高通量工程试验堆（HFETR）综合利用

王皓　刘水清　向玉新　马立勇　康长虎　徐涛忠

【摘 要】高通量工程试验堆（HFETR）自从一九八O年以来，至今已安全运行了30多年，随着燃料元件、材料等的辐照试验和同位素生产的开发研究，HFETR堆芯装载变得越来越复杂。为了充分利用HFETR进行燃料元件辐照考验，材料辐照试验和同位素生产，有必要对它的综合利用进行研究，以期相同的投入得到较大的产出，寻找出HFETR发挥较大潜能，获得较大经济效益和社会效益的有效途径。

【关键词】综合利用；辐照；同位素生产

The Synthesis Usage of HFETR

WANG Hao LIU Shui-qing XIANG Yu-xin MA Li-yong KANG Chang-hu XU Tao-zhong

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610005，China）

【Abstract】It has been more than 30 years since High Flux Engineering Test Reactor（HFETR） operated in 1980.With the development and research increasing of fuel assemblies、materials irradiation test and radioisotopes production， the core of HFETR become more and more complicacy.It is necessary to research the synthesis usage of HFETR.It is hoped to get maxium output with minium input.

【Key words】Synthesis usage；Irradiation；Radioisotopes production；HFETR

0 前言

高通量工程试验堆（HFETR）从一九八O年至今，已安全运行了30多年，完成了大量的燃料元件辐照考验，材料辐照试验任务和同位素生产任务以及单晶硅中子嬗变掺杂和卸料元件γ辐照加工等工作。HFETR是一座以动力堆燃料元件和材料辐照研究为主，兼顾同位素生产[1]的工程试验堆。HFETR堆芯从最初的25盒标准元件，少量的同位素靶件、无回路运行到今天的80盒标准元件、大量的同位素靶件、多个试验孔道和考验回路运行，这样使得HFETR堆芯装载有较大幅度的变化，要使HFETR的运行同时满足更多材料、元件的辐照试验和更多同位素生产的需要，HFETR堆芯的综合利用研究尤为重要。

1 HFETR堆芯装载

随着HFETR的运行，燃料元件輻照考验、材料辐照试验和同位素生产任务的越来越多，HFETR堆芯装载也越来越复杂。在HFETR运行的第一炉，堆芯仅有25盒标准元件，4盒控制棒跟随元件，铍块60盒，跟随铍块14盒，辐照靶件为11个大钴靶件和9个小靶件，并且没有回路的小堆芯，以后逐步扩大。从第35炉开始，HFETR堆芯扩大为80盒标准元件，70盒铍块，38盒钴靶大靶件，76个小靶件，并且在4#孔道有一个500kW回路辐照装置考验4×4-4燃料组件。从第49炉开始，HFETR堆芯又扩大为80盒标准元件，80盒铍块，除4#孔道的回路辐照装置外，在2#孔道增加了一个2000kW回路辐照装置用于燃料组件辐照考验。目前，典型的HFETR堆芯装载，除新、旧燃料元件外，还有铍块，不锈钢块，大钴靶件，铝块，铍孔及元件中孔靶件，外层6#、8#孔道进行单晶硅中子嬗变掺杂，9#孔道用于材料辐照，带回路运行。

2 HFETR综合利用

HFETR堆芯装载由小到大，反应堆运行时间由短变长，前13炉次不分段运行，从第14炉开始，为满足辐照任务及科研生产的需要，每炉分段运行。随着试验和生产任务的增加，堆芯变得越来越复杂。提高HFETR同位素生产产值并使之趋于最大是HFETR综合利用所追求的目标之一。目前，HFETR同位素生产项目主要包括：

1）60Co，192Ir，113Sn，99Mo，32P，125I，131I，186Re，153Sm，131Ba等十多种高比活度放射性同位素，形成了二十多种放射性同位素产品。

2）单晶硅中子嬗变掺杂。

3）卸料元件γ辐照源的开发和利用。

HFETR综合利用研究从以下几个方面进行探讨，寻找出HFETR发挥较大潜能，在不增加投入的情况下得到较大的产出，获得较大效益的途径。

2.1 提高HFETR堆芯的空间利用系数

HFETR堆芯布置非常灵活而且紧凑，堆芯采用规则的三角点阵布置，每个燃料组件、铍组件、铝组件、钴靶件等均占据一个栅元，可按需要互换位置。18根控制棒连同其导管各占一个固定的栅格。燃料装载可根据任务能多能少，辐照孔位置是固定的，其数目可多可少，在孔道不用时，被孔道破坏的规则栅格，可用异形填塞块恢复完整；考验件的中子能谱可按需要调整，因此堆芯布置上有高度的灵活性和适应性。铍组件和铝件中心有φ20mm的孔道，正常使用时，中心孔道内分别插有一根φ17mm的小铍棒和小铝棒，冷却水通过环隙流道，使铍组件和铝组件能得到充分冷却，其表面温度不超过90℃。铍组件和铝组件中心孔道可作为辐照空间利用。所以，同位素靶件除栅元靶外，还可以分别放置φ63mm的辐照孔道，元件中心φ12mm的辐照孔道，铍组件和铝组件中心φ20mm的辐照孔道，59Co靶还可用作控制棒吸收体。因此，提高HFETR综合利用能力的途径之一是提高堆芯的空间利用系数，高注量率的元件区，中注量率的铍反射层区及低注量率的铝反射层区，都应该利用起来，每炉次运行的堆芯装载应使得堆芯空间达到较充分的利用。

为确保HFETR的安全、高效运行，每炉次运行前，首先进行堆芯装的物理方案设计，设计准则为：

1）堆芯在1、2AB提起后，全堆的冷态次临界度大于1.0βeff；

2）全堆有足够的运行寿期，全堆有较高的允许功率，较小的径向功率不均匀系数；

3）满足燃料元件、材料的辐照试验条件；考验组件在HFETR一定功率运行下，其表面热流密度不超过允许的最大热流密度限值。

4）同位素靶件处的中子注量率水平应在其冷却允许值之下，但要尽量接近其允许值，使之产量最多。

HFETR每炉次运行前，根据运行任务，在前述准则下，对堆芯装载进行物理设计，使得堆芯在满足安全运行准则的前提下，尽量利用高中子注量率的区域，使得同位素产量较大。HFETR的实际运行表明，在设计堆运行物理方案时，目前对靶件、元件、铍组件等进行优化组合，将堆芯装载成“低泄漏式”，实现了堆芯倒料的最优化设计[2]，提高了HFETR的空间利用系数。

2.2 提高HFETR堆芯的时间利用系数

HFETR的综合利用，除反应堆燃料元件和结构材料的辐照试验外，主要是如何充分利用HFETR的中子来生产各种放射性同位素，进行单晶硅中子嬗变掺杂。

各同位素的半衰期各不相同，在保证回路辐照装置的组件辐照考验的前提下，合理安排HFETR运行周期。两次运行的时间间隔太长，对同位素生产不论是长寿命的60Co还是短寿命的Mo-Tc均不利。对前者，衰变损失太大，且比度越高，衰变损失越大，要达到一定高比度值所需的时间太长；对后者，无法保证连续供货。同时，对于燃料元件与材料的輻照任务，完成周期太长，不利于HFETR的综合利用。

在HFETR堆芯物理方案设计时，应对同位素靶件进行优化设计，在满足堆芯运行寿期和冷态次临界度的前提下，确保每盒同位素靶件在相同的积分功率下，比活度净增最大，并且每炉次净增比活度与该靶件原总活度的自然衰减值之差为最大值，在堆芯倒料过程中，适当增加各种靶件的倒换量和倒换频度，使每次运行同位素产量最大化。在同位素辐照生产中，长、短半衰期的搭配应合理，确保相同的投入有较大的产出，使得HFETR的综合利用较优化。

2.3 燃料元件的充分利用

HFETR低浓燃料元件的燃耗限值为55%，每炉次运行前，根据运行要求，燃料元件布置尽量满足装载对称原则，采用由内向外倒料的换料方案，即新元件入堆芯中部，外围用已用过一炉或多炉的旧元件，这种布置虽然径向功率不均匀性大一点，但可节省新投入元件数量，增大后备反应性和运行寿期。在元件具体布置和倒料方案上，要根据功率分布和元件燃耗情况，基本实现平衡换料，使得元件燃耗较深，力争出堆元件燃耗接近55%。若每盒元件充分利用1%的燃耗，则HFETR每年运行可节约的费用，非常可观。

2.4 HFETR单晶硅中子嬗变掺杂和卸料元件γ辐照加工

从一九八O年开始，在HFETR上进行了单晶硅中子嬗变掺杂技术的研究，试验证明，在HFETR上进行中子嬗变掺杂具有以下优点[4]：

通量高、辐照时间短。反应堆功率在55MW时，从原始电阻率为1100Ω·cm的N型硅单晶硅掺杂到100Ω·cm仅需2小时8分钟。

HFETR堆芯辐照孔道大并且长，通量分布相对平坦，生产的NTD硅电阻率均匀，而且装载多，产量高。同时具备辐照大直径（大于7.6cm）低目标电阻率（小于20Ω·cm）的能力。

目前，在稳定和提高单晶硅辐照质量的同时，开展大直径硅、直拉硅、半导体器件性能控制等方面的研究工作[5]；充分利用HFETR卸料元件强γ场的特点，加强卸料元件γ辐照场在聚乙烯热缩制品辐照交联方面的应用，多争取客户。

2.5 降低同位素产品的辐照成本[6]

提高同位素的比活度是降低成本的因素之一，应从靶件设计和辐照时间等方面进行优化设计，寻找出每种同位素靶件的最佳装料模式，使得中子注量率在经过靶件后的沉降与自屏最小，确保提高靶件比活度，降低成本。

3 s结论

为了充分利用HFETR的燃料元件辐照、材料辐照和同位素生产能力，降低成本，以相同的投入得到较大的产出，使HFETR发挥较大潜能，获得较大经济效益和社会效益的有效途径如下：

1）提高HFETR堆芯的空间利用系数；

2）提高HFETR堆芯的时间利用系数；

3）充分利用燃料元件，其燃耗接近燃耗限值而不超过；

4）加强HFETR单晶硅中子嬗变掺杂和卸料元件的γ辐照加工，做到物尽其用；

5）降低同位素产品的辐照成本，首先使靶料的设计最优化。

本工作原则上可适用于各种形式的研究试验堆的综合利用，对于铀氢锆堆、动力堆，本工作也有参考意义。

【参考文献】

[1]吕光全.49-3堆运行经济分析，NPIC报告，1985.

[2]彭凤，等.HFETR堆芯燃料管理方案与计算，HFETR运行十年论文集，四川科学技术出版社，1991.

[3]刘水清，等.HFETR考验Ф6燃料组件物理方案设计，NPIC报告，1998.

[4]彭光辉，等.HFETR进行单晶硅中子嬗变掺杂，HFETR运行十年论文集，四川科学技术出版社，1991.

[5]李光明，等.HFETR卸料元件γ辐射源的开发与利用，HFETR运行十年论文集，四川科学技术出版社，1991.

[6]张守刚，等，用HFETR生产高比度放射性同位素，HFETR运行十年论文集，四川科学技术出版社，1991.

[责任编辑：田吉捷]