝置主體容器和吊籃的主體材料采用弱磁性的奧氏體不銹鋼材料。

中子毒物下部直徑1.9 cm，長110 cm；上部直徑2.3 cm，長10 cm。臨界實驗裝置內外壁面對稱的各布置4 條軌道，用于吊籃控制模塊和吊籃的聯動運行控制，可運行的區間范圍為：最高處，吊籃上表面距裝置頂蓋底面10 cm，最多向下運行79 cm，使得選定的中子毒物棒底面接觸裝置底面，此時，未一同落下的中子毒物棒底面仍超出吊籃下表面1.0 cm，從而吊籃返回裝置上部空間時，不會出現部分中子毒物棒不能準確進入吊籃的情況。為限制吊籃控制模塊和吊籃的運行區間，在裝置內外壁面布置的軌道上下端采用物理封堵的方式進行限制。

根據目前市場上的成熟產品，單個直徑32 mm 的扁平圓片狀釹鐵硼永磁體，拉力可達32 kg，直徑25 mm 時拉力可達18 kg。而一個直徑1.9 cm、長100 cm 的鐵質實心圓柱棒，重量不足2.7 kg，在設備壁厚5 mm 左右，依靠強力磁體吸附毒物棒是完全可行的。而實際開展臨界實驗時，部分中子毒物棒采用環形的硅酸硼玻璃，其重量要輕很多。

吊籃只有外側殼體和兩層柵格板，可以最大化的減輕重量，但考慮其搭載多根中子毒物棒時，總體重量可能仍較大，可以采用多塊長條強磁體協同控制的方式，既增加了控制重量上限，又確保了控制的穩定性。即便發生吊籃意外脫落的事故工況，由于中子毒物棒都被磁吸在設備頂蓋上，不會對實驗造成影響，甚至即便同時發生吊籃意外脫落、且中子毒物棒意外的不被磁吸的情況，中子毒物棒掉落在易裂變溶液中，由于中子毒物棒對中子的吸收作用，臨界實驗裝置也不會造成臨界事故風險。

磁力控制在非接觸式傳動機械控制方面有廣泛應用，在核工程領域也在反應堆控制棒驅動機構、高溫氣冷堆過球控制器、高溫氣冷堆燃料裝卸系統磁力驅動器、加速器驅動次臨界系統靶材提升裝置等方面有成熟的應用經驗，其可靠性是能夠得到保證的。

比較而言，如果采用手套箱從裝置頂部開蓋后人工或機械遠程操作的方式，為保證中子毒物棒插入柵格板后的位置精度，柵格板開孔與中子毒物棒直徑較為接近，鑒于裝置總高度較高，連續兩次準確插入柵格板的難度很大，如果采用機械手的方式難度更大。且裝置頂部開蓋后，裝置內的殘留易裂變溶液會產生較多的放射性氣溶膠，給空氣過濾凈化和人員輻射防護也帶來了很大困難。雖然國外早期臨界實驗采用了該種方法，但隨著人們輻射防護的考慮越來越完善、要求越來越高，目前設計采用這種方法仍有較大的困難。

相較于另外一種方式，在臨界實驗裝置中預先布置足夠數量的中子毒物棒套管，不開展中子毒物棒的臨界實驗時，中子毒物棒移至套管的上部空間，在需要開展中子毒物棒的臨界實驗時，采用類似控制棒驅動機構的驅動裝置將其放下。該種方式的穩定性較高，但需要較多的驅動裝置，而且預先設置的中子毒物棒套管占用了很多的空間，會造成裝置體積增大，且裝置無法開展不含中子毒物棒套管的臨界實驗。

4 結論

本文針對含中子毒物棒的钚溶液臨界實驗裝置中子毒物系統布置和裝置密封性要求，提出了磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實驗裝置初步設計方案，在完全密封條件下無接觸的情況下，可以實現有棒、無棒、不同數量、不同材質、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置方案，避免了放射性物質泄漏出臨界實驗裝置，造成氣溶膠污染等放射性危害，有效解決了開展钚溶液帶中子毒物棒的臨界實驗時的放射性氣溶膠密封問題、變更中子毒物棒布置的精度不足等問題，相對于熱室手套箱操作、機械手遠程操作、中子毒物棒套管等方法都具有較大優勢，為開展該類實驗裝置的詳細設計提供了可行思路。