核能開發(fā)及應(yīng)用13

1、核能(hnng)開發(fā)及應(yīng)用第四章：材料(cilio)及物理共三十頁微型(wixng)研究堆微型研究堆是一種特小型中子源反應(yīng)堆，它安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，建設(shè)期短，易于操作和管理，可建在大城市的研究所、學(xué)校和醫(yī)院內(nèi)。1984年，中國首座微型堆建成，燃料元件為直徑4.3mm的細長燃料棒，芯體為90鈾的鈾鋁合金，裝有345根燃料棒，鈾235裝載量為1kg，僅比最小臨界質(zhì)量0.83kg稍大一點。以水為慢化劑和冷卻劑，堆芯懸掛于5.6m深、2.7m直徑的大水池中。微型堆可用來進行中子活化分析及其他有關(guān)科研，還可用來生產(chǎn)短壽命放射性同位素。中子活化分析具有檢測(jin c)速度快、精度高、測試樣品基本

2、無需化學(xué)前處理等特點。還可進行生物輻射效應(yīng)方面的研究與試驗，以及核科學(xué)與技術(shù)的研究、教學(xué)與培訓(xùn)。共三十頁微堆為罐-池式結(jié)構(gòu)，額定熱功率為22kW，它由去離子水在堆容器內(nèi)通過自然對流的方式進行冷卻，再與池水進行熱量交換，最后通過池壁傳到環(huán)境中去。上筒體：高4700mm外徑620mm用厚度為10mm的LT21特殊鋁合金制作。下筒體：高900 mm，外徑620 mm，內(nèi)徑600 mm，材料(cilio)與上筒體相同，橢圓底封頭。上、下筒體用高壓聚乙烯墊片密封，并通過16根223的不銹鋼管制成的長螺桿，將上、下筒體聯(lián)結(jié)在一起，并同堆頂法蘭一起形成密閉的容器。下筒體外表面必須經(jīng)過切削加工。堆頂法蘭：直徑

3、710mm，厚20mm，是安裝中心控制棒、安全棒、反應(yīng)性調(diào)節(jié)器、電離室、熱電偶、電導(dǎo)、水位測量裝置的支座。法蘭的中央開有290 mm的孔，用于上鈹片托盤進出，鈹片操作。長螺桿和吊桿：上下堆筒體的連接和密封通過16根長螺桿完成共三十頁堆內(nèi)構(gòu)件及堆芯構(gòu)件 1）堆芯支座：是堆內(nèi)零部件安裝的基礎(chǔ)，它由底座、鈹環(huán)座通過導(dǎo)流筒焊接成一組件，并用(bn yn)4個螺栓固定在下筒體底板的四個支塊上，底鈹盤、側(cè)鈹環(huán)就安放在它的上面并跟導(dǎo)流筒一道構(gòu)成冷卻水的入口流道，冷卻水經(jīng)過導(dǎo)流筒的充分混合后，經(jīng)底座上的流道進入由底鈹盤和側(cè)鈹環(huán)構(gòu)成6mm高的入口，進入燃料一體化組件，把燃料組件的熱量帶出堆芯，后經(jīng)側(cè)鈹環(huán)與托板構(gòu)

4、成的7.5mm高的出口流道進入助流筒流出堆芯區(qū)。 2）底鈹盤：外徑290mm、內(nèi)徑10mm、厚50mm的鈹塊直接安放在堆芯支座的底座上。 3）側(cè)鈹環(huán)，是一個外徑435mm、內(nèi)徑231 mm、高238.5 mm的環(huán)狀鈹環(huán)。 4）支架、托板、助流筒：支架由支架上座、支架底座和瓦形圍板焊接成組件，圍繞在側(cè)鈹環(huán)外，堆芯支座上，它的上端支架上座與托板固定，托板與側(cè)鈹環(huán)的頂面構(gòu)成7.5mm高的堆芯冷卻劑出口流道。共三十頁 5）鈹片托盤：它的內(nèi)部可裝放109.5mm高的鈹片，鈹片分別是1.5、3、6和12mm厚，外徑為243mm，內(nèi)徑為20mm的半園形鈹片。隨著反應(yīng)堆運行，根據(jù)燃耗反應(yīng)性的多少，可將托盤提出

5、堆頂進行(jnxng)添加鈹片。 6）堆芯組件：由上柵板，下柵板，中心控制棒導(dǎo)管和5根均布的支桿組成“鳥籠”結(jié)構(gòu)，它們都是由鋁合金材料組成。上下柵板開350根燃料元件孔位。 7）中心控制棒：控制棒用Cd材料做吸收體，Cd管尺寸為3.91266mm，裝在50.5mm的不銹鋼包殼內(nèi)。棒長480 mm，加上吊重約重1kg，用1.8mm的不銹鋼絲繩經(jīng)安裝在堆頂蓋上的繩輪架與控制棒傳動機構(gòu)連接。共三十頁額定熱功率kW27堆芯平均熱中子注量率n/cm2.s11012反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)形式“罐-池”結(jié)合燃料芯體材料UAl4燃料235U富集度 %90.2燃料元件包殼材料鋁合金堆芯燃料元件根數(shù)根345堆芯235U裝量K

6、g0.993活性區(qū)高度mm230活性區(qū)直徑mm230堆芯冷卻方式自然循環(huán)反應(yīng)堆容器水量噸1.5池水深度m 6.5水池壁厚mm600水池容積噸27中心控制棒Cd -7mk共三十頁微堆結(jié)構(gòu)圖共三十頁微堆的安全(nqun)性能微堆的固有安全性：1、具有良好的固有安全性采用欠慢化、小流量、不充分自然循環(huán)的措施，嚴格限制(xinzh)冷態(tài)后備反應(yīng)性。2、微堆采用灌池結(jié)構(gòu)的堆型，靠自然循環(huán)導(dǎo)熱，能確保導(dǎo)出停堆后的衰變熱。3、即時在最大事故工況下，對周邊也不會產(chǎn)生影響。微堆防止放射性物質(zhì)逸出的三道屏障 ：1、微堆燃料元件芯體是有效地阻止放射性物質(zhì)泄漏的第一道屏障。2、燃料元件包殼是可以阻止揮發(fā)性裂變產(chǎn)物逸出

7、的第二道屏障。3、罐-池結(jié)構(gòu)成為防止放射性物質(zhì)外漏的第三道屏障共三十頁共三十頁共三十頁共三十頁共三十頁微堆環(huán)境輻射監(jiān)測結(jié)果(ji gu) 輻射劑量率：Sv/h， 本底：0.16 Sv/h測量場所 反應(yīng)堆停堆狀態(tài) 反應(yīng)堆滿功率運行 2006年6月6日2008年4月10日2010年9月11日 2006年6月6日2008年4月10日2010年9月11日正門0.140.110.120.130.130.14辦公樓大廳0.180.140.160.140.150.17“腳踏實地”處0.230.140.190.210.160.20演會中心臺階下0.150.120.120.160.140.14實驗樓與辦公樓天橋

8、0.150.130.160.170.130.12堆廳東墻外大門處0.160.110.130.120.130.15堆廳東墻外馬路上0.140.130.140.110.120.15原教工餐廳南門外0.160.130.160.150.110.14原教工餐廳北門外0.190.120.140.130.150.17郵局門口0.110.120.140.130.130.12共三十頁核設(shè)施防洪預(yù)案及防洪能力(nngl)評估深圳大學(xué)微堆所處地點與周圍地理環(huán)境相比，地勢較高，廠房地平面絕對高程為20.5米，其外走廊地平高出周圍環(huán)境約40公分，周圍建有暢通的排水管道，可將雨水及時排走。深圳大學(xué)周圍沒有高山，不可能發(fā)生

9、(fshng)山洪現(xiàn)象。每當(dāng)臺風(fēng)或暴雨來臨時，核技術(shù)研究所都有人值班，萬一出現(xiàn)不測，可及時處理。綜合自然地理環(huán)境和管理措施，深圳大學(xué)微堆被洪水淹沒的可能性極小。深圳大學(xué)位于南山區(qū)，南臨深圳灣，西臨珠江入?？?，東連陸地。深圳灣完全被南部的香港屏蔽，珠江口以西為粵南陸地，故深圳大學(xué)微堆廠房幾乎不會受海嘯的影響。共三十頁共三十頁由于廠房地面高出海平面20米，理論上20米以下的海嘯也不會對微堆廠房構(gòu)成威脅。經(jīng)與深圳市氣象臺咨詢，自有記錄以來，深圳大學(xué)附近海域沒有發(fā)生過海嘯，深圳大學(xué)實驗樓所處位置沒有發(fā)生過洪水淹沒(ynm)事件。微堆建堆以來，臺風(fēng)、暴雨未對微堆構(gòu)成威脅。已采取的防洪措施：每當(dāng)臺風(fēng)或暴雨

10、來臨時，核技術(shù)研究所都有人值班，并備有一臺水泵，供排水專用，當(dāng)確定洪水水位有可能超過地基標高時，在廠房四周用沙袋組成防洪堤，防止洪水進入廠房。共三十頁核設(shè)施抗震預(yù)案及現(xiàn)場抗震能力(nngl)評估 深大微堆抗震設(shè)計遵循美國原子能委員會（AEC）SSE和OBE準則，外殼可承受烈度為8度的地震。堆芯“鳥籠”的自振頻率（141.7Hz）比殼體的自振頻率(4.23Hz)大得多，它們不會發(fā)生共振現(xiàn)象。分析與模擬實驗表明，堆芯結(jié)構(gòu)牢固可靠，元件不會從柵格中松脫。深大微堆廠房是與深大實驗樓同時建設(shè)的。施工(sh gng)標準依據(jù)為深圳地區(qū)鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計試行規(guī)程（SJG-84，該規(guī)程中規(guī)定“深圳市的

11、基本烈度為6度”）和工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范（TJ11-78，規(guī)范中規(guī)定“對基本烈度為6度地區(qū)，一般不設(shè)防）。共三十頁1988年10月，深圳大學(xué)建筑設(shè)計院對深大實驗樓和微堆廠房的抗震問題作了評估。深大實驗樓采用了澆注混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，適當(dāng)采取了提高抗震能力的措施。如適當(dāng)加密梁柱節(jié)點連接處的鋼箍間距，梁柱受力主筋的錨固按地震(dzhn)區(qū)處理等等。在設(shè)計施工時進行了唐山地震(dzhn)的震害調(diào)查，實驗樓及微堆廠房的抗震能力已超過了深圳地區(qū)基本烈度為6度的要求，一般在8度時，可保證除局部會出微小裂縫外，一般不會出大問題，更不會出現(xiàn)倒坍現(xiàn)象。微堆水池由于位于地下，更不會有破壞問題。 共三十頁微堆

12、水池在建設(shè)中采取了以下措施：1、結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用環(huán)澆鋼筋混凝土，混凝土標號為300，抗?jié)B標號為B8（防水混凝土）；2、施工時混凝土連續(xù)澆搗，沒有施工縫，混凝土密實性好；3、微堆水池池底池壁鋼筋混凝土厚度(hud)均為600mm，并設(shè)三層鋼筋網(wǎng)，可以承受由于混凝土收縮及溫度變化引起的拉應(yīng)力；4、池內(nèi)壁又作了一層瓷磚防水（用環(huán)氧樹脂貼）。據(jù)此深圳大學(xué)建筑設(shè)計院得出兩點結(jié)論：1、深圳大學(xué)的微堆水池在設(shè)備選型上、安裝方法上、結(jié)構(gòu)設(shè)計上都與北京401所的完全相同，本工程微堆水池壁厚為600mm。所以本工程的微堆水池在抗震上是完全可靠的。2、微堆水池在防漏防滲設(shè)計上是采用了多層保險的辦法，既采用了密實防水混

13、凝土，又采用了外貼中性瓷磚的辦法，在混凝土中又設(shè)置了防裂鋼筋網(wǎng)。這樣的措施是能保證不裂不滲的。共三十頁事故分析：當(dāng)受地震、飛機直接撞擊等突發(fā)事件導(dǎo)致反應(yīng)堆整體結(jié)構(gòu)(jigu)崩潰，使核燃料元件破損情況下，由于微堆功率水平低，具有良好的固有安全性，不會發(fā)生堆芯熔化事故，對周圍環(huán)境的輻射風(fēng)險極小，即使在堆芯裸露、廠房倒塌情況下，廠外人員受照最大可能有效劑量當(dāng)量的估算值小于0.02Sv，不會危及公眾的健康和安全。對于地震等災(zāi)害造成堆水失水事故，由于還有0.5m厚的屏蔽水不會喪失，堆芯不會裸露，堆是安全的，公眾所受的有效劑量當(dāng)量遠小于0.05Sv，對公眾不會造成傷害。由于地震等災(zāi)害造成池水喪失事故時，

14、不會對工作人員造成危害。微堆水池池壁是600mm厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗破壞能力較強共三十頁核設(shè)施消防系統(tǒng)檢查(jinch)根據(jù)微堆動態(tài)實驗結(jié)果，引入反應(yīng)性越大，峰值功率也越大，出現(xiàn)峰值功率的時間越早。當(dāng)全部冷態(tài)后備反應(yīng)性釋放時，功率增長很快，倍增周期只有5.2秒。但由于負溫度效應(yīng)的作用，經(jīng)過6分鐘，功率增長的勢頭被抑制住了，出現(xiàn)76KW的峰值功率，然后逐步下降。隨著引入正反應(yīng)性的增加，元件芯體溫度、元件壁面溫度、冷卻劑的出口溫度、流量、流速都相應(yīng)的增加。堆芯元件芯體最高溫度達91.5C，最高壁面溫度91.2C，比飽和溫度113C低20C。因此微堆不會產(chǎn)生過高溫度等引起的火災(zāi)。最可能引起火災(zāi)的原

15、因是電器火災(zāi)，或者實驗樓內(nèi)其他地方火災(zāi)，蔓延到微堆。為此微堆控制室、走廊設(shè)置了干粉、泡沫滅火器，通道門均采用防火防盜門予以隔離。由于微堆大廳和微堆控制室是隔離的，并且(bngqi)進入微堆主體的電纜均為信號電纜，很難發(fā)生電氣火災(zāi)。微堆筒體浸在6.5米的水池中，筒體本身也充滿了水，這也提高了微堆抗火災(zāi)的能力，保證了微堆堆芯基本不受火災(zāi)的影響。共三十頁多重極端(jdun)自然災(zāi)害的預(yù)防和緩解措施事故假設(shè)：多重極端自然災(zāi)害（如強烈地震并伴隨著大海嘯）疊加事故的最終結(jié)果是微堆廠房倒塌并被海水淹沒，并且微堆尚在滿功率運行。此時微堆的所有控制功能完全喪失，也無法(wf)進行及時地人工控制。共三十頁一、反應(yīng)

16、堆充滿水1、若反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)沒有破壞，并且堆芯充滿水，熱中子慢化功能沒有受到影響，反應(yīng)堆可能會繼續(xù)運行。由于微堆的后備反應(yīng)性不大于4mk，微堆依靠負溫度特性、不斷增大氙毒的負反應(yīng)性（平衡氙為5.6mk）的共同作用下，在運行幾個小時（不大于9小時）后會處于亞臨界狀態(tài)。由于氙-135的半衰期為9.2小時，因此微堆的亞臨界狀態(tài)將持續(xù)很長時間，足夠滿足救援人員反應(yīng)時間的要求。緩解措施：a、救援人員需向反應(yīng)堆內(nèi)輻照座通過跑兔管打入足夠當(dāng)量的鎘吸收體，通常為56mk左右。由于微堆的最大冷態(tài)后備反應(yīng)性不大于4.0mk，因此可以保證足夠的停堆裕度，實現(xiàn)可靠停堆。b、排出池水，用去離子水沖洗，注入池水，凈化池水

17、。C、凈化堆水。2、若堆芯物理(wl)結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，并且解體，由于受臨界體積的限制，反應(yīng)堆的鏈式裂變反應(yīng)將終止。緩解措施：救援人員應(yīng)盡一切可能保證反應(yīng)堆筒體充滿水，以屏蔽放射性。共三十頁3、在上述情況下，由于堆芯燃料元件浸泡在水質(zhì)極度惡化的水中，燃料元件包殼會被腐蝕破損，但這需要相對較長的時間。在這段時間內(nèi)，救援人員可以采取一系列緊急措施防止事態(tài)的進一步惡化。大量洪水進入池水會使池水水質(zhì)變壞，加劇筒體的腐蝕速度。少量(sholing)洪水進入堆水將導(dǎo)致堆水水質(zhì)變壞，加劇筒體、燃料元件包殼及堆內(nèi)其它構(gòu)件的腐蝕速度，對微堆的安全構(gòu)成威脅，必須防止這樣的事故發(fā)生。反應(yīng)堆為池罐式反應(yīng)堆，采用自然循

18、環(huán)冷卻堆芯，因此發(fā)生洪水淹沒反應(yīng)堆的自然災(zāi)害，不會破壞反應(yīng)堆的冷卻能力。共三十頁如果在反應(yīng)堆運行時，洪水淹沒造成電源斷電，使反應(yīng)堆缺乏電源，但在設(shè)計中，反應(yīng)堆控制棒設(shè)計為失電保護，一旦電源失電，控制棒將自動插入堆芯，使反應(yīng)堆處于停堆狀況。不論反應(yīng)堆在洪水淹沒時處于停堆狀況、滿功率運行狀況、還是控制棒失控提出(t ch)，反應(yīng)堆都能有良好的冷卻能力和屏蔽能力，不論何種原因發(fā)生洪水淹沒反應(yīng)堆的自然災(zāi)害不會對反應(yīng)堆造成極其嚴重的安全影響。共三十頁二、池水、堆水泄露在災(zāi)害發(fā)生后，池水、堆水泄露，導(dǎo)致堆芯裸露，這時由于沒有了慢化劑，反應(yīng)(fnyng)堆將會停止鏈式裂變反應(yīng)(fnyng)。此時的輻射劑量估

19、算值見下表：事故發(fā)生后時間 輻射劑量當(dāng)量率（mSv/h）微堆廠房外離堆頂10m處馬路離堆頂20m處辦公室離堆頂50m處辦公室6h1.610-27.610-32.710-31d1.110-25.310-31.910-330d4.810-32.210-37.910-4共三十頁緩解措施：1、立即撤離廠房，避免廠房倒塌而可能造成的人員傷害的危險。2、人員撤離大廳，關(guān)閉大廳門，避免遭受過量照射。3、人為斷掉控制系統(tǒng)電源，使控制棒下插停堆，或向堆芯輻照座打入鎘串，保證反應(yīng)堆處于停堆狀態(tài)實現(xiàn)可靠停堆。4、微堆周圍(zhuwi)20米內(nèi)為禁區(qū)，只準救援人員進出；5、啟動應(yīng)急預(yù)案。由于微堆功率水平低，具有固有安

20、全性，不會發(fā)生堆芯溶化事故，對周圍環(huán)境的輻射風(fēng)險極小，即時在堆芯裸露、廠房倒塌情況下，場外人員最大可能有效劑量當(dāng)量的估算值遠小于0.02Sv，不會危及公眾的健康和安全。共三十頁三、超出設(shè)計地震烈度和發(fā)生洪水淹沒反應(yīng)堆的自然災(zāi)害疊加事故 發(fā)生超出設(shè)計地震烈度的事故，可能對反應(yīng)堆造成影響的是造成反應(yīng)堆水池發(fā)生震裂，反應(yīng)堆水池的水漏出水池，造成水池缺水。發(fā)生洪水淹沒反應(yīng)堆可使得洪水填充進水池中，恢復(fù)水的屏蔽(pngb)作用，因此發(fā)生超出設(shè)計地震烈度和發(fā)生洪水淹沒反應(yīng)堆的自然災(zāi)害疊加事故不會對反應(yīng)堆造成嚴重的安全影響。四、超出設(shè)計地震烈度和發(fā)生火災(zāi)疊加事故 大廳外的火災(zāi)：大廳與其它房間隔離，火災(zāi)不會影響大廳。大廳內(nèi)的火災(zāi)：控制系統(tǒng)發(fā)生電器事故起火，導(dǎo)致電路斷電，此時控制棒因自重下插停堆。緩措施：大廳內(nèi)地面為瓷磚，水池周圍無起火材料，限制了火災(zāi)蔓延入水池。由于堆芯處于充滿水的鋁合金筒內(nèi)，故火災(zāi)不會對堆芯燃料造成影響。共三十頁