[科普中国]-次临界装置

简介

次临界装置是一种小型核装置，通过引人外部中子源，使反应堆发生和维持链式裂变反应，并在一定功率下运行，但又不会达到临界，从而满足生产、科研、教学、实验和培训目的。次临界装置不会达临界，具有结构简单、安全性高、可靠性好以及对环境污染少等特点，受到了世界核工业界的青睐。目前世界上在运行和在建次临界装置主要有两种：一种是采用加速器驱动的次临界装置(AC-celerator Driven System, ADS)，该装置由加速器、外源中子产生器及次临界反应堆组成，主要用于擅变放射性核废物、生产医用同位素以及进行实验研究。另一种是直接采用外部中子源驱动的次临界装置，该装置由于具有结构简单并且可以近距离操作等优点，成为一种较好的用于教学和培训的实验设施。2

约旦次临界装置约旦次临界装置是中国原子能科学研究院为约旦科技大学设计建造的教学、培训、科研和实验用装置。该装置的外部中子源由怀一被源的自发裂变提供，装置结构主要由燃料元件、堆芯及堆芯容器组件、操作平台、堆芯容器充排水系统、中子源驱动系统等部分组成。相对于临界装置来说，该装置价格低，安全性高，同时能开展重要的基础性动态、静态反应堆物理实验，是一种非常有用的理解和掌握反应堆物理知识的实验设施。2

约旦次临界装置结构设计根据设计目的及要求，在理论计算和现有的设计基础上，进行约旦次临界装置的结构设计。约旦次临界装置的中子有效增殖系数keff在0.94-0.95之间，该指标与压水堆核电站的停堆余量相当，同时又比一般的零功率反应堆的停堆余量大，因此该装置不需要设置安全棒和控制棒，结构相对简单。中国原子能科学研究院所设计的约旦次临界装置总长4 000 mm，宽4 000 mm，总高约3 200 mm，主要结构由燃料元件、堆芯及堆芯容器组件、操作平台、堆芯容器充排水系统、中子源驱动系统等部分组成，如图1所示。整个装置包含燃料元件313根，外部中子源由怀一敏源的自发裂变产生，源强1.6X106 n/s。 2

1、燃料元件

约旦次临界装置的堆芯活性区装载燃料元件313根，燃料元件采用压水堆核电站的燃料棒结构，燃料元件总长550 mm，外径10 mm，含铀约216 g，主要由UO2芯块、Zr-4包壳管、Al2O3隔热块、压紧弹簧和端塞组成。UO2芯块的直径8. 43 mm，高10 mm，其中235U的富集度为3.40% 2

2、堆芯及堆芯容器组件

堆芯及堆芯容器组件由堆芯、堆芯支撑架、堆芯容器、堆芯容器支架组成，用于支撑和定位燃料元件，以使所构成的活性区栅格布置满足物理设计的要求。

堆芯由上栅板、下栅板以及连接杆组成，其中上栅板材料为有机玻璃，下栅板材料为铝合金，上、下栅板相应的开设有313个直径为10. 2 mrn的通孔，用于支撑燃料元件，栅距19. 1 mm，呈正方形排列，如图2所示。同时，在上、下栅板的外侧开有用于支撑动态测量导管的通孔和备用燃料元件孔，可以满足装置升级为可达临界研究堆的要求。上、下栅板通过均布的4个连接杆连接构成一个整体，置于堆芯容器所属的堆芯支座上，并用螺栓连接固定。堆芯容器为立式桶形容器，由容器、上盖板、探测器导管、中子源导管套管、堆芯支座、堆芯容器进出水管、溢流管等组成，主要材料为铝合金和有机玻璃。堆芯容器内充装去离子水，水高约1 200 mrn，用于对堆芯外逸中子的反射。堆芯容器上部通过堆芯支撑架与堆芯相连，对堆芯上端起径向支撑作用，下部则直接固定在堆芯容器支架上。2

3、操作平台

操作平台长4 000 mm，宽4 000 mm，高1 800 mm，材料为碳钢，通过四条支腿布置在实验厂房内，用于为试验装置的安装、维护及试验操作提供所需的空间。操作平台主要部件均采用焊接结构,由螺栓联结而成，方便包装和运输。操作平台中间开有与堆芯容器向匹配的圆孔，用于放置堆芯及堆芯容器组件。2

4、堆芯容器充排水系统

堆芯容器充排水系统由储水箱、不锈钢泵、阀门、堆芯容器进出水管道以及溢流管组成，用于向堆芯容器中充人符合要求的去离子水，同时在必要时可以迅速的排空堆芯容器中的水。设计储水箱的容积为1.8m3，同时通过合理设计和布置溢流管，确保了充排水系统的安全可靠性。2

5、中子源驱动系统
中子源驱动系统由贮源罐、中子源换向头、中子源导管、压缩空气系统等组成，用于为中子源进出堆芯提供足够的动力。为了充分利用钚-铍中子源，设计时将中子源导管的端部设置在堆芯的中心下方处。约旦次临界装置的运行和停止靠驱动中子源实现，因此设计可靠的中子源驱动系统是装置有效运行和实验后减少放射性污染的保障。2