一種鉛基堆零功率物理實驗裝置的制作方法

本發明涉及核工程技術領域，具體是一種鉛基堆零功率物理實驗裝置，適用于鉛基反應堆中子物理特性實驗驗證。

背景技術：

研究反應堆的中子物理特性，通常需要建設物理實驗裝置，用于校驗數學模型和物理計算程序、開展反應性監測和測量技術研究，為反應堆的安全評價和許可提供數據。鉛合金化學性質很穩定，常溫常壓下為固態結構，因此以鉛合金為冷卻劑的物理實驗裝置的結構必然不同于輕水堆和鈉冷快堆物理實驗裝置。此外，由于鉛合金具有良好的中子學性能、安全特性和傳熱能力，鉛合金冷卻快堆是目前加速器驅動次臨界系統的重要候選堆型，因此發展可以耦合加速器并具有次臨界態穩定運行能力的物理實驗裝置，是鉛基堆零功率物理實驗裝置的重要方向。

專利名稱為《一種鉛合金冷卻劑零功率反應堆燃料組件》(專利申請號CN201510067562.2)的公開文本中，公開了一種內含蜂窩狀鉛合金片的燃料組件，上述燃料組件由組件外殼、固態鉛合金片和燃料元件棒組成；組件外殼由外套管、下底座和上封頭組成；燃料組件中心由固態鉛合金片堆疊形成，燃料元件棒安裝在各貫穿孔中；固態鉛合金片上下兩端堆疊實心固態鉛合金片，上端的實心固態鉛合金片與上封頭連接，下端的實心固態鉛合金片與下底座連接；固態鉛合金片、燃料元件棒、實心固態鉛合金片、上封頭、下底座封裝在六角形的外套管中，上封頭、下底座與外套管進行連接，外套管上下兩端有中心孔，上封頭、下底座的突起部位通過中心孔穿出。

上述公開的專利無法滿足耦合加速器和同時具有臨界和次臨界運行能力，并且無法實現次臨界和臨界雙模式運行，還存在外中子源驅動環境下堆芯功率和中子通量分布不均勻性問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于：提出一種鉛基堆零功率物理實驗裝置，具有屏蔽層設計、運行模式、反應性控制等功能，已解決現有技術中的問題。

本發明解決技術問題采用如下技術方案：

一種鉛基堆零功率物理實驗裝置，包括堆容器，還包括，

燃料元件，設置在所述堆容器內，所述燃料元件中的易裂變材料中添加有稀土元素；

固態鉛合金增殖劑，設置在所述堆容器內，并且填充在所述燃料元件之間；

反射層，設置在所述堆容器的內壁上；

中子源系統，所述堆容器中心插入中子源系統后，物理實驗裝置處于次臨界狀態；所述中子源系統抽出或部分抽出所述堆容器后，物理實驗裝置處于臨界狀態，實現物理實驗裝置次臨界和臨界運行模式切換；以及

反應性控制系統，用于控制中子源系統向堆容器內引入連續高能重離子并轟擊鎢金屬，產生穩定散列中子，實現實驗裝置次臨界穩定運行；還用于控制中子源系統停止向堆容器內引入高能重離子，實現物理實驗裝置停止次臨界運行，

其中，物理實驗裝置處在臨界運行時，反應性控制系統通過控制中子源系統向堆容器內引入脈沖高能重離子并轟擊鎢金屬，生成啟動中子；反應性控制系統通過兩套獨立的安全停堆系統實現物理實驗裝置停止運行。

本發明還存在以下特征：

所述堆容器為空心圓柱體形狀的不銹鋼外殼，所述堆容器內的燃料元件呈正三角形分布排列的短棒；

所述堆容器的內壁的反射層為石墨或不銹鋼材質；

所述堆容器頂部與反應性控制系統以及中子源系統連接；所述堆容器外壁、底面和頂面與屏蔽系統連接。

所述屏蔽系統包括金屬外殼和內部填充的中子吸收材料，所述中子吸收材料為含硼聚氨酯彈性體顆粒。

所述固態鉛合金增殖劑包括金屬鉛和鉛鉍合金。

所述中子源系統包括重離子加速器和含鎢金屬的中子吸收組件。

所述燃料元件內易裂變材料中摻雜銪、釤、鏑等稀土元素，稀土元素的摻雜比例為0.1～3wt％。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

(1)堆容器內燃料元件和固態鉛增殖劑模塊化填裝，可靈活控制堆芯活性區大小和形狀，實現多種堆芯結構布置；

(2)物理實驗裝置具有臨界/次臨界雙運行模式，并可驗證ADS(次臨界系統)環境下的堆芯中子物理特征；

(3)采用含硼聚氨酯彈性體顆粒作為中子吸收材料，可實現中子吸收材料的循環利用和屏蔽系統結構的靈活可調；

(4)采用在易裂變材料中添加稀土元素釤、銪、鏑，實現堆芯的功率和中子密度展平。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明的鉛基堆零功率物理實驗裝置結構示意。

圖2為本發明的模塊化固態鉛合金片橫截面結構示意。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

參照圖1和圖2，對本發明的結構特征詳述如下：

一種鉛基堆零功率物理實驗裝置，包括堆容器1，還包括，

燃料元件2，設置在所述堆容器1內，所述燃料元件2中的易裂變材料中添加有稀土元素；

固態鉛合金增殖劑3，設置在所述堆容器1內，并且填充在所述燃料元件2之間；

反射層4，設置在所述堆容器1的內壁上；

中子源系統6，所述堆容器1中心插入中子源系統6后，物理實驗裝置處于次臨界狀態；所述中子源系統6抽出或部分抽出所述堆容器1后，物理實驗裝置處于臨界狀態，實現物理實驗裝置次臨界和臨界運行模式切換；以及

反應性控制系統5，用于控制中子源系統6向堆容器1內引入連續高能重離子并轟擊鎢金屬，產生穩定散列中子，實現實驗裝置次臨界穩定運行；還用于控制中子源系統6停止向堆容器1內引入高能重離子，實現物理實驗裝置停止次臨界運行，

其中，物理實驗裝置處在臨界運行時，反應性控制系統5通過控制中子源系統6向堆容器1內引入脈沖高能重離子并轟擊鎢金屬，生成啟動中子；反應性控制系統6通過兩套獨立的安全停堆系統實現物理實驗裝置停止運行。

所述堆容器1為空心圓柱體形狀的不銹鋼外殼，所述堆容器1內的燃料元件2呈正三角形分布排列的短棒；

所述堆容器1的內壁的反射層4為石墨或不銹鋼材質；

所述堆容器1頂部與反應性控制系統5以及中子源系統6連接；所述堆容器1外壁、底面和頂面與屏蔽系統8連接。

所述屏蔽系統8包括金屬外殼和內部填充的中子吸收材料，所述中子吸收材料為含硼聚氨酯彈性體顆粒。

所述固態鉛合金增殖劑3包括金屬鉛和鉛鉍合金。

所述中子源系統6包括重離子加速器和含鎢金屬的中子吸收組件。

所述燃料元件2內易裂變材料中摻雜銪、釤、鏑等稀土元素，稀土元素的摻雜比例為0.1～3wt％。

屏蔽系統8由3塊316不銹鋼金屬薄壁外殼內部填充含硼聚氨酯彈性體顆粒組成，分別屏蔽物理實驗裝置頂部、底部和側面；頂部和底部的屏蔽系統為圓柱形，側面為空心圓桶形；

堆容器1內燃料元件2總數為103根。

物理實驗裝置處于次臨界狀態運行時，通過重離子加速器加速的質子束流連續轟擊金屬鎢7產生中子，引發燃料元件2內的鏈式裂變反應；停止運行時，通過停止重離子加速器，不再向堆容器1內引入質子束，物理實驗裝置自發停止運行。

本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。