医用同位素生产溶液堆均匀内热源模拟装置

摘要

本发明属于一种反应堆模拟装置，具体涉及一种医用同位素生产溶液堆均匀内热源模拟装置；它包括功率模拟部件和裂变气体模拟部件，其中，功率模拟部件包括加热构件和换热构件，裂变气体模拟部件包括气泡发生装置和模拟气体。本发明真实反映了反应堆中燃料溶液的功率分布，有效模拟了原型堆的功率分布，严格控制了电加热元件所占流动面积，电加热元件不会对溶液的自然对流换热造成较大影响；克服了现有技术中本实验的模拟功率高、电加热元件的截面积小的工艺难题，满足实验要求；使用氮气作为模拟气体，使得实验安全得到保障。

说明书

技术领域

本发明属于一种反应堆模拟装置，具体涉及一种医用同位素生产溶液堆均匀内热源模拟装置。

背景技术

目前，由于⁹⁹Mo、¹³¹I和⁸⁹Sr等医用放射性核素和药品应用价值巨大，市场前景广阔，许多国家如美国、俄罗斯、墨西哥等都在积极开发医用同位素生产溶液堆(Medical Isotope Production Reactor，简称MIPR)技术。截至目前，设计功率大都在50kW以下的MIPR已建成，但尚没有设计功率高达200kW的MIPR。MIPR堆芯的整体换热能力是设计建造MIPR的关键技术，是核安全分析的重要内容。对于200kW“水锅炉”型MIPR，其核裂变材料不是固体，而是均匀溶液，燃料溶液在堆芯容器内裂变所产生的热量，主要依靠溶液与换热冷却盘管外壁间的自然对流换热，辐照分解产生的氢、氧气体以不同速率聚集、脱离，扰动溶液，影响溶液中空泡(氢、氧、水蒸汽)的分布和份额。

燃料溶液的释热方式为分散式发热，与换热冷却盘管之间的传热属于具有内热源的自然对流换热，加之辐照所不断产生的氢气氧气对堆芯换热的扰动影响。以现有的实验技术要完全真实的模拟这种均匀分散式发热和自然对流换热，难度相当大。

均匀内热源模拟的难点主要集中在以下几点：

(1)现有技术如采用红外线、磁感应加热等加热方式进行实验模拟，燃料溶液发热的均匀性可以得到有效保证，但无法模拟真实反应堆中燃料溶液的功率分布，势必造成实验结果与原型真实情况之间出现较大偏差；

(2)以分散布置的电加热元件作为热源单元，按照原型功率分布进行设置；这种模拟方式的优越性在于能够有效模拟原型的功率分布，但电加热元件放入堆芯容器后将对燃料溶液与冷却盘管间的自然对流换热造成影响；因此必须严格控制电加热元件所占流动面积；而只有所有电加热元件截面积之和低于整个流动面积的3％时，电加热元件不会对溶液的自然对流换热造成较大影响，实验结果的可靠性才得到保证，现有技术难以实现该指标；

(3)由于本实验的模拟功率高达200kW，而电加热元件的截面积又不能大于整个流动面积的3％，现有技术中对于电加热元件自身的电阻丝直径、绝缘材料氧化镁粉的填充等工艺难以满足要求；

(4)核辐照所产生的氢氧气体对溶液自然对流换热的扰动影响的模拟过程中，如若采用同原型一致的氢气和氧气，可能发生爆炸，这使得实验的安全性无法得到保障；需要寻找恰当的气体，对气泡发生进行模拟，现有技术难以实现。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种可以准确模拟医用同位素生产溶液堆均匀内热源释热方式的医用同位素生产溶液堆均匀内热源模拟装置。

本发明是这样实现的：

一种医用同位素生产溶液堆均匀内热源模拟装置，它包括由加热构件和换热构件构成的功率模拟部件，以及裂变气体模拟部件；所述的加热构件包括之字a状加热元件、之字b状加热元件、圆弧状加热元件以及折线状加热元件，其中，5根之字a状元件均布在φ100mm圆周上，6根之字b状元件均布在φ217.55mm圆周上，2根圆弧状元件均布在φ284mm圆周上，20根折线状元件均布在换热区内，上述所有电热元件截面积总和占整个装置流动面积的2.8％；所述的换热构件包括20根换热冷却盘管，它们沿周向均布，每一根换热冷却盘管沿径向布置在直径为φ296～690mm的环形区域内，一根换热冷却盘管为13圈呈椭圆形的螺旋绕管，其长轴为400mm，其短轴长度随径向呈扇形增加；所述裂变气体模拟部件包括气泡发生装置和模拟气体，所述气泡发生装置包括气孔板，气孔板焊接于堆芯容器下部的筒壁上，它与堆芯容器底板之间有夹层作为预留气空间。

如上所述的气孔板与堆芯容器地板之间的夹层的厚度为15mm；在气孔板上根据溶液堆堆芯真实功率分布布置有166个φ1mm的气泡发生孔，在堆芯容器底板上周向均匀布置了7根气管，所述模拟气体为氮气。

如上所述的所有加热元件的直径均为φ3.5mm，采用220V交流电，功率可达10～20W/cm²。

本发明的显著优点是：

(1)真实反映了反应堆中燃料溶液的功率分布，避免了实验结果与原型真实情况之间出现较大偏差；

(2)以分散布置的电加热元件作为热源单元，按照原型功率分布进行设置；有效模拟了原型的功率分布，严格控制了电加热元件所占流动面积，电加热元件不会对溶液的自然对流换热造成较大影响，使得实验结果的可靠性得到保证；

(3)克服了现有技术中本实验的模拟功率高、电加热元件的截面积小的工艺难题，满足实验要求；

(4)使用氮气作为模拟气体，通过气泡发生装置，成功模拟了裂变气体对与堆芯换热的扰动影响，使得实验的安全性得到保障。

附图说明

图1为本发明所提到的一种医用同位素生产溶液堆的示意图；

图2为均匀内热源模拟装置的示意图；

图3为图2的A向视图；

图4.为电热元件侧面展开图；

图5为之字a状电热元件俯视图；

图6为之字b状电热元件俯视图；

图7为折线状电热元件布置图；

图8为圆弧状电热元件布置图；

图9为气泡发生装置结构图；

图10为图8中I的局部放大图；

图11为气孔板结构图；

1.风管，2.控制棒导管，3.顶盖，4.堆芯容器，5.换热冷却盘管，6.外筒，7.之字a状电热元件，8.之字b状电热元件，9.圆弧状电热元件，10.折线状电热元件，12.气孔板，13.堆芯容器底板，14.气泡发生孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种医用同位素生产溶液堆均匀内热源模拟装置具体实施例进行介绍：

如图1-11所示，一种医用同位素生产溶液堆均匀内热源模拟装置，它包括由加热构件和换热构件构成的功率模拟部件，以及裂变气体模拟部件；所述的加热构件包括之字a状加热元件7、之字b状加热元件8、圆弧状加热元件9以及折线状加热元件10，其中，5根之字a状元件7均布在φ100mm圆周上，6根之字b状元件8均布在φ217.55mm圆周上，2根圆弧状元件9均布在φ284mm圆周上，20根折线状元件10均布在换热区内，上述所有电热元件截面积总和占整个装置流动面积的2.8％；所述的换热构件包括20根换热冷却盘管5，它们沿周向均布，每一根换热冷却盘管5沿径向布置在直径为φ296～690mm的环形区域内，一根换热冷却盘管5为13圈呈椭圆形的螺旋绕管，其长轴为400mm，其短轴长度随径向呈扇形增加；所述裂变气体模拟部件包括气泡发生装置和模拟气体，所述气泡发生装置包括气孔板12，气孔板12焊接于堆芯容器4下部的筒壁上，它与堆芯容器底板13之间有夹层作为预留气空间。

如上所述的气孔板12与堆芯容器地板13之间的夹层的厚度为15mm；在气孔板12上根据溶液堆堆芯真实功率分布布置有166个φ1mm的气泡发生孔14，在堆芯容器底板13上周向均匀布置了7根气管，所述模拟气体为氮气。

如上所述的所有加电热元件的直径均为φ3.5mm，采用220V交流电，功率可达10～20W/cm²。

医用同位素生产溶液堆堆芯容器4为法兰式压力容器，承压0.2MPa，放在外筒6内的支架上；外筒6为封底圆筒，尺寸为φ1110(外径)×5×1400(高)mm，在其顶部设置风管1及顶盖3；堆芯容器4为封底圆筒，尺寸为φ710(外径)×5×1000(高)mm；6根贯穿控制棒导管2焊接在堆芯容器4底部，均布在φ217.55mm圆周上；控制棒导管2为φ44×2×1400(高)mm的封底管，在下端400mm处与堆芯容器4下底内、外表面焊接；控制棒导管2下端面与外筒6的底面为不承力的软接触。

为尽量降低模拟热源对原型流场的影响，所有电热元件本应越细越好。但是，过细的元件会带来额定加热功率低以及绝缘等一系列问题，难以实现满功率模拟。综合各方面因素，采用上述直径为φ3.5mm的电热元件。

本装置中，换热区布置在φ296～690mm的环行区域，将堆芯分成中央加热区和换热区，即φ296mm以内的区域为中央加热区，φ296mm以外为换热区。溶液堆堆芯真实功率按下式进行计算：

$q_i=q_t\times \frac{{\mathrm{Fr}}_i·\mathrm{Vi}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{Fr}}_i·\mathrm{Vi}}$(1)

其中，q_i分区的功率，单位为千瓦；

q_t总功率，单位为千瓦

Fr径向功率分布因子，为一无量纲数值；

V_i分区的体积，单位为立方米。

径向功率分布因子可由物理计算给出，本装置中各区功率的计算结果如表1所示。其中，加热区总功率为75.7kW，换热区总功率为124.3kW。

表1.功率径向分布表

  r(mm)  50  150  200  250  300  350  Fr  2.4  2.4  1.36  1  0.8  0.5  q_i(kW)  9.6  66.1  33.9  33.0  32.8  24.6

所述所有电热元件主要参数如表2所示。

表2.电加热元件主要参数

  形状  之字a状  之字b状  圆弧状  折线状

  长度，m  6  6  6  6  直径，mm  3.5  3.5  3.5  3.5  数量  5  6  2  20  功率，kW  6  6  6  6  表面热流密度，kW/m²  90.94  90.94  90.94  90.94