次臨界裝置

次臨界裝置是有效中子增殖因子總是小於1的反應堆物理實驗裝置。在次臨界裝置中，核燃料、慢化劑(快堆次臨界裝置無慢化劑)和結構材料的比例和布置都與所研究的反應堆柵格相同。它的幾何尺寸比臨界尺寸小，本身不具備維持自持鏈式反應的條件。為了維持鏈式反應，必須引入一個穩定的外中子源。一旦撤出外中子源，裝置內的中子注量率就會隨時間衰減直至趨於本底水平。穩定的外中子源在裝置內形成穩定的中子注量率分布，通過測量該分布可以確定材料曲率等反應堆物理參數。次臨界裝置的特點是經濟、安全、靈活。

基本介紹

• 中文名：次臨界裝置 
• 外文名：subcritical assembly
• 實質：反應堆物理實驗裝置
• 作用：確定材料曲率等反應堆物理參數
• 特點：經濟、安全、靈活
• 缺點：本身無法維持自持鏈式反應

簡介

次臨界裝置是一種小型核裝置，通過引人外部中子源，使反應堆發生和維持鏈式裂變反應，並在一定功率下運行，但又不會達到臨界，從而滿足生產、科研、教學、實驗和培訓目的。次臨界裝置不會達臨界，具有結構簡單、安全性高、可靠性好以及對環境污染少等特點，受到了世界核工業界的青睞。目前世界上在運行和在建次臨界裝置主要有兩種：一種是採用加速器驅動的次臨界裝置(AC-celerator Driven System, ADS)，該裝置由加速器、外源中子產生器及次臨界反應堆組成，主要用於擅變放射性核廢物、生產醫用同位素以及進行實驗研究。另一種是直接採用外部中子源驅動的次臨界裝置，該裝置由於具有結構簡單並且可以近距離操作等優點，成為一種較好的用於教學和培訓的實驗設施。

約旦次臨界裝置

約旦次臨界裝置是中國原子能科學研究院為約旦科技大學設計建造的教學、培訓、科研和實驗用裝置。該裝置的外部中子源由懷一被源的自發裂變提供，裝置結構主要由燃料元件、堆芯及堆芯容器組件、操作平台、堆芯容器充排水系統、中子源驅動系統等部分組成。相對於臨界裝置來說，該裝置價格低，安全性高，同時能開展重要的基礎性動態、靜態反應堆物理實驗，是一種非常有用的理解和掌握反應堆物理知識的實驗設施。

約旦次臨界裝置結構設計

根據設計目的及要求，在理論計算和現有的設計基礎上，進行約旦次臨界裝置的結構設計。約旦次臨界裝置的中子有效增殖係數k_eff在0.94-0.95之間，該指標與壓水堆核電站的停堆餘量相當，同時又比一般的零功率反應堆的停堆餘量大，因此該裝置不需要設定安全棒和控制棒，結構相對簡單。中國原子能科學研究院所設計的約旦次臨界裝置總長4 000 mm，寬4 000 mm，總高約3 200 mm，主要結構由燃料元件、堆芯及堆芯容器組件、操作平台、堆芯容器充排水系統、中子源驅動系統等部分組成，如圖1所示。整個裝置包含燃料元件313根，外部中子源由懷一敏源的自發裂變產生，源強1.6X10⁶ n/s。　

約旦次臨界裝置示意圖

1、燃料元件

約旦次臨界裝置的堆芯活性區裝載燃料元件313根，燃料元件採用壓水堆核電站的燃料棒結構，燃料元件總長550 mm，外徑10 mm，含鈾約216 g，主要由UO₂芯塊、Zr-4包殼管、Al₂O₃隔熱塊、壓緊彈簧和端塞組成。UO₂芯塊的直徑8. 43 mm，高10 mm，其中²³⁵U的富集度為3.40%　

2、堆芯及堆芯容器組件

堆芯及堆芯容器組件由堆芯、堆芯支撐架、堆芯容器、堆芯容器支架組成，用於支撐和定位燃料元件，以使所構成的活性區柵格布置滿足物理設計的要求。

堆芯由上柵板、下柵板以及連線桿組成，其中上柵板材料為有機玻璃，下柵板材料為鋁合金，上、下柵板相應的開設有313個直徑為10. 2 mrn的通孔，用於支撐燃料元件，柵距19. 1 mm，呈正方形排列，如圖2所示。同時，在上、下柵板的外側開有用於支撐動態測量導管的通孔和備用燃料元件孔，可以滿足裝置升級為可達臨界研究堆的要求。上、下柵板通過均布的4個連線桿連線構成一個整體，置於堆芯容器所屬的堆芯支座上，並用螺栓連線固定。堆芯容器為立式桶形容器，由容器、上蓋板、探測器導管、中子源導管套管、堆芯支座、堆芯容器進出水管、溢流管等組成，主要材料為鋁合金和有機玻璃。堆芯容器內充裝去離子水，水高約1 200 mrn，用於對堆芯外逸中子的反射。堆芯容器上部通過堆芯支撐架與堆芯相連，對堆芯上端起徑向支撐作用，下部則直接固定在堆芯容器支架上。

堆芯示意圖

3、操作平台

操作平台長4 000 mm，寬4 000 mm，高1 800 mm，材料為碳鋼，通過四條支腿布置在實驗廠房內，用於為試驗裝置的安裝、維護及試驗操作提供所需的空間。操作平台主要部件均採用焊接結構,由螺栓聯結而成，方便包裝和運輸。操作平台中間開有與堆芯容器向匹配的圓孔，用於放置堆芯及堆芯容器組件。

4、堆芯容器充排水系統

堆芯容器充排水系統由儲水箱、不鏽鋼泵、閥門、堆芯容器進出水管道以及溢流管組成，用於向堆芯容器中充人符合要求的去離子水，同時在必要時可以迅速的排空堆芯容器中的水。設計儲水箱的容積為1.8m³，同時通過合理設計和布置溢流管，確保了充排水系統的安全可靠性。

5、中子源驅動系統
中子源驅動系統由貯源罐、中子源換向頭、中子源導管、壓縮空氣系統等組成，用於為中子源進出堆芯提供足夠的動力。為了充分利用鈽-鈹中子源，設計時將中子源導管的端部設定在堆芯的中心下方處。約旦次臨界裝置的運行和停止靠驅動中子源實現，因此設計可靠的中子源驅動系統是裝置有效運行和實驗後減少放射性污染的保障。