高通量工程试验堆辐照试验能力和辐照试验技术

高通量工程试验堆(HFETR)作为我国在役运行功率最高的研究堆,是我国进行各种反应堆燃料和材料辐照性能研究的重要工具和平台。HFETR以动力堆燃料和材料的辐照研究为主,同时兼顾同位素生产等其他任务。HFETR辐照试验能力与其结构相关,包含静态容器辐照试验、仪表化辐照试验和回路辐照试验三种辐照试验形式。HFETR具有与各种辐照试验匹配的成熟的和应用经验丰富的辐照装置设计、辐照参数控制以及复合辐照环境控制等辐照试验技术。大量的材料和燃料辐照试验结果表明,HFETR现有的辐照试验技术能够完全实现受试件的辐照指标要求,并同时确保辐照试验开展以及反应堆运行的安全。     

CENTER燃料组件堆内辐照考验燃耗计算研究

为验证中国工程试验堆（CENTER）燃料组件设计，在燃料组件正式定型前需开展组件辐照考验，CENTER燃料组件在高通量工程试验堆（HFETR）内采用随堆辐照方式进行辐照考验。根据CENTER燃料组件特点，开展了HFETR辐照考验CENTER燃料组件燃耗计算方法研究，确定了CENTER燃料组件辐照考验堆芯物理计算采用镶嵌耦合方法。结果表明，燃料组件平均燃耗计算值与测量值偏差为3.25%，满足辐照考验要求。      

基于HFETR的快堆燃料短棒辐照试验方案设计与分析

综合考虑辐照试验指标与燃料试验安全、高通量工程试验堆（HFETR）运行要求、试验段压差波动等因素,基于HFETR开展了快堆燃料短棒辐照试验方案设计与分析,确定了铅铋合金层厚度、冷却水流道结构、阻力塞结构、冷却水流量等关键参数,获得了热棒包壳最高温度为(490±60)℃的高线功率密度辐照试验方案。试验结果表明,热棒最大线功率密度为68~85 kW/m时,包壳与燃料芯体温度满足辐照试验要求且留有余量;在200~300 kPa堆芯压差范围内,相同压差下试验段流量的计算流体力学（CFX）计算值比试验值偏小9% ~11%;试验段外侧窄缝流道的流量份额为7.3%,显著低于该流道的流通面积份额,满足线功率密度为85 kW/m时燃料短棒的冷却要求。本文提出的辐照试验方案可为快堆燃料棒的高线功率密度辐照试验提供参考。      

模块式套管型随堆辐照考验装置的研制

为进行材料在高γ释热区的辐照考验,研制了模块式套管型随堆辐照考验装置(MTIR)。该随堆辐照考验装置具有辐照温度测量和调节功能,在高γ释热率条件下能够对试验段进行强化冷却。堆内验证试验表明,该装置能够实现材料样品的辐照考验指标,可使高通量工程试验堆(HFETR)内层辐照孔道得到有效利用,缩短材料堆内辐照试验周期,提高HFETR辐照能力。     

多层套管型燃料组件辐照考验装置热工优化设计

利用三维数值模拟软件ANSYS/CFX建立多层套管型燃料组件的数值模型,对多层套管型燃料组件辐照装置进行优化分析。将优化后的燃料组件辐照装置放入高通量工程试验堆(HFETR)进行带核试验,试验数据表明,燃料组件辐照考验装置优化后,其测量值能够代表燃料组件的真实辐照数据。     

功率跃增辐照装置氦屏结构优化

采用蒙特卡罗(MCNP)程序对置于高通量工程试验堆(HFETR)中的功率跃增辐照考验装置进行物理计算,并采用多优化目标加权评分方法评价不同氦屏结构设计的优劣度。研究结果表明,保持氦屏内侧位置不变时,氦屏气体层的厚度越大,燃料芯块的功率越低;氦屏气体层厚度为2~5 mm时,燃料功率变化范围满足要求,厚度为3~4 mm时较佳。氦屏气体层为3 mm时,氦屏与燃料棒的距离越远,其对燃料芯块处热中子注量率的削减效果越小,对燃料棒功率的控制能力越差,试验时的正反应性引入量呈增大趋势。对于典型装载的HFETR堆芯,处于燃料区域边缘的功率跃增辐照装置,氦屏厚度为3 mm、氦屏内侧冷却水流道宽度为2 mm时的结构为优劣度评分最高的优化氦屏结构。     

HFETR元件中孔的辐照利用

高通量工程试验堆(HFETR)内的燃料元件中孔有较高的利用价值。在这些孔道内进行同位素生产和材料辐照考验有很大潜力。本文讨论了元件中孔的利用。并介绍了辐照靶件的设计原则、设计程序,结构特点及型式。     

燃料试样堆内辐照温度设计与实验研究

为使燃料尽可能在最恶劣设计工况下进行辐照实验，开展基于高通量工程试验堆（HFETR）的燃料试样堆内辐照温度设计与实验研究。按照铀装量设计燃料试样在辐照装置内的位置，能够改善轴向燃料试样热流密度的不均匀性。HFETR主冷却剂低温状态下，在燃料试样外包覆液态铅铋合金和不锈钢能够实现燃料芯体及燃料包壳的高辐照温度指标。设计和实验结果表明，稳态和短期瞬态运行工况下，不锈钢盒表面辐照温度始终低于HFETR燃料元件包壳表面最高温度限值，满足反应堆运行和燃料辐照实验安全要求。为提高稳态运行工况下燃料试样的辐照温度，堆芯设计时应避免或降低由于反应性扰动造成的辐照装置内燃料试样短期瞬态功率影响，减小辐照孔道内燃料试样的热点因子。      

小批量国产自主化燃料组件入堆辐照策略研究

为实现第三代中国燃料组件（CF3）的小批量应用，研究了方家山核电厂2号机组第4循环到第7循环的燃料管理策略。在综合考虑核电厂运行经济性、安全性和CF3小批量应用的辐照考验要求的基础上，完成了CF3小批量辐照的燃料管理方案。为了进一步提高CF3的最大卸料燃耗，进行了燃耗达到55000?MW·d/t(U)的可行性分析。研究表明，CF3小批量辐照的燃料管理方案满足核电厂运行的安全性和经济性，达到了CF3小批量应用的辐照考验要求，如果后续调整该燃料管理方案的第3循环的堆芯装载，可以实现CF3的燃耗达到55000?MW·d/t(U)。      

高通量工程试验堆(HFETR)材料辐照中子注量率计算方法验证

材料辐照考验是高通量工程试验堆(HFETR)的主要任务之一,辐照孔道内样品中子注量率的准确计算是进行材料辐照试验的前提。介绍了HFETR材料辐照中子注量率计算的方法,并利用P15孔道材料辐照的计算值与实测值进行对比,对比结果显示,计算值与实测值偏差为7.14%,满足材料辐照考验的预示计算要求。     

研究试验堆堆芯最佳倒料原理及其应用

本文根据堆芯倒料的基本关系式,提出了不同燃耗深度燃料元件堆芯的最佳倒料原理和由这一原理得出的几点结论。给出了不同倒料方式的计算公式,编制了计算程序并对高通量工程试验堆(HFETR)典型堆芯装载的不同倒料方式作了计算。应用文中提出的堆芯燃料元件耗用指标,分析了HFETR十年来24炉运行的堆芯燃料管理工作。结果表明,应用最佳倒料原理可大量节省燃料元件。本文还讨论了HFETR堆芯燃料管理研究的方向。     

3He辐照考验装置反应性引入事故分析

在高通量工程试验堆（HFETR）中，3He回路内气体压力变化会向反应堆引入反应性，进而影响到HFETR的运行安全。本文利用蒙特卡罗（MCNP）程序计算了3He辐照考验装置反应性变化速率，并利用RELAP5程序对3He屏失压与HFETR 1根控制棒失控提出叠加事故进行了分析。结果表明，正常工况下，3He回路辐照试验不影响HFETR 正常运行；3He屏失压事故与HFETR事故工况叠加不会影响HFETR安全。      

压水堆燃料组件辐照考验技术研究

燃料组件在反应堆内的辐照考验是压水堆燃料组件研制过程最重要的环节。对辐照考验方案的技术要求、辐照后检查要求等进行研究,提出需要重点分析的事项。辐照考验燃料组件的运行取得了良好的效果,表明辐照方案和考验要求是合理的,对后续其他燃料组件辐照有很好的借鉴作用。     

HFETR氙毒效应计算分析

使用数值方法并通过程序的改进完善,在高通量工程试验堆(HFETR)某炉次装载方案的基础上进行不同工况下的氙毒效应计算研究,得到HFETR以不同功率运行相同积分功率、以不同功率运行不同积分功率后紧急停堆的氙毒效应曲线。结果表明理论计算与HFETR实际运行工况相符,对HFETR安全运行具有指导意义,本文计算研究结果已成功应用到HFETR实际运行中。     

高通量工程试验堆换料方式研究

本文通过对 HFETR 小装载时加深元件燃耗的研究,提出了局部加料和倒料的方法。通过比较计算可选择出较佳的加料、倒料方案。第一、二炉运行实践表明,这种方法对进行元件燃耗特性的研究和提高燃料利用的经济性都是有益的。     

HFETR 80盒元件堆芯的研究

从理论分析和运行结果比较了高通量工程试验堆(HFETR)80盒、60盒燃料元件堆芯的性能。结果表明,HFETR 80盒元件堆芯在允许功率、材料辐照和单晶硅掺杂、钼-锝同位素生产等方面与60盒元件堆芯性能相同。80盒元件堆芯更有利于500kW试验回路入堆后堆的运行,有利于大幅度提高高比度~(60)Co医疗源产量和元件利用率。和60盒元件堆芯实     

HFETR运行寿期和燃料元件装载量优化研究

文章建立了中子转换比与运行寿期之间关系的分析模型,设计出不同运行寿期的实际堆芯并进行计算,研究了⁶⁰Co产量和中子转换比随高通量工程试验堆（HFETR）运行寿期的变化规律。同时,通过对新燃料元件堆芯的研究找出燃料元件装载量对⁶⁰Co产量和中子转换比的影响,采用点堆模型分析平衡堆芯下HFETR的燃料元件装载量。该优化研究的目的在于为HFETR堆芯装载和运行方式优化提供参考以提高其运行的经济性。结果表明,HFETR运行寿期设计为25 d较佳,在此寿期下的平衡堆芯燃料元件理想装载量为70盒。     

HFETR 80盒元件堆芯的研究(英文)

从理论分析和运行结果比较了高通量工程试验堆(HFETR)80盒、60盒燃料元件堆芯的性能。结果表明,HFETR 80盒元件堆芯在允许功率、材料辐照和单晶硅掺杂、钼-锝同位素生产等方面与60盒元件堆芯性能相同。80盒元件堆芯更有利于500kW试验回路入堆后堆的运行,有利于大幅度提高高比度~(60)Co医疗源产量和元件利用率。和60盒元件堆芯实际生产情况相比,HFETR 80盒元件堆芯每年的~(60)Co同位素效益增加380万元以上。     

高通量工程试验反应堆连续辐照短寿命同位素的试验研究

利用高通量工程试验反应堆(HFETR)栅元,安装φ63压力管,管内注满无离子水,MoO_3辐照装置放入压力管内进行短寿命同位素的生产,这是HFETR综合利用的又一新的领域。本文以MoO_3的辐照为例,综述了连续进行~(99m)Mo-~(99m)Tc同位素生产的辐照试验,包括装置型式、试验结果及生产能力等。     

HFETR热点工程因子修订及分析

对1979年整理的高通量工程试验堆(HFETR)燃料元件工程因子进行修订,分析其对燃料元件最高壁温及反应堆安全的运行运行功率的影响。从分析结果可以看出,修订后的热管、热点工程因子所带来的附加温升减小,HFETR堆芯的安全允许运行功率可以提高,从而可以提高HFETR的经济性。