反應堆快中子屏蔽技術領域，特別涉及一種具有高效屏蔽性能的屏蔽組件結(jié)構(gòu)設計。

背景技術：

核反應堆中存在多種輻射，而大多數(shù)輻射對于設備的材料是有害的，產(chǎn)生輻照損傷會使得設備材料的性能發(fā)生改變，影響反應堆的正常運行。其中中子及γ射線的輻照是導致反應堆材料輻照損傷的主要原因，為了防止堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料受到過度的輻照損傷和保護反應堆容器本身，快中子反應堆需要在堆芯外圍布置屏蔽組件進行軸向屏蔽。

現(xiàn)有技術中，快堆屏蔽組件主要采用了屏蔽元件棒的設計，屏蔽元件棒呈正三角形排列，徑向采用繞絲定位，軸向采用導軌式格柵定位。單根屏蔽棒由上端塞、包殼管、氣腔、壓緊彈簧、碳化硼芯塊、下端塞及繞絲組成。上述方式存在以下不足之處：

（1）由于屏蔽組件屏蔽棒中的端塞、氣腔、壓緊彈簧占據(jù)一定的體積，使得屏蔽組件在端塞、氣腔、壓緊彈簧所在的高度對于快中子及γ射線的屏蔽效果減弱，從而使同一高度的反應堆容器受到的輻射增加，不利于反應堆容器長壽命的使用；

（2）屏蔽組件長期處于高輻照及高溫高壓的惡劣環(huán)境下，屏蔽元件棒內(nèi)的碳化硼芯塊容易與包殼發(fā)生接觸，使包殼產(chǎn)生徑向形變與腫脹；

（3）屏蔽元件棒的結(jié)構(gòu)使得工業(yè)加工難度變得更大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種具有高效屏蔽性能的屏蔽組件結(jié)構(gòu)設計，

本發(fā)明采用的技術方案為。

屏蔽組件保留六角形外套管及兩端結(jié)構(gòu)件的設計，便于快堆組件的裝卸操作及統(tǒng)一管理。取消屏蔽元件棒的設計，改用向六角形外套管內(nèi)部填充屏蔽元件球以達到更好的屏蔽效果。屏蔽材料選用屏蔽性能優(yōu)良的碳化硼材料，而屏蔽元件球的結(jié)構(gòu)材料選用了耐高溫、耐腐蝕、耐磨的熱解碳陶瓷材料，其比強度在室溫情況下超過不銹鋼，拉伸強度與熱導率也十分優(yōu)良。

屏蔽元件球自內(nèi)到外由碳化硼核芯、疏松熱解碳層及致密且各項同性的熱解碳層組成。屏蔽元件球核芯為球形，采用密度為2.2g/cm³的b4c作為屏蔽材料。根據(jù)反應堆的功率大小，功率更大采用更高¹⁰b濃度的碳化硼。

核芯外面是疏松熱解碳層，其密度小于1.1g/cm³，是一種多孔疏松的陶瓷材料。這一層陶瓷材料既能為放射性活化產(chǎn)物及放射性氣體提供存儲空間，同時吸收碳化硼屏蔽材料因輻射引起的腫脹，并緩沖由溫度引起的應力。疏松的熱解碳陶瓷材料由乙炔氣體在高溫下熱解，將其熱解后的產(chǎn)物沉積到碳化硼核芯表面而成。

當疏松熱解碳層破損時，最外層致密的熱解碳陶瓷材料將作為阻擋氣態(tài)裂變產(chǎn)物的第二道屏障。致密且各向同性的熱解碳陶瓷材料具有良好的機械穩(wěn)定性、密封性和抗輻射性，使屏蔽元件球能長期穩(wěn)定的工作。致密且各向同性的熱解碳材料密度通常為1.8~2.0g/cm³，制造用甲烷作為原料氣體在1800~2100℃之間進行熱解，就能得到各向同性的致密的熱解碳層。

本發(fā)明的有益效果為：

（1）本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)保證了屏蔽元件球在堆芯運行期間的完整性與安全性，簡化端塞、空腔、壓緊彈簧、繞絲的設計，使得屏蔽組件軸向屏蔽的區(qū)域增加，屏蔽中子及γ射線的性能提升，從而使堆芯構(gòu)件與壓力容器得到更好的保護效果，延長壓力容器及構(gòu)件的使用壽命；

（2）屏蔽元件球的結(jié)構(gòu)材料采用耐高溫、耐腐蝕、抗輻射的熱解碳陶瓷材料。處于中間部分的疏松熱解碳層避免了碳化硼核芯與最外層熱解碳層相接觸，并且能夠吸收碳化硼屏蔽材料因輻射引起的腫脹，同時緩沖由溫度引起的應力，使屏蔽元件球在長期輻照及高溫的環(huán)境下不易發(fā)生腫脹變形，提高屏蔽組件的可靠性與安全性；

（3）相比屏蔽元件棒，冷卻劑與屏蔽元件球的接觸面積變大，流速變慢，能夠更高效的帶走屏蔽元件球受輻照所產(chǎn)生的熱量；

（4）相比屏蔽元件棒端塞、包殼管、氣腔、壓緊彈簧、碳化硼芯塊、下端塞及繞絲相對復雜的設計，屏蔽元件球的填充設計減少了工廠加工的難度。

附圖說明

圖1為屏蔽組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為屏蔽組件a-a示意圖；

圖3為屏蔽元件球示意圖；

圖4為屏蔽元件球填充示意圖；

圖5為上下柵格板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為相同屏蔽元件球填充方式；

圖7為兩種不同屏蔽元件球填充方式。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種具有高效屏蔽性能的屏蔽組件結(jié)構(gòu)設計，可應用于鈉冷快中子堆或鉛冷快中子堆的屏蔽保護。下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的說明。

為了保護反應堆容器及構(gòu)件，屏蔽組件布置在快堆堆芯的最外圍。由于快堆堆芯的高能中子泄漏率比較大，一般需要布置二層及二層以上的屏蔽組件，使到達反應堆容器及構(gòu)件上的中子及γ射線注量低于規(guī)定限值。為了堆芯組件的裝卸料的統(tǒng)一管理，屏蔽組件采用了與堆芯燃料組件一樣的外形設計，通過液態(tài)金屬鈉、鉛或鉛鉍合金冷卻劑進行冷卻。

屏蔽組件主要結(jié)構(gòu)（見圖1）自上往下由操作頭1，冷卻劑出口2，上柵格板3，支撐棒4，屏蔽元件球5，六邊形外套管6，下柵格板7，組件管腳8，冷卻劑入口9構(gòu)成。

圖2為屏蔽組件的a-a視圖，六邊形外套管的邊長為l，屏蔽元件球的直徑為r。確保六邊形外套管的邊長的兩倍略大于五倍屏蔽元件球直徑（即2l>5r）。留出的空間用來布置約束徑向位移的支撐棒，防止屏蔽元件球接觸六邊形外套管，影響外套管的長期使用。同時調(diào)整上下柵格板的厚度，使上下柵格板的距離h為屏蔽元件球直徑r的整數(shù)倍。

屏蔽元件球結(jié)構(gòu)（見圖3）自外向內(nèi)由各項同性的致密熱解碳層10、疏松熱解碳層11及中心的碳化硼核芯12組成。

考慮到獲得更佳的屏蔽效果，同時限制屏蔽元件球流致振動對六邊形外套管的碰撞、擠壓等不利影響。采用了上下柵格板及支撐棒（見圖5）對填充的屏蔽元件球進行軸向和徑向的約束，保證屏蔽組件在堆芯長期運行中可靠性。具體可采用如下兩種實施方式。

實施例1

如圖6所示，每層以正三角形擺放19個直徑為r的屏蔽元件球，相鄰層屏蔽元件球進行同樣的布置。依次向上進行疊放，共疊放h/r層屏蔽元件球。同時通過支撐棒與上下柵格板的約束作用，限制屏蔽元件球在冷卻劑作用下的振動。此種屏蔽組件實施方式經(jīng)過模擬軟件進行數(shù)值模擬，在原先屏蔽元件棒空腔、端塞的高度，到達反應堆容器的中子通量降低了了21%，提高了屏蔽組件整體的屏蔽效果。

實施例2

如圖7所示。在實施方式1的基礎上，采用直徑為r1、r2兩種尺寸的屏蔽元件球，其中較小的屏蔽元件球的直徑。上下錯落布置屏蔽元件球，使得小屏蔽元件球處于相鄰層大屏蔽元件球的縫隙之中，并與上下兩層的大屏蔽元件球相接觸。由于支撐棒與上下柵格板的約束作用，大屏蔽元件球在冷卻劑作用下的振動很小。同時，相鄰層的大屏蔽球也對小屏蔽球有約束。相比第一種方案，屏蔽組件的整體屏蔽性能提高了12%左右。但是由于冷卻劑的流道變小，使得屏蔽組件的熱應力也會相應變大。