超长寿期堆芯反应性控制和调节方法

超长寿期堆芯反应性控制和调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种堆巧反应性的控制调节方法，具体设及一种抗癌核素中子刀超长 寿期堆巧反应性控制和调节方法。
【背景技术】
[0002] 随着第S代渗棚药物的开发和基础研究的深入，棚中子俘获疗法炬NCT)的临床 治疗越来越被提上日程。高效运作的BNCT专用中子源装置，除具备担当多功能医疗应用能 力外，本身的开动效率，是更重要的保证措施。目前大多数BNCT的中子束流是由研究堆引 出的，研究堆不同于核电堆，它因研究对象各异，堆的使用是不连续的。某一项新研究对象 的入堆，就要为其投入"准备一结束"时间，其它研究对象必须耐屯、等待，直至轮到上堆。再 之一般研究堆相隔一定时间，如半个月或一个月，就要停堆加料或者倒料，W补偿反应性的 消耗。而且堆巧一炉装料运行到寿期终了尚需更长时间的换料操作。
[0003] 微堆中央控制椿主要承担一个运行周期内的运行反应性控制，其后备反应性约为 3.Omk，其中日运行温度效应与"也消耗2. 0mk，"9Sm中毒约为0. 8址。经过一段时间的开 动由于燃耗带来的负反应性，反应堆将无法维持正常的运行时间甚至无法开动，此时需要 停堆打开堆顶并添加上被片，由上被片来补偿下一个运行周期的后备反应性值（3.Omk)，按 标准运行工况每月都需要加一定厚度上被片，一年运行10个周期共9次加上被片操作（上 被片共lOmk反应性），到达寿期后更换燃料堆巧。由于加被片操作需要耗时一周，反应堆的 开动率只有约66%。
[0004] 现有技术中，当堆巧后备反应性不足时，上提调节器，增加反应性，延长反应堆工 作时间。反应性调节器提至顶部后，后备反应性不足，此时需要添加上被片。引入的反应性 调节器可W适当延长堆巧的运行炉寿期，但反应性调节器需要人工操作，没有反馈电路和 联动装置，使用不便。而加上被片等繁琐操作所导致的非运行时间损耗几乎与微堆是相同， 开动率亦不高。
[0005] BNCT中子源要适应例行治疗的话，现行运行模式不作根本改变是难W应对的。作 为可引入医院的BNCT专用医疗设施，花费大量时间在运行操作与维护上显然是不合理的。 因此亟待提供一种新型的、长寿期的堆巧构造和运作模式，把中子源装置设计寿期的整个 时间跨度，最大可能地使用于治疗照射上。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于提供一种超长寿期堆巧反应性控制和调节方法，该方法使得抗 癌核素中子刀堆巧开动率高、寿期长。
[0007] 实现本发明目的的技术方案；一种超长寿期堆巧反应性控制和调节方法，该方法 具体包括W下步骤：
[000引 （1)控制中央控制椿、补偿椿、安全椿，使堆巧处于次临界状态；
[0009] (2)控制中央控制椿使堆巧达到临界状态；
[0010] 做控制中央控制椿，W维持堆巧处于临界状态；
[0011] (4)控制补偿椿，W维持堆巧正常运行；
[0012] (5)提升补偿椿到顶；
[001引 做待补偿椿的反应性全部释放后，加入上被片；
[0014] (7)重复上述步骤（1)~巧），直到两根补偿椿第二次提升至顶。
[0015] 所述的步骤（1)具体包括W下步骤：中央控制椿全部插入堆巧，补偿椿全部插入 堆巧，安全椿提出堆巧，堆巧处于次临界状态。
[0016] 所述的步骤（2)具体包括W下步骤；逐渐提升中央控制椿，使堆巧达到临界状 态。
[0017] 所述的步骤（3)具体包括W下步骤：继续逐渐提升中央控制椿，堆巧运行结束后 中央控制椿插入堆巧停堆。
[0018] 所述的步骤（4)具体包括W下步骤；将补偿椿上提，释放反应性，维持堆巧正常运 行，即执行上述步骤（1)~步骤（3)。
[0019] 所述的补偿椿的运动由电动机螺旋运动上下移动加W调节。
[0020] 所述的步骤（5)具体包括W下步骤；重复上述步骤（4)，一根补偿椿提升到顶后， 提升另一根补偿椿，直至两根补偿椿都提升到顶。
[0021] 所述的步骤（6)具体包括W下步骤：待补偿椿的反应性全部释放后，停堆开顶盖， 一次性加满上被片，然后将两根补偿椿全部下插。
[0022] 本发明的有益技术效果在于：
[0023] (1)本发明的方法借助补偿椿，将频繁的加被片操作简化为提升补偿椿，该种处理 方式，易于操作；再利用上被片将大量的反应性分散到堆巧各个部件，实现堆巧寿期的二次 延长，利用新设安全椿保证各种操作W及各工况下的停堆深度，将反应堆的寿期延长至40 年之久。与此同时，即使堆巧功率提升了 50%，寿期增加至40年，依然保持着固有安全性、 经济性。
[0024] (2)将运行所需的后备反应性储存在两根一定当量的补偿椿中，补偿椿的运动由 电动机螺旋运动上下移动加W调节，为了保证安全，补偿椿仅在抗癌核素中子刀休息时间 作适量慢动作调节，不像中央控制椿与安全椿那样可W-次撤出或插入堆巧；该种处理方 式，操作简单，维持了堆巧的其他结构，没有对堆巧造成改变，因而延续了其经济性、安全 性。
[0025](3)本发明的方法中上被层一次性加到全高度，在堆巧两个寿期约40年内只需要 操作一次，节省了停堆维护时间，一方面可W提高抗癌核素中子刀装置的开动率使其投入 更多的时间在BNCT照射上，另一方面降低了堆巧操作带来的不确定性和风险。
[0026] (4)本发明的设置两根安全椿总当量为13. 23mk，远大于中央控制椿的6. 6mk，可 W保证抗癌核素中子刀堆巧的停堆深度，增加其安全性。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明所提供的一种超长寿期堆巧反应性控制和调节方法的流程图；
[002引图2为本发明所提供的抗癌核素中子刀的堆巧及辅助组件俯视图；
[0029] 图3为本发明所提供的中央控制椿的示意图；
[0030] 图4为本发明所提供的补偿椿与安全椿的示意图。
[0031]图中；图中；1为中央控制椿，2为燃料元件，3为贫轴椿，4为错拉杆，5为侧被反射 层，6为安全椿，7为补偿椿，8为端头，9为巧椿，10为包壳，11为配重吊头，12为包管，13为 巧体，14为上部端塞，15为下部端塞。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0033] 如图1和图2所示，本发明所提供的一种超长寿期堆巧反应性控制和调节方法，该 方法具体包括W下步骤：
[0034] (1)控制中央控制椿1、补偿椿7、安全椿6,使堆巧处于次临界状态
[0035] 首次开堆前，中央控制椿1全部插入堆巧，2根补偿椿7全部插入堆巧，2根安全椿 6提出堆巧，解除保护，堆巧处于次临界状态。
[0036] (2)控制中央控制椿1使堆巧达到临界状态
[0037] 逐渐提升中央控制椿1，引入正反应性，使堆巧达到临界状态，并W设定的功率运 行。
[003引（3)控制中央控制椿1，W维持堆巧处于临界状态
[0039] 在反应堆运行过程中，随着水温增加，由于其负反应性效应向堆巧引入了负反应 性，为了维持堆巧处于临界状态，继续逐渐提升中央控制椿1，堆巧运行结束后中央控制椿 1插入堆巧停堆。
[0040] (4)控制补偿椿7,W维持堆巧正常运
[0041] 经过长时间的运行之后，由于燃耗的加深，反应堆后备反应性不足，中央控制椿1 提升的高度增加，导致堆巧运行中由于椿位到顶无法维持日运行时间，此时停堆，将补偿椿 7上提，释放适当反应性，维持堆巧正常运行，即执行上述步骤（1)~步骤（3)。
[0042] 补偿椿7的运动由电动机螺旋运动上下移动加W调节，为了保证安全，补偿椿7仅 在抗癌核素中子刀休息时间作适量慢动作调节，不像中央控制椿1与安全椿6那样可W- 次撤出或插入堆巧。
[0043](5)提升补偿椿7到顶
[0044]重复上述步骤（4)，一根补偿椿7提升到顶后，提升另一根补偿椿7,直至两根补偿 椿7都提升到顶。
[0045](6)待补偿椿7的反应性全部释放后，加入上被片
[0046] 待补偿椿7的反应性全部释放后，停堆开顶盖，一次性加满全高度的上被片，然后 将两根补偿椿7全部下插W吸收添加的反应性。
[0047] (7)重复上述步骤（1)~巧），直到两根补偿椿7第二次提升至顶，堆巧反应性不 足时，则更换堆巧燃料组件或者退役。
[0048] 如图2所示，侧被反射层5内设有燃料组件，该燃料组件包括燃料元件2、贫轴椿 3、错拉杆4。
[0049] 下面结合附图2、3、4分别介绍中央控制椿1、安全椿6、补偿椿7、上被片的结构和 作用。
[0050] 如图2所示，中央控制椿1位于堆巧中央的控制椿导管内，主要承担日运行立小 时的反应性温度消耗与毒物消耗，其当量考虑如下；抗癌核素中子刀日运行=小时，初始 温度20°C，稳定工况下冷却剂进口温度为36. 8°C，出口温度为68. 4°C，其冷却剂温升为 (36. 8+68 . 4) /2-20 = 32. 6 °C，20°C~60°C之间水的平均温度系数为-1. 583E-04/ °C，因 此冷却剂的反应性消耗为-5. 1606址。稳定工况下燃料温度达到86°C，温升66°C，20°C~ 100°C之间燃料的平均温度系数为-1. 43祀-05/°C，燃料的反应性消耗为；-0. 01435X66 =-0. 9471址。根据MCNPX+CIND邸对于中毒的计算结果，中子源装置运行化和化中毒引 起的负反应性分别为-0. 08址和-0. 26址，由内插得到化中毒约为-0. 17址。因此日运行 的反应性消耗为W上S者叠加，共约-6. 3mk，设计中控制椿的当量取6. 6mk，可予W满足。 [0化1] 如图3所示，中央控制椿1包括包壳10、位于包壳10两端的端头8和配重吊头11、 位于包壳10之内的巧椿9 ;巧椿9直径为4mm，包壳10外径5mm，巧椿9长280mm、当量约为 6. 6址。端头8、配重吊头11、包壳10均由不诱钢制成；巧椿9由In-Ag-Cd制成。
[0化2] 如图2所示，两根补偿椿7位于侧被反射层5中央对称位置，与纵坐标夹角20度， 承担一个炉寿期内235U燃耗W及"9Sm中毒的反应性消耗。
[0化3]采用MCNPX+CIND邸和WIMS+CITATION两种方法计算了采用超长寿期堆巧反应性 控制和调节方法的堆巧燃耗负反应性变化情况并相互印证，计算结果分别如下表1、2所 示：
[0化4]表1MCNPX+CIND邸计算的堆巧燃耗负反应性[0 化 5]
[0056] 表2WINS+CITATION计算的堆巧燃耗负反应性
[0057]
[0化引W-年开动十个月，一月四周，一周五天，一天S小时来计算，20年共运行 12000h，计等效日500天，MCNPX+CIND邸计算燃耗为-14. 66mk，WIMS+CITATION计算燃耗 为-15. 014mk。计算结果基本一致。
[0059] 因此两根补偿椿7的价值取15址左右，即可保证反应堆一个寿期20年的燃耗。 而堆巧两个寿期共消耗30mk的反应性，亦在燃料装量的允许范围之内。
[0060] 如图4所示，补偿椿7包括包管12、位于包管12两侧的上端部塞14和下端部塞 15、位于包管12内的巧体13 ;巧体13的外径为33mm，包管12厚度为1mm、外径为35mm、长 250mm。巧体13材料为In-Ag-Cd，包管12、上端部塞14、下端部塞15由不诱钢制成。
[0061] 堆巧燃料组件上部设有上被片托盘，上被片承担堆巧第二个寿期的全部反应性价 值消耗。上被片价值与两根补偿椿7的价值相当，在一次性加入上被片后，可将两根补偿 椿7包插入堆巧，补偿掉上被片的正反应性。上被片为圆柱形金属被片，外径264mm，内径 20mm，全高度 110mm。
[0062] 如图2所示，两根安全椿6位于侧被反射层5中央对称位置，与纵坐标夹角20度， 其作用主要是保证反应堆正常运行停堆时的停堆深度，W及事故状态下紧急停堆用。安全 椿不参与反应堆运行的反应性价值调节。其当量应大于中央控制椿1的当量，在中央椿卡 椿无法下插时，两根安全椿6下插，保证装置安全停堆（停堆深度大于2. 5mk)。
[0063] 如图4所示，安全椿6包括12、位于包管12两侧的上端部塞14和下端部塞15、位 于包管12内的巧体13 ;巧体13的外径为33mm，包管12厚度为1mm、外径为35mm、长250mm。 巧体13 ;材料为In-Ag-Cd，包管12、上端部塞14、下端部塞15、由不诱钢制成。
[0064] 本发明所提供的一种超长寿期堆巧反应性控制和调节方法主要体现在对反应堆 反应性的补充上，主要包括两种方式的补充：
[0065]a.补偿椿7对日运行消耗的反应性补充
[0066] 在经过一定天数的日运行后，由于燃耗带来的负反应性被中央控制椿1释放的部 分反应性补偿，使得中央控制椿1剩余的反应性不足W补偿慢化剂负反应性效应、燃料负 反应性效应、中毒=者带来的负反应性，即无法维持正常的日运行时间，运行至一定时间， 中央控制椿1椿位到顶，由于无法继续添加正反应性，在温度负反馈的影响下，反应堆将无 法维持临界而进入次临界状态，导致停堆。此时停堆上提补偿椿7,增加堆巧的后备反应性， 即可维持正常的日运行。
[0067] b.上被片对整个寿期的反应性补充
[0068] 燃耗逐渐增加，补偿椿逐渐上提，补偿椿7提至顶后第一个寿期结束，停堆开盖一 次性添加全部上被片，并将两根补偿椿7下插补偿反应性。该样堆可W再持续一个堆巧的 寿期。
[0069] 采用本发明所提供的一种超长寿期堆巧反应性控制和调节方法，进行事故计算， 中央控制椿1的当量控制在6. 6mk，经过RELAP5/SCDAP/MOD3. 4程序计算初始临界Iw冷态 下，向堆巧引入6. 6址与6. 7址正反应性的结果，与现有技术堆巧事故计算的热工参数数据 比较如下表3所示：
[0070] 表3阶跃引入正反应性物理热工参数对照
[0071]
[007引 由上表3可知；6. 6址与6. 7址反应性全释放时，峰值功率虽然比4. 5址高了 20% -26%，但是堆巧出口温度只高了 4~5°C，且低于对应的水的饱和温度。经过计算， 6. 6址与6. 7址反应性释放后燃料最高温度分别为191. 3°C和194. 3°C，远低于U02的烙点； 包壳10的最高温度分别为121. 8°C和122. 2°C，只在燃料包壳10热点附近瞬时发生局部泡 沫沸腾，对整个堆巧不存在危害。在不采取任何人为干预下，堆巧空泡效应与负温度效应逐 步抵消阶跃的正反应性值，使堆功率达峰值后逐步下降，水温和燃料温度随之下降。
[0073] 上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施 例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可W在不脱离本发明宗旨的前提下作 出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可W采用现有技术。
【主权项】
1. 一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于，该方法具体包括以下步 骤： (1) 控制中央控制棒（1)、补偿棒（7)、安全棒(6)，使堆芯处于次临界状态； (2) 控制中央控制棒（1)使堆芯达到临界状态； (3) 控制中央控制棒（1)，以维持堆芯处于临界状态； (4) 控制补偿棒（7)，以维持堆芯正常运行； (5) 提升补偿棒（7)到顶； (6) 待补偿棒（7)的反应性全部释放后，加入上铍片； (7) 重复上述步骤（1)~（5)，直到两根补偿棒（7)第二次提升至顶。2. 根据权利要求1所述的一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于：所 述的步骤（1)具体包括以下步骤：中央控制棒（1)全部插入堆芯，补偿棒（7)全部插入堆 芯，安全棒（6)提出堆芯，堆芯处于次临界状态。3. 根据权利要求2所述的一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于：所 述的步骤（2)具体包括以下步骤：逐渐提升中央控制棒（1)，使堆芯达到临界状态。4. 根据权利要求3所述的一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于：所 述的步骤（3)具体包括以下步骤：继续逐渐提升中央控制棒（1)，堆芯运行结束后中央控制 棒（1)插入堆芯停堆。5. 根据权利要求4所述的一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于：所 述的步骤（4)具体包括以下步骤：将补偿棒（7)上提，释放反应性，维持堆芯正常运行，即执 行上述步骤（1)~步骤（3)。6. 根据权利要求5所述的一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于：所 述的补偿棒（7)的运动由电动机螺旋运动上下移动加以调节。7. 根据权利要求6所述的一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于：所 述的步骤（5)具体包括以下步骤：重复上述步骤（4)，一根补偿棒（7)提升到顶后，提升另 一根补偿棒（7)，直至两根补偿棒（7)都提升到顶。8. 根据权利要求7所述的一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，其特征在于：所 述的步骤（6)具体包括以下步骤：待补偿棒（7)的反应性全部释放后，停堆开顶盖，一次性 加满上铍片，然后将两根补偿棒（7)全部下插。
【专利摘要】本发明属于一种堆芯反应性的控制调节方法，具体公开一种超长寿期堆芯反应性控制和调节方法，该方法具体包括以下步骤：(1)控制中央控制棒、补偿棒、安全棒，使堆芯处于次临界状态；(2)控制中央控制棒使堆芯达到临界状态；(3)控制中央控制棒，以维持堆芯处于临界状态；(4)控制补偿棒，以维持堆芯正常运；(5)提升补偿棒到顶；(6)待补偿棒的反应性全部释放后，加入上铍片；(7)重复上述步骤(1)～(5)，直到两根补偿棒第二次提升至顶。本发明的方法使得抗癌核素中子刀堆芯开动率高、寿期长。
【IPC分类】G21G4/02
【公开号】CN104882186
【申请号】CN201510157667
【发明人】周永茂
【申请人】中国中原对外工程有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月3日