泳池式轻水反应堆内电磁线圈可控温辐照装置设计

刘 磊，张金山，赵民富，张亚东，郭 玥，宋仕钊，郭志家

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

随着核动力技术的不断进步和发展，核反应堆的应用领域也在不断扩大。从最初的潜艇用核反应堆发展到水面舰艇和核电站用反应堆。目前人类还在积极探索核反应堆在其他领域的应用，如目前一些发达国家正在着手研制海底开发和空间探索及空间推进用小型核动力反应堆。这类小型反应堆具有广泛的军事应用前景和商业应用价值，引起世界各国的高度重视[1]。

小型化反应堆的结构很紧凑，驱动机构、电磁泵、发电装置等设备均位于堆芯周围，这些设备内有大量电磁线圈，因此对电磁线圈的抗辐照性能的要求很高。本文在泳池式轻水反应堆(简称泳池堆)孔道内建立电磁线圈可控温辐照装置，并选用一种电磁线制作线圈进行辐照试验。

1 泳池堆简介及辐照装置设计要求

1.1 泳池堆简介

泳池堆工作环境温度约为40 ℃，在反射层内有两种规格的垂直辐照孔道，一种为外径φ68 mm×1.5 mm(壁厚)的孔道(12根)，另一种为外径φ25 mm×1.5 mm(壁厚)的孔道(1根)。在堆外有10根垂直辐照孔道，其中7根

为外径φ125 mm×4 mm，3根为外径φ190 mm×5 mm。垂直孔道的深度为7 350 mm，孔道底面距离堆芯活性区中心为324 mm，堆芯活性区长度为500 mm。孔道布置如图1所示。

图1 堆芯孔道布置Fig.1 Arrangement of reactor core duct

辐照装置的设计依据堆外垂直4孔道进行设计，该孔道的辐照剂量列于表1。

表1 垂直4孔道的辐照剂量Table 1 Irradiation dose in vertical 4 duct

1.2 辐照装置设计要求

辐照装置设计要求如下：1) 试验装置引入的反应性变化在泳池堆的可接受范围；2) 试验装置设计必须满足泳池堆内辐照物理和热工水力要求；3) 试验装置能承受堆内流体产生的各种载荷；4) 试验装置出入堆工艺操作应简便、安全，并能承受相应操作载荷，保持其结构完整性；5) 试验装置能实现在线测量样件的电性能；6) 试验装置内能模拟样件所需的工作环境条件；7) 试验装置和辐照样件材料必须符合堆用材料的国家和行业标准要求；8) 在可能出现的频率很低的事故和预期不会发生的假想事故条件下，试验装置产生的放射性裂变产物不会对工作人员及周围居民造成超过国家规定剂量限值的放射性照射；9) 装置测量和控制电源不会对泳池堆的控制产生影响。

2 辐照装置设计

2.1 电磁线圈骨架的设计

通过对市场各类电磁线的调研，用于微型电气设备的电磁线的线径不大于φ1 mm，微型电气设备的线圈曲率半径一般不小于17 mm。在线圈骨架的设计中，电磁线圈选用不锈钢制作骨架，故电磁线圈骨架的结构设计如图2所示。

选用φ0.4 mm漆包线进行绕制制作电磁线圈，如图3所示。

2.2 辐照装置结构设计

辐照装置主要由辐照装置连接管、安装定位法兰、辐照样品支撑筒3部分组成。辐照装置主要参数列于表2，装置结构组成如图4所示，堆外垂直4通道筒体与辐照装置之间通过安装定位法兰进行绝缘，辐照样品罐内腔体与堆大厅相连，辐照样品辐照中心与堆芯活性区几何中心高度位置相同。

图2 电磁线圈骨架结构Fig.2 Structure of electromagnetic coil skeleton

1——骨架；2——线圈图3 电磁线圈示意图Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic coil

表2 辐照装置参数Table 2 Irradiation facility parameter

辐照装置采用充排氦气的方式，氦气压力为0.1 MPa。在辐照装置底筒中心的铝筒(样件放置在铝筒上)上设置有吊耳，并连接钢丝绳[2]。待试验结束后，通过直接吊钢丝绳将样件从辐照装置内取出。同时，在铝筒的中心安装加热棒。

1——辐照装置底筒；2——辐照装置铝筒中段；3——辐照装置铝筒上段图4 辐照装置结构Fig.4 Structure of irradiation facility

在辐照装置的法兰上、下端面及法兰孔内都加装橡胶垫和橡胶筒，将辐照装置与反应堆之间加装30 mm厚的硅橡胶板进行绝缘，并将辐照装置与地连接。

2.3 辐照装置检测

为验证辐照装置密封性能及直线度，对辐照装置进行了如下检测：1) 焊缝渗透检查，目视无泄漏点；2) 预装直线度检查，小于0.8；3) 气密性检查，浸水检查无泄漏；4) 0.2 MPa气压下装置变形检查，无明显变形。

检测完成后的辐照装置可进行辐照试验。本文设计的辐照装置有以下特点：1) 线圈及其骨架等引入的反应性可忽略不计；2) 辐照装置进行过0.2 MPa气压下装置变形检查，无明显变形，故能承受堆内流体产生的各种载荷；3) 通过对辐照装置的设计，能模拟辐照样品的温度、气氛等工作环境；4) 辐照装置和样品材料全部按照国家和行业标准要求进行选取；5) 在出现事故或预期不会发生的假想事故条件下，辐照装置是铝材，产生的放射性裂变产物极低，不会对工作人员及周围居民造成超过国家规定剂量限值的放射性照射；6) 进行了绝缘设计，保证辐照装置和泳池堆间的绝缘，装置测量和控制电源不会对泳池式轻水反应堆的控制产生影响。

3 辐照装置的物理-热工计算

3.1 发热功率和中子注量率计算

物理计算采用MCNP程序[3-4]，对堆内燃料组件、控制棒、堆内部件、辐照孔道、线圈骨架的结构尺寸与物质组分以及冷却剂、慢化剂、反射层等进行了精细全尺寸模拟，并对线圈骨架进行合理简化，骨架内径为34 mm、外径为37 mm，线圈紧贴骨架，内径为37 mm、外径为46 mm。单组线圈骨架高度为22 mm，12组总高度为132 mm，计算中，12组线圈骨架中心高度位于堆芯中心平面位置。

反应堆功率为3.5 MW时，线圈和骨架的发热功率列于表3。表3中，1～12组线圈和骨架从下至上排列。

表3 线圈和骨架的发热功率Table 3 Calorific power of coil and skeleton

本文计算了线圈外铝筒的发热功率，外筒高为26.4 mm、内径为62 mm、外径为68 mm。计算时只考虑线圈等高的外铝筒发热，未考虑筒底。经计算，外铝筒总的发热功率为21.4 W。同理，内铝筒和加热棒发热功率为30 W。整个辐照装置的线圈对应部分(高度264 mm)的总功率约为150 W，其中线圈以内不足130 W。

反应堆功率为3.5 MW时，每组线圈位置的中子注量率列于表4。

表4 各线圈处的剂量水平Table 4 Dose level at each coil

3.2 温度计算

电磁线圈的温度按照控温在200 ℃进行计算，同时为避免线圈在辐照过程中发生氧化，要求辐照装置内的电磁线圈的环境氛围是氦气。在计算过程中，默认是密闭的装置，氦气的流速为0。

辐照装置外为反应堆冷却水，由于总功率较小，辐照装置的壁温与水温非常接近，保守假设取50 ℃(实际反应堆运行期间，温度为40～45 ℃)。

1) 初步估算

线圈外径为46 mm，外铝筒内径为64 mm，估算中忽略骨架突出部分，则线圈和外铝筒间为9 mm的氦气气隙，传热机理主要是导热和辐射。线圈温度取为200 ℃，外铝筒内壁温取为50 ℃，则温差为150 ℃，氦气平均温度为125 ℃，对应导热系数为0.19 W/(m·℃)，因此导热功率约为168 W。

辐射传热功率受线圈和外铝筒黑度影响很大，黑度均为1时(实际不可能)约为114 W，黑度均为0.8时约为76 W，黑度均为0.5时约为38 W，黑度均较小时可忽略，即0 W。

根据以上估算，要保证线圈温度达到辐照设定温度200 ℃，黑度均按0.8计算时，线圈以内导热和辐射传热的总功率应达到244 W(随黑度不同，实际在168～282 W之间)，而实际发热功率不到130 W，因此需加热棒额外提供加热功率114 W(注意，这是在线圈对应部分，即高度264 mm的功率，不是加热棒总功率)。

2) 详细模拟校验

为获得准确的导热和辐射传热的结果，使用ANSYS CFX进行了数值模拟[5-6]。模拟中，对外铝筒、氦气间隙、线圈、骨架、内铝筒和加热棒均建立了模型，外铝筒外壁面取定壁温50 ℃，外铝筒、线圈和骨架按实际发热功率给定为内热源，内铝筒、加热棒发热功率和电加热功率统一为加热棒总功率，计算中不考虑辐射功率，辐射功率直接从加热棒总功率中扣除。根据估算，模拟中设置的加热棒总功率应为68 W。

根据上述计算条件，线圈和骨架外壁面及辐照装置剖面的温度分布如图5所示。由图5a可见，由于顶部线圈发热功率较低，温度也较低，但与其他线圈相比相差很小，线圈和骨架外壁面温度在187.2～191.2 ℃之间。后处理显示，线圈和骨架平均温度为190.3 ℃，温度分布很均匀且在要求的范围内。由图5b可见，温差集中在氦气间隙内，辐照装置各部分温度分布都很均匀。

图5 线圈和骨架外壁面(a)及辐照装置剖面(b)温度分布Fig.5 Temperature distribution of coil and skeletonouter wall (a) and irradiation facility section (b)

计算结果表明：由于缺少黑度数据，辐射传热功率难以准确预测，其他计算中也有一定的误差。在辐照试验过程中，可通过调节加热棒的加热功率或调节氦气流速补偿计算偏差，保证控制精度。

4 辐照试验

4.1 辐照试验装置

辐照试验装置主要由辐照装置、辐照装置温控系统、堆外测量点和贯穿连接管线4部分组成，布局如图6所示。

辐照装置通过安装法兰固定连接，放置于值班室内的温控系统通过数据通信线与堆内辐照装置连接[7]。

辐照装置温控系统采用温度控制器(FP93)根据可编程控制器收集加热电偶的温度，用周波器控制调功器实现控制加热系统功率控制即达到模拟件的温度控制[8-9]。

图6 辐照装置组成及空间布局Fig.6 Composition and spatial layout of irradiation facility

4.2 在线测量

在线测量的主要电性能参数为直流电阻、绝缘电阻、耐压试验等。针对本次辐照试验，在泳池堆值班室(主控大厅)设置堆外测量点，用于测试辐照样品在辐照达到一定剂量后，试验样品的绝缘结构是否发生变化或失效。堆外测量点由通信连接线连接各线圈，通过通信连接线测量各线圈绝缘性能参数[7,10]。

4.3 辐照试验结果

试验开始前，先将辐照装置内充满氦气。在装置和线圈入堆前，进行了电性能测量(直流电阻、绝缘电阻、耐压测试)。在装置和线圈整体入堆后、开堆前，再次进行了电性能测量。

辐照试验进行了10 d，每隔24 h对12个线圈分别测量直流电阻、绝缘电阻、耐压性能，辐照装置安全、稳定。

辐照试验后、出堆前，对装置和线圈进行了电性能测量。线圈、引接线等可从装置内直接吊出，不需要特殊工具进行拆解。

由于辐照装置全部使用铝材进行加工制造，在堆大厅放置数日即可人体接触，可控温辐照装置可再次使用。

在整个试验过程中，泳池堆安全、稳定地运行，未对堆上的仪表系统、电控系统、监测系统、保护系统、核测量系统等造成干扰，也未对其他孔道的辐照试验造成影响。

5 结论

本文从结构设计、热工计算、辐照剂量率计算等方面阐述了可控温辐照装置的设计，并通过辐照试验对辐照装置进行了验证，得到如下结论：1) 通过实时在线测量，辐照样品的温度为180～190 ℃之间，与实际计算值接近，在设计要求范围内；2) 可控温辐照装置满足设计要求，设计方案合理可行，能保证线圈控制在要求的范围内，可用于在泳池堆内进行辐照试验；3) 可通过调节加热棒功率和氦气流速，达到对辐照装置内线圈温度的实时控制；4) 通过在线测量，可实现对线圈的电性能进行实时测量，且辐照装置与泳池堆的绝缘良好，测量过程中不会影响泳池堆的安全运行；5) 可控温辐照装置在结构设计上易于线圈安装，便于控温装置的拆卸；6) 可控温辐照装置使用铝材加工制造，辐照试验后可重复使用。