解决高功率下水锅炉溶液核反应堆功率波动的方法

摘要

本发明公开了解决高功率下“水锅炉”溶液核反应堆功率波动的方法，涉及堆功率>100kW、堆功率密度为2.0～2.5kW/L的“水锅炉”溶液反应堆，包括有内装高浓铀UO2(NO3)2溶液的堆芯容器，容器气腔与堆芯气回路连通，溶液内有控制棒、冷却管，堆芯容器周围布有中子反射层，堆芯容器及中子反射层浸没在堆水池里，堆水池和装有堆芯气回路的堆小室用第二道密封屏障将其与堆厅隔离；对这种溶液堆，克服其在高功率运行产生功率波动的措施是：加大冷却管冷却面积；将冷却管布置在溶液低功率密度区；设置堆芯容器气腔及堆芯气回路为正压，可减少堆芯容器产生气泡的体积量，有效扼制溶液气泡逸出对反应性的影响，保障堆在高功率下稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及“水锅炉”溶液核反应堆技术，具体是涉及一种解决高功率下

“水锅炉”溶液核反应堆功率波动的技术方法。

背景技术

以均匀铀盐水溶液作为核燃料的核反应堆，又称“水锅炉”溶液核反应堆，其特点是燃料溶液在核反应工况下，通过自然对流方式(也包括气流上升扰动)将裂变热传给冷却管和冷却壁。

1943年世界上最早提出了“水锅炉”核反应堆的概念。1944年12月建成了带功率运行的Hypo堆，它是在Lopo堆的基础上把作为燃料的硫酸铀酰水溶液改换为硝酸铀酰水溶液，将功率提高到1.0～5.5kW。为解决氮流失和氢氧复合水的回堆问题，于1950年将Hypo堆改建成Supo堆，使堆功率最高达到了45kW，燃料溶液仍为硝酸铀酰水溶液。在该堆上建立了密闭气回路，通过催化床将氢气和氧气复合成水，冷凝后回堆，把放射性气体、氮、氧化氮都密封在气回路中，将U-235富集度由14.5％改成88.7％，大大减少了由硝酸分解产生的气体。

其后，北美航空公司在美国建了两座50kW溶液堆，并向日本等国提供了Model L-54型定型的50kW溶液堆。

到目前为止，绝大多数溶液堆都停止了运行或退役。原因是这些堆主要用于中子活化分析、中子照相以及各种研究工作。更重要的原因是由于固体燃料研究堆的开发成功，能够提供更高的功率水平和中子注量率水平，使固体燃料研究堆逐渐的替代了溶液堆。

上世纪九十年代，由于世界各国绝大多数研究堆均已老化，尤其是用于医用同位素生产的加拿大两座研究堆的老化，直接影响到依赖加拿大供应医用同位素的美国。面临今后医用同位素的来源问题，美国首先提出了医用同位素生产堆(MIPR)的概念设计，为溶液堆的重新开发利用创造了有利时机。

根据世界上对医用同位素的需求量，50kW溶液堆是很难满足医用同位素需求的，而建造多个堆同时运行既不经济(建造及运行费)也难于管理。美国的波尔提出了200kW医用同位素生产堆(MIPR)的概念设计。这种设计是将堆容器放在堆水池内(即水为反射层)，同位素提取装置也放在水池内，这就要求反应堆必需要在高功率下运行。

我国台湾于1982年建成了100kW“水锅炉”溶液反应堆(WBR)，由于运行期间，出现了堆功率震荡而导致该堆不能稳定运行，已于1991年退役。

世界上除了台湾退役的100kW“水锅炉”溶液反应堆(WBR)外，就没有堆功率大于50kW的在建、已建和运行的“水锅炉”溶液反应堆。唯有台湾的“水锅炉”溶液堆(WBR)，为建造百仟瓦级的生产医用同位素的“水锅炉”溶液堆，提供了唯一可贵的设计、建造与运行的经验教训。

我们准备建造200kW高浓铀水锅炉溶液堆，生产钼-99、碘-131以及锶-89等医用同位素。台湾的WBR堆是前车之鉴，必须弄清楚引起WBR堆功率振荡的原因，找出解决办法，才能为成功建造200kW高浓铀“水锅炉”溶液堆铺平道路。

文献1“水锅炉反应堆的退役”(The decommissioning of the water boiler reactor——Atomic Energy Council,Taiwan,China；Shin Chang,Shen-Yu Lai)，提供了WBR堆水冷却管的直径为0.95cm,由该管形成的大盘水冷管的直径约为30cm，大盘水冷管共有10圈，布置在中子通量的较高区域，其堆芯溶液温度接近水的饱和温度。

而俄罗斯20kW的“Argus”水溶液堆,其水冷却管的直径为1.0cm，形成的大盘水冷管的直径为27cm～28cm，大盘水冷管共有10圈，布置在靠近堆芯容器壁的中子通量的最低区域处。

比较这两个堆，堆芯容器中的水冷却管的传热面积相当，而堆功率相差很大，显然100kW的WBR堆其冷却能力太弱，结果必然导致堆芯溶液温度接近水的饱和温度，在这种工况运行的堆芯水溶液燃料，会形成大量的(气+汽)泡逸出扰动液位的波动。

比较“Argus”堆和WBR堆，前者堆冷却管布置在中子通量最低处，后者堆冷却管布置在中子的高通量处，依据相同的(气+汽)泡量(堆芯吸收体)对核反应性的影响是中子通量的平方关系，对于具有相同(气+汽)泡量逸出的“Argus”堆，其(气+汽)泡主要集中在中子通量最低处，对核反应性影响较小；而对于有相同(气+汽)泡量逸出的WBR堆，其(气+汽)泡主要集中在中子的高通量处，对核反应性影响较大，致使功率波动很大，成为溶液堆不能稳定运行的重要原因。因此，相比“Argus”堆，WBR堆的冷却管传热面积太小，很难带出100kW的热量。WBR堆的冷却管又布置在中子的高通量区，溶液的(气+汽)泡产生逸出率很高，剧烈地扰动液位，致使堆功率波动无法控制。

文献2“溶液堆中由辐解气泡和热膨胀所致体积变化估算模型”(国外核动力,2011年第1期,作者：F.J.SOUTO,A.S.HEGER)认为：“溶液堆在裂变过程会产生辐解气体分子，主要是氢气分子。伴随氢气产生相应量的氧，以及过氧化氢或氧气。溶液堆中的氢气量取决于裂变速率和燃料溶液中的铀浓度。用均匀水溶液反应堆生产同位素，由于溶液中辐解气泡的形成和热膨胀所致燃料溶液体积变化对反应性的影响，必须加以缓解，以允许溶液堆的稳定运行”。

文献3“医用同位素生产堆运行中产生辐解气体的空泡效应分析”(NUCLEAR SCIENCE AND ENGINEERING，2005,150、322-335)认为：“辐解气体气泡的迁移和最终从燃料溶液中逃脱可能会引起堆功率的波动”。

文献2和文献3提出的辐解气泡对堆功率波动的影响，是指辐解出的气泡体积量对堆功率波动的影响。

因此，建造水溶液反应堆生产医用同位素，解决辐解气体产生的气泡效应对堆功率波动的影响是关键，特别是对建造百仟瓦级的生产医用同位素的“水锅炉”溶液堆，尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于：提供解决高功率下“水锅炉”溶液核反应堆功率波动的方法。

本发明方法是施实在下述“水锅炉”溶液核反应堆上，它具有的堆功率>100kW、堆功率密度为2.0～2.5kW/L，包括有下述基本结构：采用平底或碟底圆柱型封闭的竖装不锈钢堆芯容器，在容器内装有体积为50L～100L的高浓铀UO₂(NO₃)₂溶液作为核燃料，燃料溶液上面的容器腔体部分为气腔；堆芯溶液分内外两区，堆芯溶液内区设置3～6根控制棒导管内装控制棒，堆芯溶液外区布置冷却管；堆芯容器底部设置堆底中子反射层，在对应燃料溶液的堆芯容器壁外侧设置堆侧中子反射层，堆底中子反射层下面为堆芯容器支撑；燃料溶液上面的堆芯气腔连通堆芯容器外面的堆芯气回路，该气回路由气体预热器、氢氧复合器、气水分离器、鼓风机串接组成；除堆芯容器外面的堆芯气回路外，其余包括整个堆芯容器、堆侧中子反射层、堆底中子反射层和下面的堆芯容器支撑都浸没在堆水池里；在堆水池外面设置堆厅；

解决本发明高功率下“水锅炉”溶液核反应堆功率波动的方法，采取下述技术措施：

1、加大冷却管的冷却面积提高溶液的过冷度，减少(气+汽)泡逸出；针对“Argus”堆冷却盘管的面积，本案的“水锅炉”溶液反应堆，将堆芯溶液外区布置的冷却管面积，设计到≥3.5m²，即是“Argus”堆冷却盘管面积十倍以上。

2、对本案“水锅炉”溶液反应堆，将堆芯溶液外区的冷却管，布置在堆芯溶液的低功率密度区。

3、拋弃此前装置的堆芯容器气腔为负压、堆厅为微负压的设计，本案采用堆芯容器气腔为正压设计，减少堆芯容器产生气泡的体积量，即减少气泡在堆芯溶液中的体积分额，以减少气泡体积量对反应性的影响。

目前水锅炉型溶液反应堆，其堆芯容器气腔气压都为负压、堆厅为微负压，这是因为该堆型都是两道密封屏障：由堆芯容器与气回路构成第一道密封屏障，由堆厅密封构成第二道密封屏障。如此结构的密封能够有效保障：当第一道密封有一定程度破坏时，堆厅的气体向第一道密封内泄漏，放射性气体不会进入堆厅，因而避免了放射性气体对环境的污染。

本发明为减少堆芯容器产生气泡的体积量，减少气泡对反应性的影响，堆芯容器气腔必须采用正压设计，其保障措施是采用三道密封屏障：

由堆芯容器和外面串联的气回路构成溶液堆的第一道密封屏障，堆芯容器气腔和堆芯气回路的气压为正压；将堆水池和上面装有堆芯气回路的堆小室用一道密封屏障将其与堆厅隔离，构成溶液堆的第二道密封屏障，该密封屏障内堆小室的气压为负压；堆厅构成溶液堆的第三道密封屏障，堆厅气压为微负压。由这三道密封屏障保障了堆厅外面环境的安全；而堆芯气腔和堆芯气回路的正压，大大扼制了堆芯溶液逸出的大量(气+汽)泡体积量对反应性的影响。

4、实施第一道密封屏障内气回路的气压为正压,采用设置在堆厅内的薄膜压缩机向气回路加压来实现，确保堆芯气腔内的气压为正压，扼制溶液逸出的大量(气+汽)泡体积量对反应性的影响；实施第二道密封屏障内堆小室的气压为负压，采用真空抽气机组抽气实现；实施第三道密封屏障堆厅内的气压为微负压，采用常规的抽风换气机组抽气实现。

5、在连通堆芯容器气腔的堆芯气回路中，在氢氧复合器前面设置爆破膜及消除冲击波的装置，以减轻氢爆对第二道密封屏障的影响，保障环境安全。

本发明的突出优点在于：由于采用了加大冷却管冷却面积提高溶液的过冷度；将堆芯溶液冷却管布置在堆芯溶液低功率密度区；将溶液堆的放射性密封屏蔽设置为三道密封屏障：第一道密封屏障是设置堆芯气腔和堆芯气回路为正压，并在回路中氢氧复合器的前面设置爆破膜及消除冲击波的装置；第二道密封屏障是设置负压的堆小室，第三道密封屏障为具有微负压的堆厅；采用这些三项综合技术措施，有效扼制了核反应时堆芯溶液产生的大量(气+汽)泡体积量逸出对堆功率波动的影响；而这三道密封屏蔽、爆破膜及消除冲击波装置的使用，也有效的保障了反应堆的安全和对堆厅外面环境的保护。

附图说明

图1为本发明高功率下“水锅炉”溶液核反应堆三道屏障保护示意图

图中标记：1为堆芯容器支撑、2为堆底中子反射层、3为堆侧中子反射层、4为堆芯容器、5为堆芯容器内的核燃料溶液、6为堆芯容器核燃料溶液上面的气腔、7为堆芯气回路中的气体预热器、8为堆芯气回路中的氢氧复合器、9为堆芯气回路中的气水分离器、10为堆芯气回路中的鼓风机、11为堆芯气回路、12为第二道密封屏障、12-1为第二道密封屏障中的堆水池、12-2为堆水池水面上部容装堆芯气回路的负压堆小室、13为构成第三道密封屏障的堆厅、13-1为堆厅防护壁。

具体实施方式

实施例：克服200kW高浓铀“水锅炉”溶液堆功率波动的方法

本案200kW高浓铀“水锅炉”溶液反应堆，堆功率密度为2.0～2.5kW/L，包括有下述的基本结构：采用平底或碟底圆柱型封闭的竖装不锈钢堆芯容器4，在堆芯容器4内装有体积为50L～100L的核燃料高浓铀UO₂(NO₃)₂溶液5，在燃料溶液5上面的堆芯容器腔体部分为气腔6；将堆芯溶液5分为内外两区，在堆芯溶液5内区设置有3～6根内装控制棒的导管，堆芯溶液5的外区布置辐射状或均布的冷却管；堆芯容器4底部设置堆底中子反射层2，在对应燃料溶液5的堆芯容器壁外侧设置堆侧中子反射层3，堆底中子反射层2下面为堆芯容器支撑1；堆芯容器内溶液液面上的气腔6连通堆芯容器4外面的堆芯气回路11，该堆芯气回路11由气体预热器7、氢氧复合器8、气水分离器9、鼓风机10串接组成；除堆芯容器4外面的堆芯气回路11外，其余包括整个堆芯容器4、堆侧中子反射层3、堆底中子反射层2和下面的堆芯容器支撑1都浸没在堆水池12-1的池水里；在堆水池(12-1)外面设置堆厅(13)；

堆芯容器4中的高浓铀UO₂(NO₃)₂溶液所产生的氢、氧气体，从气腔6进入堆芯气回路11，将氢、氧气体复合成水后反回堆芯容器4，以维持堆芯容器内UO₂(NO₃)₂燃料溶液的浓度和气腔6中的氢气浓度；

克服本案200kW“水锅炉”溶液堆功率波动的方法，采取下述技术措施：

1、加大布置在溶液5外区辐射状或均布冷却管的冷却面积，提高溶液5的过冷度，减少(气+汽)泡逸出，针对“Argus”堆冷却盘管的面积，将本案堆芯溶液5外区布置的辐射状或均布的冷却管的面积设计为≥3.5m²，即至少是“Argus”堆冷却盘管面积的十倍。

2、将布置在堆芯溶液5外区的辐射状或均布的冷却管，设置在堆芯溶液5的低功率密度区。

3、对堆芯容器气腔(6)和堆芯气回路(11)采用正压设计，减少堆芯容器产生气泡的体积量，即减少气泡在堆芯溶液中的体积分额，以减少气泡对反应性的影响。

目前水锅炉型溶液反应堆，其堆芯容器气腔的气压都是负压，这是因为该堆型都是采用两道密封屏障：由堆芯容器和堆芯气回路构成具有负压的第一道密封屏障，由具有微负压的堆厅密封构成第二道密封屏障。如此结构的密封能够有效保障：当第一道密封有一定程度破坏时，堆厅气体向第一道密封内泄漏，放射性气体不会进入堆厅，因而避免了放射性气体对环境的污染。

本发明为减少堆芯容器产生气泡的体积量，以减少气泡对反应性的影响，对堆芯容器气腔必须采用正压设计，其保障措施是采用三道密封屏障：

由堆芯容器4和外面串联的堆芯气回路11，构成溶液堆的第一道密封屏障，堆芯气腔和堆芯气回路11的气压为0.4MPa(为4个大气压)；

将堆水池12-1和装有堆芯气回路11的堆小室12-2，用一道密封屏障12将其与堆厅13隔离，构成了由堆水池12-1和堆小室11所组成的第二道密封屏障，堆小室11的气压为0.086MPa(为负压)；

堆厅13构成溶液堆的第三道密封屏障，堆厅13气压为0.099MPa(为微负压)，堆厅防护壁13外面的环境气压为0.1MPa(为1个大气压)；

这三道密封屏障，有效地防止放射性泄漏保障了环境安全。

由于第一道密封屏障内堆芯气回路11内气压为0.4MPa，而堆小室11的气压为0.086MPa，当堆芯气回路11中的爆破膜爆破后，第二道密封堆小室11的气压会升至＜0.090MPa，而堆厅13的气压为0.099MPa，堆小室11的气压低于堆厅13的气压，与现有装置两道密封屏障的屏蔽效果相当。因此，这种设计依环境评估看，对环境的影响是可以接受。然而由于堆芯气腔6和堆芯气回路11气压为0.4MPa，远远高于现有装置堆芯容器气腔的负压值，可以有效扼制堆芯溶液大量(气+汽)泡逸出而导致逸出(气+汽)泡体积量对反应性的影响。

4、实施第一道密封屏障内堆芯气回路的气压为0.4MPa,采用设置在堆厅13内的薄膜压缩机向堆芯气回路加压实现，确保堆芯气腔6内的气压能有效扼制溶液逸出大量(气+汽)泡体积量对反应性的影响；实施第二道密封屏障内堆小室11的气压为0.086MPa，采用真空抽气机组抽气实现；实施第三道密封屏障堆厅13内的气压为0.099MPa，采用常规的抽风换气机组抽气实现。

5、在连通堆芯容器气腔6的堆芯气回路11中，于氢氧复合器8前设置爆破膜及消除冲击波装置，以减轻氢爆对第二道密封屏障的影响，保障堆芯安全。