临界实验装置中子毒物系统初步设计研究

邵增，樊雨轩，胡小利，易 璇，杨海峰

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

在溶液形态的易裂变材料操作、贮存系统中，尤其是对处理量大、设备体积较大的料液贮槽，中子毒物是进行临界安全控制的主要手段。为验证中子毒物临界安全控制方式的可靠性，以及临界安全分析程序计算该类问题的计算偏差及其不确定度，一般采用相似的临界基准实验进行验证。为此，国外开展过大量的临界基准实验，其中就有多种形式的含中子毒物棒的含钚溶液临界基准实验。这些实验开展的年代较早，中子毒物棒的布置操作多采用了手套箱的形式[1]。

由于钚溶液易产生气溶胶放射性污染，中子毒物系统的布置设计遇到了较大的挑战，传统的手套箱方式很难满足辐射防护等相关要求。

本文针对钚溶液临界实验装置中子毒物系统初步方案设计中遇到的关键难题，开展了详细调研和设计研究，致力于能够在完全密封、无接触的条件下，实现有棒、无棒、不同数量、不同材质、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，使得临界实验装置可以有效开展各种不同方案的临界实验，同时避免放射性物质泄漏出临界实验装置造成气溶胶污染等放射性危害。

1 研究背景

中子毒物控制是堆外易裂变材料运输、贮存及后处理操作过程中常用到的临界安全控制方法。中子毒物控制通过中子的吸收使系统内的中子消失来减小反应性，防止系统临界。中子毒物控制既可作为主要临界控制措施，也可作为增加安全裕度的辅助控制措施。

中子毒物控制可以通过设置固体中子毒物或可溶性中子毒物来实现。例如在乏燃料贮存格架添加硼钢或镉等中子毒物板，在乏燃料溶解器中加入固体中子毒物棒，核电站的乏燃料贮存水池中还通过设置一定浓度的可溶硼来增加临界安全裕量。

对中子毒物的临界安全控制效果，通常采用临界安全分析程序进行定量分析评价，如常用的三维蒙特卡罗程序。根据国家标准GB 15146.2 要求[2]，对于用于核临界安全评价的计算方法，应通过建立临界实验数据与相应实验系统计算结果之间的相关关系来确定计算方法的偏倚及其不确定度。GB 15146.8[3]和GB/T 15146.12[4]等相关标准中进一步要求，用于确定计算方法的偏倚及其不确定度的基准临界实验在物理组成、构型和核特性（包括）反射层等方面宜与被评价系统类似。因此，对含中子毒物的临界实验装置或临界安全控制设备，在开展临界安全分析评价时，应选用含中子毒物的相似临界基准实验来开展计算方法的偏差及其不确定度的分析评价。

自核工业开创以来，国际上开展了数以万次的临界实验、次临界实验，其中就包括了含中子毒物的临界实验。例如，临界安全基准实验国际评价（ICSBEP）中编号为 PU-SOLTHERM-033 的实验[1]，圆柱容器形的钚溶液容器中布置了不同数目的中子毒物棒，典型的布置方式如图1 所示[5]。该实验是1966—1968 年间在法国开展的，采用了手套箱的方式进行中子毒物棒的布置操作，如图2～图3 所示，手套箱位于容器装置的上方，中子毒物棒通过手套箱操作布置在包含两层栅格板的不锈钢吊篮中，再将布置好的吊篮整体放入下方的容器装置内。

图1 含中子毒物棒的临界基准实验布置示例Fig.1 Example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

图2 含中子毒物棒的临界基准实验布置示例Fig.2 Example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

图3 含中子毒物棒的临界基准实验毒物棒布置操作示例Fig.3 Operation example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

采用该种手套箱的方式，能够实现有棒、无棒、不同数量、不同材质、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，但毒物棒准确插入两层栅格的难度较大，且手套箱由人员操作，对实验装置的清洗去污、密封要求很高，一旦装置内的残留易裂变溶液产生的放射性气溶胶泄漏，给空气过滤净化和人员辐射防护将会带来很大困难。

2 初步方案设计研究

为改进手套箱方式布置中子毒物棒的临界实验装置的可靠性及辐射防护水平，满足现行法规标准的各项要求，中国核电工程有限公司核临界安全技术创新工作室团队开展了详细调研和初步方案设计研究，致力于能够在完全密封、无接触的条件下，实现有棒、无棒、不同数量、不同材质、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，使得临界实验装置可以有效开展各种不同方案的临界实验。

根据调研，磁力传动在核行业及相关行业中是确保密封情况下的一种可行手段。例如，高温气冷堆的燃料装卸系统就是采取了磁力驱动器，以满足全密封、无泄漏的严格要求[6]，福清5、6 号核电机组等项目的反应堆控制棒驱动机构使用的是步进式磁力提升性控制棒驱动机构[7]，中科院近代物理所也针对加速器驱动次临界系统ADS钨基合金球颗粒流靶的应用提出了磁力提升装置[8]。

为此，本文考虑含中子毒物棒的钚溶液临界实验装置的设计要求，考虑磁力传动的方法，初步设计了一种磁吸式无接触布置中子毒物棒的临界实验装置，如图4～图7 所示，图中1为临界实验装置主体容器；2 为强磁控制轨道；3 为强磁控制体；4 为强磁控制协同连接件；5为分布式顶吸磁体；6 为吊篮；7 为中子毒物棒；8 为顶盖环形标志；9 为吊篮可磁吸部件；10为吊篮轨道。

图4 磁吸式无接触布置中子毒物棒的临界实验装置应用示例的顶面俯视图Fig.4 The top view of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

图5 磁吸式无接触布置中子毒物棒的临界实验装置应用示例的垂直剖面图Fig.5 Vertical section view of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

图6 磁吸式无接触布置中子毒物棒的临界实验装置应用示例吊篮处的水平剖面图Fig.6 Horizontal section view of the barrel of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

图7 磁吸式无接触布置中子毒物棒的临界实验装置应用示例部分中子毒物棒随吊篮落下时的垂直剖面图Fig.7 Vertical section view of some neutron poison rods falling with barrel of an application example of the criticality experiment device for the magnetic suction and contactless arrangement of the neutron poison rods

本方案基于磁吸控制方式，因此除需进行控制的部件外，临界实验装置主体容器和吊篮的主体材料均采用无磁性或弱磁性、耐蚀性、抗氧化性、力学性能良好的材料，如奥氏体不锈钢、钛合金等；临界实验装置主体容器壁面材料不宜过厚，以免影响磁吸效果；临界实验装置主体容器顶盖可以采用焊接密封，防止放射性物质泄漏。

吊篮控制模块主要由对称布置的若干永磁体材料的强磁控制体和强磁控制协同连接件组成。为保证不同轨道内强磁控制体对吊篮位置控制的同步性和稳定性，强磁控制体用强磁控制协同连接件横向或纵向相连，形成笼状结构。主体容器外壁面沿纵向对称设置若干强磁控制轨道，数量与强磁控制体相对应，吊篮控制模块沿强磁控制轨道在装置的上半部分空间垂直移动，并通过磁吸力的作用带动吊篮垂直移动。吊篮控制模块的位置可以锁定，锁定装置可设置在吊篮控制模块或强磁控制轨道上，并可以采用已有的任何锁定结构，在设定的几个位置上锁定吊篮控制模块。由于其操作仅限于垂直移动和位置锁定，可以通过手动操作或远程控制实现。

临界实验装置内设置吊篮，由两层或多层栅格板连接组成，栅格板开孔直径略大于中子毒物棒下部直径，中子毒物棒下部可以穿过栅格板的开孔并由其上部定位。可以根据中子毒物棒的准直精度要求选择合适的栅格板间距，确保选定的中子毒物棒落入装置下部空间时，能保持预期的排列位置精度。

临界实验装置主体容器内壁面布置若干轨道，吊篮外缘设置的吊篮可磁吸部件在吊篮控制模块磁吸控制下沿吊篮轨道在装置的上半部分空间移动。为促进吊篮在吊篮轨道中的通畅移动，可以在吊篮可磁吸部件上设置小尺寸的滑轮或引入其他持久润滑材料。考虑临界实验装置内还在垂直方向上设置有安全棒套管、调节棒套管，吊篮的各层栅格板上可以预留合适尺寸的开孔，吊篮移动时不影响装置的安全性能。

中子毒物棒下部直径小于吊篮栅格板开孔直径，顶端设有软磁材料的毒物棒可磁吸部件，当移除分布式顶吸磁体的磁吸力时，中子毒物棒依靠重力作用落在吊篮上；中子毒物棒各段长度经过合理设计，当吊篮控制模块移动至最高位置时，对应中子毒物棒顶部刚好接触主体容器顶盖下面；当吊篮控制模块移动至最低位置时，对应选定的中子毒物棒底部刚好接触主体容器底面，而其他未落下的中子毒物棒底部仍贯穿于吊篮的各层栅格板，即中子毒物棒始终贯穿于吊篮的各层栅格板，避免了在吊篮控制模块控制吊篮提升时出现其他未落下的中子毒物棒不能准确进入吊篮各层栅格板的情况。

临界实验装置主体容器的顶盖上按照与吊篮各层栅格板开孔对应的位置设置顶盖环形标志，并设置编号，满足分布式顶吸磁体的准确定位需求。分布式顶吸磁体放置于顶盖环形标志内，可以使用永磁体材料，通过移动一定距离实现磁吸力的移除和引入，也可以使用电磁体，通过接入电流的方式远程控制实现磁吸力的移除和引入。

开展实验所需的多根中子毒物棒贯穿搭载在吊篮上，通过装置顶盖上的相应数量的分布式顶吸磁体吸附固定在装置顶盖下面，在开展中子毒物棒的临界实验时，可根据需要移除不同数量、不同排列的分布式顶吸磁体的磁吸力，以使得选定部分中子毒物棒可随吊篮移入主体容器下部空间。待开展完带中子毒物棒的临界实验后，再控制吊篮返回主体容器上部空间，中子毒物棒重新被主体容器顶盖的分布式顶吸磁体吸附固定在主体容器上部空间。

3 初步可行性分析

本节给出了一个磁吸式无接触布置中子毒物棒的临界实验装置设计实例。临界实验装置总高度200 cm，内部净高190 cm，内径59 cm，壁厚0.5 cm。吊篮总长度为30 cm，设置了2层栅格板，其上沿距装置顶盖底面10 cm。每层栅格板上开有108 个直径2 mm、中心距5 cm、正三角形排列的圆孔，用于搭载中子毒物棒。装置主体容器和吊篮的主体材料采用弱磁性的奥氏体不锈钢材料。

中子毒物下部直径1.9 cm，长110 cm；上部直径2.3 cm，长10 cm。临界实验装置内外壁面对称的各布置4 条轨道，用于吊篮控制模块和吊篮的联动运行控制，可运行的区间范围为：最高处，吊篮上表面距装置顶盖底面10 cm，最多向下运行79 cm，使得选定的中子毒物棒底面接触装置底面，此时，未一同落下的中子毒物棒底面仍超出吊篮下表面1.0 cm，从而吊篮返回装置上部空间时，不会出现部分中子毒物棒不能准确进入吊篮的情况。为限制吊篮控制模块和吊篮的运行区间，在装置内外壁面布置的轨道上下端采用物理封堵的方式进行限制。

根据目前市场上的成熟产品，单个直径32 mm 的扁平圆片状钕铁硼永磁体，拉力可达32 kg，直径25 mm 时拉力可达18 kg。而一个直径1.9 cm、长100 cm 的铁质实心圆柱棒，重量不足2.7 kg，在设备壁厚5 mm 左右，依靠强力磁体吸附毒物棒是完全可行的。而实际开展临界实验时，部分中子毒物棒采用环形的硅酸硼玻璃，其重量要轻很多。

吊篮只有外侧壳体和两层栅格板，可以最大化的减轻重量，但考虑其搭载多根中子毒物棒时，总体重量可能仍较大，可以采用多块长条强磁体协同控制的方式，既增加了控制重量上限，又确保了控制的稳定性。即便发生吊篮意外脱落的事故工况，由于中子毒物棒都被磁吸在设备顶盖上，不会对实验造成影响，甚至即便同时发生吊篮意外脱落、且中子毒物棒意外的不被磁吸的情况，中子毒物棒掉落在易裂变溶液中，由于中子毒物棒对中子的吸收作用，临界实验装置也不会造成临界事故风险。

磁力控制在非接触式传动机械控制方面有广泛应用，在核工程领域也在反应堆控制棒驱动机构、高温气冷堆过球控制器、高温气冷堆燃料装卸系统磁力驱动器、加速器驱动次临界系统靶材提升装置等方面有成熟的应用经验，其可靠性是能够得到保证的。

比较而言，如果采用手套箱从装置顶部开盖后人工或机械远程操作的方式，为保证中子毒物棒插入栅格板后的位置精度，栅格板开孔与中子毒物棒直径较为接近，鉴于装置总高度较高，连续两次准确插入栅格板的难度很大，如果采用机械手的方式难度更大。且装置顶部开盖后，装置内的残留易裂变溶液会产生较多的放射性气溶胶，给空气过滤净化和人员辐射防护也带来了很大困难。虽然国外早期临界实验采用了该种方法，但随着人们辐射防护的考虑越来越完善、要求越来越高，目前设计采用这种方法仍有较大的困难。

相较于另外一种方式，在临界实验装置中预先布置足够数量的中子毒物棒套管，不开展中子毒物棒的临界实验时，中子毒物棒移至套管的上部空间，在需要开展中子毒物棒的临界实验时，采用类似控制棒驱动机构的驱动装置将其放下。该种方式的稳定性较高，但需要较多的驱动装置，而且预先设置的中子毒物棒套管占用了很多的空间，会造成装置体积增大，且装置无法开展不含中子毒物棒套管的临界实验。

4 结论

本文针对含中子毒物棒的钚溶液临界实验装置中子毒物系统布置和装置密封性要求，提出了磁吸式无接触布置中子毒物棒的临界实验装置初步设计方案，在完全密封条件下无接触的情况下，可以实现有棒、无棒、不同数量、不同材质、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置方案，避免了放射性物质泄漏出临界实验装置，造成气溶胶污染等放射性危害，有效解决了开展钚溶液带中子毒物棒的临界实验时的放射性气溶胶密封问题、变更中子毒物棒布置的精度不足等问题，相对于热室手套箱操作、机械手远程操作、中子毒物棒套管等方法都具有较大优势，为开展该类实验装置的详细设计提供了可行思路。