中子成像技术在元素分析中的应用

中子成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。中子成像利用中子不带电、穿透能力强、对轻元素敏感、可区分同位素和近邻元素等特性,非常适合开展含氢元素、近邻元素和同位素等材料的无损检测。通过概述中子成像技术的基本原理及特点,并结合中国先进研究堆(CARR)中子成像装置上的应用案例,重点综述了国内外中子成像技术在储氢材料、燃料电池、岩石、核燃料元件、古代文物等领域的典型应用。随着中子成像技术的不断发展和广泛应用,有望为我国更多领域研究提供更强有力的技术支撑。

小角中子散射原位热力耦合加载装置

热力耦合近工况条件下材料微观结构的原位实验研究,对于深入理解材料服役性能演化机制十分重要,可给出样品微观上的纳米结构尺度分布。为充分发挥小角中子散射统计性好、取样体积大可开展原位实验等优势,本文基于中国先进研究堆小角中子散射谱仪,设计并研制了一台高温和拉力同时加载的原位实验装置,并实现了高温高压下原位测量材料的纳米尺度形貌变化。实验测试结果表明,装置最大载荷可达20 kN,最高温度800℃,控温精度优于±1℃。利用该装置对镍基单晶高温合金样品进行了原位小角中子散射测试,发现温度拉力条件下样品内部纳米结构的明显变化,表明基于该装置可开展热力耦合加载下的原位小角中子散射实验。该装置及其相应实验方法,可用于核电不锈钢等多种高温结构材料的原位加载实验研究,提供微观结构演化数据。

中子织构谱仪原位加载装置

原位加载过程中织构演化研究对于深入理解材料在不同变形工艺及服役条件下变形方式和性能演化机制具有重要意义。本文基于中国先进研究堆(CARR)中子织构谱仪,设计并研制了一台专用原位加载装置。该装置的最大加载力为10 kN,加载速率在0.01~3 mm/min范围内连续可调,可绕中子织构谱仪欧拉环χ角在0°~90°旋转、沿装置拉伸轴进行0°~360°自转,以实现多晶材料在原位拉伸和挤压过程中微观结构和体织构实时演变测量。利用该装置对热挤压Mg-1.2Al-0.3Ca-0.47Mn(MMK1)合金原位拉伸过程中织构演化的研究发现,随着拉伸位移的增加,(0002)基面织构强度不断增加,表明该装置可实现多晶材料原位加载过程中织构演化测量。CARR中子织构谱仪原位加载装置的设计和研制,为了解多晶材料微观结构与力学性能关系,尤其是在外部载荷条件下材料结构演化的规律和机理研究提供了重要的技术支撑。

CARR重水浓缩监控系统改进与实现

为了满足中国先进研究堆(CARR)运行深层次的功能要求,对原有重水浓缩监控系统进行了升级改进,软件界面进行了重新开发设计,提供了友好的人机操作界面,在原系统中增加了“电解电源功率调节”和“通风流量”的监测通道和远程操作员站,实现了重水浓缩生产工艺的自动化控制,提高了重水浓缩的生产效率,保证了重水浓缩系统的安全性和可靠性。另外,CARR重水浓缩监控系统的改进也可为其他反应堆类似系统的实现具有借鉴意义。

可逆比热容法测量高中子注量率

目前直接测量高中子注量率一直难于实现,为了解决该问题,本文采用热分析仪器测量受中子辐照后材料可逆比热容的变化来测量高中子注量率。对中国先进研究堆(CARR)辐照孔道的高中子注量率进行了测量,所测量的中子注量率与参考值均在3%左右符合,证明可逆比热容法可直接测量高中子注量率。本文方法是对高中子注量率直接测量的有益尝试。

CARR安全棒驱动回路核级电磁阀国产化替代与验证

为了满足中国先进研究堆(CARR)运行深层次的功能要求,实现安全棒驱动回路特种电磁阀的国产化是必须和必要的,核级电磁阀的国产替代需要进行一系列相关检查和试验验证,本文对国产核级电磁阀的检查内容和试验验证进行了介绍,通过试验验证了国产核级电磁阀能够满足CARR安全棒系统使用要求,可以替代进口电磁阀。另外,CARR安全棒驱动回路中核级电磁阀实现国产化替代对其他反应堆核级电磁阀的国产化也具有借鉴意义。

中国先进研究堆(CARR)的设计特点和创新技术

中国先进研究堆(CARR)是一座多用途、高性能指标的研究堆。本文就其先进技术和设计理念的采用、系统设备的布局、运行模式的确定和应用等设计特点进行了归纳。这些设计特点,体现了CARR设计的先进性、安全性、经济性和创新性,是我国研究堆设计水平的具体体现。CARR的建成和投入运行,将成为中国原子能科学研究院的发展提供重要的科研平台。

中国先进研究堆稳态热工水力计算程序开发

针对中国先进研究堆(CARR)的具体特点开发了堆芯多通道热工水力计算程序ECARR。通过对全堆芯的数值模拟,得到了堆芯流量分配和非对称冷却条件下板状燃料元件的温度场,为进一步分析燃料元件的温差热应力等其它参数提供了所需数据。同时还对堆芯最热通道进行了热工水力计算及相应准则的判定。各参数符合CARR热工水力设计准则要求。

加速器驱动先进核能系统及其研究进展

针对现有商业反应堆核燃料利用效率低和乏燃料安全处置难等问题,中国科学院原创性地提出了加速器驱动先进核能系统(ADANES)的概念。对ADANES进行了初步物理研究,对超导直线加速器、高功率散裂靶、堆芯结构材料、乏燃料处理和新型燃料制备等进行了大规模前期计算与关键参数实验,论证了系统的可行性。目前,加速器驱动嬗变研究装置已得到“十二五”国家重大科技基础设施的支持,计划于2019年动工。

核燃料元件模拟件的中子照相无损检测

中子照相可以对具有放射性的核燃料元件进行无损检测。本文采用核燃料元件模拟件在中国先进研究堆(CARR)中子束流水平孔道利用0.1mm厚的Dy中子转换屏配合工业X射线胶片获得成像,进行中子照相无损检测的模拟研究。利用检测成像发展了核燃料元件缺陷分析、包壳氢聚含量定量测量、芯块U-235富集度定量测量等成像分析方法,为真实核燃料元件的检测打下基础。

中子散射及相关技术的发展与应用

中子的独特性质使其在揭示物质从微观、介观至宏观尺度的结构和动力学行为方面都具有不可替代性,从而使得依托于高强度中子源的中子散射技术广泛应用于物理、化学、材料、地质、生物和医学等领域,逐渐发展为一种国家大型科学平台。中国原子能科学研究院在国内最早开展中子散射研究,先后依托重水研究堆和中国先进研究堆构建了中子科学研究平台,并坚持面向国内外开放合作,开展了许多富有特色的研究工作,为我国中子散射及相关技术的开创、发展和应用推广做出了重要贡献。当前,中子应用技术迎来新发展机遇,相关研究愈加广泛而深入,将继续为探索基础科学前沿和解决能源、健康、环境、信息等领域重大问题提供重要技术支撑。

中国先进研究堆(CARR)上的中子散射工程

中子散射技术利用中子不带电、穿透力极强、能直接鉴别核素、较之 X 射线对轻元素灵敏、具有磁矩和粒子、波动二重性等特点,使之成为一种独特的、从原子和分子尺度上研究各种物质结构和微观世界运动规律的高新技术。中国先进研究堆 (CARR)上的中子散射工程将充分利用中国先进研究堆为中子散射工程提供的高通量、具有冷中子源、切向水平孔道等有利条件,建造三台新谱仪,更新原有的五台谱仪,瞄准世界先进水平,建立起研究手段基本配套、基本上覆盖中子散射研究的主要领域、强调应用又具备必要的基础研究能力的中子散射设备,为生命科学、材料科学、物理、化学、地矿、环境等各种学科及工程技术方面的研究,为国防工业和国民经济的应用提供先进的中子散射技术。其最终目标是建立起符合我国国情、其综合研究能力与世界先进水平接轨的中子散射国家重点实验室,使之成为我国二十一世纪中子散射研究和应用的中心及人才培养基地。

CARR保护系统设计

中国先进研究堆(CARR)保护系统采用数字化技术,执行反应堆的安全保护功能,包括反应堆保护和事故后监测两个子系统。本文介绍了CARR保护系统的设计以及技术特点,所采用的技术方案适合于CARR的工程应用,并达到保护系统所要求的系统可靠性和可用性。

中国先进研究堆堆芯流量分配的数值模拟

应用计算流体力学软件CFX,采用多孔介质模型对中国先进研究堆(CARR)的堆芯流量分配进行了数值模拟。计算结果为试验验证提供理论依据。

中国先进研究堆自然循环两相流动不稳定性分析

应用均相流模型对中国先进研究堆自然循环两相流动不稳定性进行数值分析计算,获得了自然循环不稳定性边界,分析了流量、压降、壁温、流体温度以及沸腾边界等参数在不稳定工况下的变化。研究结果为中国先进研究堆的安全运行和事故分析提供了重要参考。

中国先进研究堆安全设计

中国先进研究堆(CARR)是一座轻水冷却和慢化、重水反射的池内簟式研究堆。额定核功率为60MW。堆芯装载21盒燃料组件,芯体材料为U_3Si_2-Al_x弥散体,包壳材料为6061铝。CARR具有堆芯小、热流密度高和流速高等特点,使得CARR的安全设计难度很大。本文详细介绍了CARK设计中采取的安全措施,如ATWS缓解系统、足够大的主泵转动惯量、足够的自然循环能力和靠UPS供电的随堆运行的应急堆芯冷却系统等。事故分析结果表明,CARR具有很高的固有安全性,采取的安全措施是有效的。

中国先进研究堆稳态自然循环能力分析

针对中国先进研究堆(CARR)的结构和运行特点,开发了CARR自然循环能力计算程序,计算得到了不同池水温度条件下CARR自然循环能力,并分析了池水温度对CARR自然循环特性的影响:自然循环冷却剂流量随池水温度的升高而增大,但自然循环能力(带走的堆芯功率)随池水温度升高而降低。基于理论推导和程序计算结果,提出了一个适用于预测不同池水温度下CARR自然循环流量和堆芯功率的简单关系式,该关系式预测值与程序计算结果误差小于±10%。

中国先进研究堆冷中子导管的模拟研究

应用蒙特卡罗方法对中国先进研究堆(CARR)上的两条冷中子导管CNG1和CNG2的设计方案进行了模拟研究。在假定的冷中子源谱分布下,两条导管出口处的中子注量率均达到1×109cm-2·s-1以上。CNG1和CNG2的中子传输效率分别为50%和42%,中子束最大发散角分别为2 2°和1 9°。中子束沿水平方向的分布均匀,其最大起伏不超过3%。重力显著影响中子束沿垂直方向的分布。

中国先进研究堆中子散射谱仪建设现状和展望

中子具备不带电、穿透力强、可鉴别同位素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等优点,因此中子散射技术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段,在多学科交叉领域发挥着不可替代的作用。中国先进研究堆(CARR)上的中子散射工程将充分利用该研究堆为中子散射工程提供的高通量、具有冷中子源、切向水平孔道等有利条件,预计一期将分别建造高分辨中子粉末衍射仪、中子反射谱仪、应力测量衍射谱仪、中子三轴谱仪、中子小角散射谱仪、中子四圆衍射仪、中子高强度粉末谱仪、中子织构测量仪、冷中子照相谱仪和热中子照相谱仪等10台谱仪及装置。瞄准世界先进水平,建立起研究手段配套、覆盖中子散射研究的主要领域、强调应用又具备必要的基础研究能力的中子散射设备,将为生命科学、材料科学、物理、化学、地矿、环境等各种学科及工程技术方面提供先进的中子散射技术。其最终目标是建立起符合我国国情、其综合研究能力与世界先进水平接轨的中子散射国家重点实验室,使之成为我国21世纪中子散射研究和应用的中心及人才培养基地,以期为我国国防工业和国民经济建设服务。

研究堆乏燃料贮存架抗震计算

乏燃料贮存架是核设施中安全级设备,其自由放置在乏燃料水池中,对其进行抗震分析具有重要意义。针对某研究堆乏燃料贮存架的特点,采用谱分析法和简化模型-时程分析法相结合的分析方法对乏燃料贮存架进行抗震计算,克服了谱分析法和时程分析法各自缺点,提高了乏燃料贮存架抗震计算效率。计算结果表明,研究堆乏燃料贮存架具有足够的结构强度贮备,在各种工况下均能保持结构稳定性和完整性,不发生倾覆,不与池壁发生碰撞,满足相关规范要求。