是我國設計、建造的第一座實用性多功能脈衝反應堆。它具有固有安全性高、用途廣泛、結構簡單及運行維護方便的特點；既能穩態運行，又能以脈衝或方波方式運行，穩態額定功率2MW，最大脈衝峰功率4200MW。西安脈衝堆設定有多種實驗輻照裝置，可以輻照生產放射性同位素，進行中子活化分析、中子照相、單晶矽中子輻照摻雜、材料輻照加工及輻照試驗研究，開展核物理、中子物理、放射化學等科學理論研究以及人材培訓。
基本介紹
- 中文名：西安脈衝反應堆
- 外文名：Xi’an Pulsed Reactor
西安脈衝堆具有國內外同類堆所具有的固有安全性高、用途廣泛、結構簡單及運行維護方便等顯著特點。與國外同類堆TRIGA-Ⅲ相比，不僅全面達到了其性能指標，而且在某些方面還有所突破或改善。
歷史 西安脈衝堆是我國自行設計建造的國內第一座實用性脈衝反應堆，是在中國核動力研究設計院設計建造的首座原型脈衝堆的基礎上，根據用戶對本堆的套用要求進行設計、建造的。西安脈衝堆工程屬小型研究堆綜合核工程，於1996 年11 月18 日開工建造，1999 年9 月完成反應堆及其各系統的安裝、調試(非核)，同年10 月14 日完成首爐裝料，15 日反應堆首次達到臨界。隨後按照調試大綱和調試程式對反應堆進行了冷態及熱態物理試驗、提升功率試驗。對反應堆穩態、脈衝和方波等各種運行方式下的各種運行工況進行了調試、運行試驗和參數測試。2001年1月，完成帶核調試的各項工作後，反應堆投入試運行及實驗套用。
反應堆裝置簡介 西安脈衝反應堆裝置由反應堆本體、反應堆主、輔系統及實驗輻照裝置所組成。該堆是一座小型池式研究堆，採用鈾氫鋯燃料-慢化劑粗棒狀元件、石墨和輕水作反射層。堆芯靠池水自然循環冷卻，池水則由冷卻系統建立強迫循環，將熱量載帶釋放於外環境。
西安脈衝反應堆本體主要包括反應堆水池及水池蓋板、池內構件、堆內構件及堆芯部件、堆橋、控制棒驅動機構等設備及部件，其總體結構如圖1 所示。
反應堆水池內徑2.5m、深8.5m，以8mm 厚的鋁質覆面襯裡，其外部為2m 厚的重混凝土結構作禁止。一座不鏽鋼堆橋固定在堆水池頂部，其上安裝有5 台穩態控制棒驅動機構和1 台脈衝棒驅動機構以及單晶矽輻照裝置驅動機構、水溫測量裝置等。6 塊方形水池蓋板安裝在堆橋兩側，分別以鉸鏈與水池壁相聯。每塊蓋板都由不鏽鋼骨架和有機玻璃製成，便於觀察堆內狀況。
堆芯安裝在水池底部中央，由堆芯支架支承並與池底固定連線。與國外同類堆TRIGA-Ⅲ的堆芯吊掛在可移動堆橋下方相比，結構上具有較好的穩定性，提高了抗震性能。堆芯筒體四周設有鉛禁止層筒體，成為堆芯徑向禁止的重要組成部分，用以降低堆水池混凝土禁止層γ入射能流，因此，無需像TRIGA-Ⅲ那樣，在混凝土禁止層中再設定禁止冷卻系統。堆芯上方有6.4m 的輕水禁止層。水面與水池蓋板之間的空腔設定有廢氣特排風口。反應堆正常運行工況下，可通過特排系統及時排出反應堆產生的活化氣體，避免向堆廳溢散；在燃料元件或輻照樣品破損等事故工況下，該系統可使裂變氣體經高效過濾、除碘過濾後排至環境。這也是TRIGA-Ⅲ所沒有的。
堆芯部件以正六邊形環形布置、共9 圈，中心向外圈依次為A、B、⋯I 圈，柵距均為43mm 。
圖1
1——堆芯支架；2——鉛禁止層筒體；3——熱柱；4——噴射水管；5——電離室包套組件；6——堆水池覆襯面；7——堆橋；8——穩態控制棒驅動機構；9——脈衝棒驅動機構
堆芯部件由下柵板支承，上、下柵板各開有211 個相對應的柵孔，除了為燃料元件及相關部件提供定位外，還兼作冷卻劑自然循環的通道。在上柵板的A 圈和B 圈占用7 個孔位，開了一個大孔，用以安裝φ100mm 的中央垂直孔道；上柵板上還對稱地開有2 個三角形孔，每個孔分別占據1 個E 圈和2 個F 圈的孔位，用於安放φ52mm 的偏心腔垂直孔道。堆芯下方設有安全板，用以防止控制棒意外掉離堆芯，也為脈衝棒導向管提供支承。為適應不同運行方式下的不同功能及套用要求，採用了兩種不同的堆芯布置方式(圖2)。
圖2
燃料元件 所使用的鈾氫鋯燃料元件由中國核動力研究設計院獨立研製。其外形尺寸及結構形式與原型脈衝堆燃料元件相同，不鏽鋼作包殼材料，外徑37.2mm，總長760mm ，每根燃料元件中裝有3 塊UZrH1.6 芯體，芯體中插有鋯合金棒。元件兩端還各裝有1 塊石墨芯塊，用作堆芯的軸向中子反射層。上、下端塞與包殼管由氬弧自動焊環縫焊連線，內充0.1MPa 氦氣。為了補償燃料、石墨芯體與包殼的不同熱膨脹以及燃料、石墨芯體的輻照腫脹，芯體與上端塞及芯體與包殼管之間分別留有適當的軸向和徑向間隙。西安脈衝堆燃料元件較原型脈衝堆燃料元件作了改進和提高：
(1)提高了燃料芯體中鈾的質量比。原型堆元件中鈾的質量比為8.5%，而西安脈衝堆提高到12%，每根燃料元件中235U 含量達57.1g，而原型脈衝堆每根元件中235U 含量為39.7g。
(2) 適當調整了燃料元件芯體與包殼間徑向間隙及芯體與上端塞間的軸向間障，以適應西安脈衝堆高性能運行的要求。
控制棒 西安脈衝堆共有6 根控制棒。其中，5 根穩態控制棒，1 根脈衝棒。5 根穩態控制棒結構相同，不鏽鋼包殼，內裝10 塊B4C 芯體，作為中子吸收體，其下方還裝有3 塊UZrH1.6 燃料跟隨體和2 塊石墨芯體。穩態控制棒在堆內上下運動，由堆芯上下柵板的φ40mm 孔導向。脈衝棒由上空腔、B4C 中子吸收段和下空腔3 段構成。吸收段上下方分別設有壓緊彈簧和隔塊。脈衝棒在鋁合金導向管中運動，導向管由上下柵板橫向定位，由安全板支承固定。根據原型脈衝堆運行經驗反饋，為增加脈衝棒的結構強度和使用壽命，對西安脈衝堆脈衝棒設計作了3 點改進：
(1) 將包殼管材料由原來的LT24 鋁合金材料改為不鏽鋼材料。
(2) 將端塞與包殼管的焊接形式由原來的端面環焊改成了對接環焊縫形式。
(3) 脈衝棒與驅動機構聯桿聯接結構由原來的卡口——銷釘式改成了螺紋聯接。
西安脈衝堆對應每根控制棒設有1 台驅動機構，共有5 台穩態控制棒驅動機構和1 台脈衝棒驅動機構。西安脈衝堆控制棒驅動機構採用了步進電機驅動、滾珠螺母絲槓副傳動，通過電磁鐵、銜鐵吸合，由聯桿帶動控制棒上下移動。西安脈衝堆控制棒驅動機構由不鏽鋼材料製成，採用水力緩衝。脈衝棒驅動機構是脈衝堆型特有的設備。在反應堆穩態運行工況下，該機構能帶動脈衝棒上下移動，使其作補償棒使用；當脈衝堆作瞬態運行(脈衝或方波)時，該機構可在0.1 秒內將脈衝棒全部或部分彈射出堆芯，實現脈衝發射。脈衝棒驅動機構採用機電和氣力聯合驅動,即由步進電機通過滾珠絲槓副帶動滾珠螺母移動，再通過傳動管、連線頭帶動氣缸上下移動，實現脈衝棒的升降；當需要發射脈衝時，打開電磁閥，向衝擊氣缸通入壓縮空氣，使活塞在氣缸內高速向上運動，活塞聯桿把脈衝棒迅速帶離堆芯，實現脈衝發射。調節氣缸初始所在高度的位置，便可發射大小不等的脈衝。氣缸排氣後，脈衝棒靠自重下插到堆芯。與原型脈衝堆最初使用的驅動機構相比，西安脈衝堆驅動機構在調速、調位精度、脈衝發射速度、緩衝性能、可靠性及便於檢修等方面都有提高或改善。
反應堆系統 與一般研究堆相比，脈衝堆系統設定較為簡化。西安脈衝堆設定的系統有：反應堆冷卻水系統及淨化系統、反應堆控制及儀表系統和輔助系統。
西安脈衝堆冷卻水系統由一次冷卻水系統和二次冷卻水系統2 個迴路組成。一次冷卻水系統是開式循環迴路，由1 台離心泵、2 台熱交換器及其相連的管道、閥門、儀表組成。該系統額定流量174t/h ，由離心泵建立一次水強迫循環，通過兩台熱交換器將熱量傳給二次冷卻水，維持堆池水溫度不超過45℃。經過熱交器冷卻後的一次水分2 路返回堆水池；一路以154t/h 的流量送入堆池下部；另一路以20t/h 流量經過安裝在堆芯上方的噴射器射入堆水池，用以延長流經堆芯水中產生的16N 的上升時間，降低堆頂劑量水平。為防止水系統管道破裂而造成堆水池失水、堆芯裸露事故的發生，進出水管均由堆水池上部貫穿，並在管道上部開有防虹吸孔。二次冷卻水系統由1 個吸水井、1 台冷卻水泵、2 台玻璃鋼冷卻塔、1 個管式過濾器及其相連的管道、閥門、儀表組成的開式迴路。系統以346.5m3/h 的額定流量經熱交換器帶走一次冷卻水的熱量，並通過冷卻塔把熱量傳給大氣。
為除去反應堆池水中的可溶性和不可溶性雜質，維持水質在規定的指標範圍，降低堆結構材料及燃料元件的腐蝕速率、池水的放射性水平，保持池水良好的透明度，西安脈衝堆設定了淨化系統，採用過濾和離子交換除去水中雜質。系統上設有pH 計和電導率儀，可線上監測淨化前後的水質指標。淨化系統除了用以淨化反應堆一次冷卻水外，還可單獨淨化乏燃料貯存池中的去離子水。
西安脈衝堆設計有完整的儀表和控制系統，在反應堆的各種運行工況下，不僅能為運行人員提供必要的信號和信息，對反應堆實施遠距離的操作和控制，而且其保護系統能為反應堆安全提供保證。本系統由10 個分系統組成：①核儀表系統；②過程測量系統；③功率調節系統；④保護系統；⑤控制聯鎖系統；⑥棒控主電路系統；⑦報警系統；⑧棒位探測與顯示系統；⑨數據採集與顯示系統；⑩控制室。與其它反應堆的儀表與控制系統相比，西安脈衝堆儀表與控制系統有許多不同之處：有2 種運行狀態共4 種運行方式，即穩態運行中的手動、自動運行，瞬態中的脈衝和方波運行。為實現對反應堆不同運行方式的選擇與控制，西安脈衝堆儀表與控制系統設計有運行方式的選擇及聯鎖，操縱人員可通過控制台上的運行方式選擇開關實現反應堆不同運行方式的運行操作。由於西安脈衝堆的固有安全性，保護系統做了適當簡化並降低了某些要求。例如，對堆功率的上升沒有必要設定短周期保護。除此之外,有關脈衝發射的控制與聯鎖、脈衝參數的測量與顯示等也是脈衝堆儀表控制系統的獨特設定。
西安脈衝堆的輔助系統有：①造水及補水系統；②正常和應急供電系統；③通訊和廣播系統；④壓縮空氣系統；⑤輻射劑量監測系統；⑥換料及工藝運輸系統等。
實驗輻照裝置 西安脈衝堆配置的實驗輻照裝置種類較多，其中有：輻照腔、熱柱、中子照相裝置、水平切向孔道、水平徑向孔道、單晶矽輻照裝置、寶石輻照盒、氣力輸送系統(跑兔)、中央垂直孔道、偏心腔垂直孔道等。這些實驗輻照裝置可供開展各種核技術套用和多種科學實驗研究。
