一个拟建的反应堆冷中子源

为促进中子散射技术在我国的进一步发展,将在一座研究堆上建立一套中子散射实验装置。作为该实验装置的重要组成部分——冷中子源主要包括氢回路系统和氦制冷系统,其中氢回路系统采用单相液氢慢化剂、垂直自然循环的技术模式,这种氢回路具有很好的工作性能和安全特性。氦制冷系统提供的低温氦气在换热器中将冷中子源的全部热载荷带走。本文介绍了反应堆冷中子源的基本原理与布局,详细说明了其主要技术参数。

冷中子导管模拟和参数优化计算

根据冷中子源及后续中子导管的布局参数,采用蒙特卡罗方法模拟计算了冷中子导管C3出口处中子束均匀性、准直性及注量率等数据。优化表明:a)冷源与后续导管入口间距离应尽可能短;b)中子注量率及发散度均随导管超镜因子m值增大,m值由1.5增至3.0,其Y方向发散度增大24%,注量率提高61%;c)垂直于导管弯曲面方向的发散可以用高斯分布来描述,而导管偏转方向则呈条纹状发散;d)在m=1.5、冷源与堆内导管入口距离为2.29m情况下,束流垂直发散宽度为0.86°,中子注量率为2.44×107cm–2·s–1。

中国反应堆冷中子源现状与展望

本文指出我国处于国防科学发展的关键时期 ,介绍了冷中子源系统在反应堆工程和物质科学研究中的特殊作用 ,分析了俄罗斯等国冷中子源系统的特点 ,提出了关于方案选择的一些考虑 ,介绍了我国反应堆冷中子源现状以及中国科学院在我国国防科学中的作用。

冷中子源中氢系统的纵深防御设计

反应堆冷中子源装置的安全性包括核安全、辐射安全和氢安全,其中氢安全是最复杂的一方面。冷中子源氢系统一般采取纵深防御的安全设计方法,即通过多重屏障的技术措施尽可能杜绝氢和空气(氧气)直接接触的可能性。本文详细描述了一座建设中的反应堆冷中子源氢系统的纵深防御安全设计特点,这种安全设计可以确保冷中子源的氢安全性。

中国先进研究堆(CARR)冷中子源装置设计

对中国在建的核功率为60 MW的中国先进研究堆中冷中子源系统的设计作了总体描述。该冷中子源采用液氢作为慢化剂,主要由两个分系统氢循环系统和氦制冷系统构成。氢循环系统中的冷包设计为带氦助冷通道的液氢层为月牙形的冷包。氢在连接冷包与氢氦换热器的单管内进行两相热虹吸循环。冷包材料和慢化剂氢的核发热通过氦制冷系统产生的冷氦带走,氦制冷系统采用带液氮预冷的逆布雷顿制冷循环。

低温冷箱跑冷损失及其对内部换热器温度分布的影响

以中国先进研究堆(CARR)的冷中子源项目为背景,建立了低温换热器与冷箱换热的物理模型,并通过对换热器内部冷热流体之间的传热以及换热器与冷箱、管道、支架之间辐射换热的耦合计算,得出冷箱和换热器的辐射热流密度,以及辐射跑冷对冷箱内部换热器温度分布的影响。辐射跑冷导致换热器温度变化最高达4 K。采用铝箔包裹换热器和管道的隔热方法,可以大幅度减小辐射跑冷量。计算表明,运用该方法后辐射对换热器温度的影响最大不超过0.4 K,结果能够满足使用要求。

中国先进研究堆冷中子源两相虹吸氢系统的概念设计及可行性试验

提出了中国先进研究堆冷中子源氢系统的概念设计方案,并进行了可行性试验。针对概念设计中采用的两相虹吸氢回路系统,使用氟里昂113进行了1:1的模化试验研究,确定了中子慢化室含气率、热虹吸系统循环能力及各部件的初步结构形式和尺寸。还进行了气泡在不同液体中上升速度的试验研究,以决定密度、粘度及表面张力等物性对气泡上升速度、含气率、系统循环能力的影响,分析得到模化关系,以便将氟里昂模化试验的结果应用于中国先进研究堆(CARR)堆冷中子源氢系统的设计。

冷中子源中子学计算

冷中子源是将热中子慢化成冷中子的实验装置。以蒙特卡罗的三维输运计算程序为基础,使用基于微观中子核反应截面数据(ENDF-BV)库的连续点截面,将堆芯和冷中子源堆内结构结合在一起,建立起完整的蒙特卡罗程序(MCNP)计算模型,完成了冷中子源中子物理学计算。

中子三轴谱仪输入谱模拟与优化计算

根据冷中子源及其后续中子导管的布局与参数,采用蒙特卡罗方法模拟计算了中子三轴谱仪的输入谱,获得了中子束均匀性、发散度及注量率等参数。模拟结果表明:冷源与导管人口间距离L不宜小于0.1m,在距离为0.5m时导管出口处注量率达到最大3.96×10~8cm^(-2)s^(-1);中子注量率及发散度均随导管超镜因子m增大而增大,m值由1.5增大到3后,其水平方向的发散度几乎不变,垂直方向最大发散度增大约87.7%,注量率增大25%;垂直方向和水平方向的发散均可以用高斯分布来描述,但水平方向的发散伴有离散峰;在m为1.5,L为2 m情况下,束流水平和垂直方向的最大发散度分别为0.85°和0.81°,中子注量率为2.86×10~8cm^(-2)s^(-1);得到了针对三轴谱仪的导管优化参数。

冷源真空筒氢爆过程实验研究

冷源真空筒内发生氢气-空气混合气体爆炸对真空筒结构完整性构成最大威胁,研究全尺寸模拟件的氢爆过程实验,得到各种工况下真空筒内氢爆炸产生的压力变化。实验结果表明理想配比的氢-空气在真空筒内只会发生气体爆燃现象,最大超压为350kPa。据此计算得到真空筒的von Mises等效应力及各主应力都远低于材料弹性极限,表明即使冷源装置发生最大破坏性的氢爆事故,真空筒仍能保持其结构完整性,不会危及到反应堆结构物安全性。

用于冷中子源系统的氦制冷循环方案分析

为向冷中子源装置氢系统提供17.5 K的低温冷源,设计了逆布雷顿循环的液氮预冷模式和4种膨胀机预冷模式,并对这5种循环模式进行热力分析和分析,获得了各循环模式下的主要热力参数并分析比较了各自的热力性质.结果表明:带液氮预冷和前置式并联膨胀机预冷2种模式的热力性能最好,效率最高;对于膨胀机预冷循环,并联模式优于串联模式,前置式优于后置式.循环系统损失部位主要在压缩机、膨胀机和换热器,减小这3部分损失的途径有以下方面:改善循环,减小系统氦的质量流量;提高压缩机的等温效率、膨胀机的等熵效率;改善换热器的内部温度、温差、压力分布及物流分配.本研究为中国先进研究堆冷中子源氦制冷系统的设计提供了数值基础.

冷中子源逆布雷顿循环氦制冷机性能分析和优化

运用能量守恒和火用分析方法,对冷中子源氦制冷逆布雷顿循环过程进行热力分析和火用分析.找出了系统火用效率和各部件火用损失随着压缩机压比、膨胀机等熵效率、跑冷量、换热器冷热流体平均温差变化的规律,并提出减小循环跑冷量、换热器内冷热流体温差,以及提高压缩机压比、膨胀机等熵效率、物料分配均匀度以提高循环性能和系统火用效率的措施.基于换热器内部冷热流体温差分布对循环性能影响的分析,设计了膨胀机预冷循环方案,该方案的火用效率相对于基本循环提高了24%.

冷中子源低温真空冷箱应力场分析及结构设计

为了减小真空冷箱在低温工作状态下受到的大气压力、设备重力以及内部管道因降温收缩而产生的热应力的复合作用,运用ANSYS有限元分析软件模拟冷箱和管道的应力场及变形.结果表明:管道的热应力随管道直径、相对弯曲度的增大而增大;冷箱最大变形发生在上法兰中间区域,应力集中在冷箱壁与加强筋相交区域.根据计算的结果,针对性地提出了适当减小管道直径和相对弯曲度以及增设加强筋和加固壁的改进方案.改进后的计算结果表明,冷箱的最大变形值由9.7mm减小到1.3 mm,应力和变形分布趋于平缓,达到了优化设计的效果.本研究为冷中子源氦制冷系统的设计,提高系统工作的稳定性和可靠性提供了技术参考.

中国先进研究堆冷中子源核发热和冷中子增益研究

为准确计算和研究中国先进研究堆(CARR)冷中子源装置氢系统的核发热和冷中子增益,建立了一整套计算方法。对参考堆的验证计算证明了该方法的正确性和有效性。对影响CARR冷中子源核发热和冷中子增益的各种因素(如慢化剂、冷包材料、冷包形状等)进行了计算和优化选择。结果表明:在核发热量较小的条件下获得了较好的冷中子增益。

H_2/O_2爆燃波在冷源真空筒内的传播

若反应堆冷中子源真空筒热交换器中H2冷却剂泄漏与空气混合时,H2与O2发生爆炸,其冲击波将对真空筒完整性构成威胁。采用全尺寸模拟件进行实验,研究爆燃波对真空筒的冲击程度。比较在不同当量比和初压H2/O2混合物,在模拟件内点火引发爆燃,采用压力、火焰测量和数据采集系统,测量各测点的火焰及压力时间曲线。结果表明,低初压和化学当量比两种工况产生的冲击波和火焰均可通过真空筒点火端经狭缝进入到另一端,并形成强爆燃。对富油(即H2过剩)工况,管道只产生低速燃烧,无冲击波特征。

氦制冷系统方案的热力学分析

通过对冷中子源系统中采用逆布雷敦循环的氦制冷循环的改进设计分析,分别对带膨胀机预冷的4种流程结构进行了热力学的能量和(火用)分析。综合在膨胀机并联流程中对一级膨胀量的优化设计和在串联流程中对压缩机出日压力的优化设计结果,寻找出配合冷中于源系统的氦制冷站的最优设计结构。

CARR冷中子源物理方案研究

冷中子源是中国先进研究堆(CARR)作为应用平台开展中子散射实验的重要系统。本文建立了可开展冷中子源装置氢系统物理方案研究的计算程序和方法。对影响核发热和冷中子增益的多种因素进行了计算和优化选择,确定了氢系统物理方案。分析结果表明:符合CARR冷中子源自身特点且在国际上具有创新意义的月牙形冷包结构,在核发热量较小的条件下获得了较好的冷中子增益。

研究堆冷中子源系统封闭热虹吸回路的自调节特性研究

冷中子源(CNS)系统封闭热虹吸回路满足某些确切的条件时,在热负荷波动条件下会表现出自调节的特性。本文以非平衡热力学为基础,通过对回路的理论处理,导出了理想的封闭热虹吸回路的动力学方程,并讨论了保持冷包内液面稳定的确切条件。

冷中子源氢热虹吸系统传热极限研究

提出了一个简便的计算方法,用以确定冷中子源氢热虹吸管的尺寸。计算结果表明:当热虹吸管的外管内径为54mm、内管内径为21mm时,传热极限为3kW。

反应堆冷中子源的调试运行

冷中子源装置利用14.5 K的低温氦气作为制冷剂。通过制冷系统的不停运转,将冷源氢系统内的氢液化。液态的氢充满着整个堆内部件系统的慢化剂室,使得其周围的热中子与液氢慢化剂进行能量交换,变为冷中子,再通过中子导管将冷中子输送到散射大厅各台谱仪上。冷源装置所有子系统调试运行的成功是获得冷中子的基础。在冷源调试中,氦制冷系统调试运行最为繁琐。着重介绍氦制冷系统在调试过程中遇到的问题及解决措施。