邵增，樊雨軒，胡小利，易 璇，楊海峰

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

在溶液形態(tài)的易裂變材料操作、貯存系統(tǒng)中，尤其是對(duì)處理量大、設(shè)備體積較大的料液貯槽，中子毒物是進(jìn)行臨界安全控制的主要手段。為驗(yàn)證中子毒物臨界安全控制方式的可靠性，以及臨界安全分析程序計(jì)算該類問題的計(jì)算偏差及其不確定度，一般采用相似的臨界基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為此，國(guó)外開展過大量的臨界基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，其中就有多種形式的含中子毒物棒的含钚溶液臨界基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)開展的年代較早，中子毒物棒的布置操作多采用了手套箱的形式[1]。

由于钚溶液易產(chǎn)生氣溶膠放射性污染，中子毒物系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)遇到了較大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的手套箱方式很難滿足輻射防護(hù)等相關(guān)要求。

本文針對(duì)钚溶液臨界實(shí)驗(yàn)裝置中子毒物系統(tǒng)初步方案設(shè)計(jì)中遇到的關(guān)鍵難題，開展了詳細(xì)調(diào)研和設(shè)計(jì)研究，致力于能夠在完全密封、無接觸的條件下，實(shí)現(xiàn)有棒、無棒、不同數(shù)量、不同材質(zhì)、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，使得臨界實(shí)驗(yàn)裝置可以有效開展各種不同方案的臨界實(shí)驗(yàn)，同時(shí)避免放射性物質(zhì)泄漏出臨界實(shí)驗(yàn)裝置造成氣溶膠污染等放射性危害。

1 研究背景

中子毒物控制是堆外易裂變材料運(yùn)輸、貯存及后處理操作過程中常用到的臨界安全控制方法。中子毒物控制通過中子的吸收使系統(tǒng)內(nèi)的中子消失來減小反應(yīng)性，防止系統(tǒng)臨界。中子毒物控制既可作為主要臨界控制措施，也可作為增加安全裕度的輔助控制措施。

中子毒物控制可以通過設(shè)置固體中子毒物或可溶性中子毒物來實(shí)現(xiàn)。例如在乏燃料貯存格架添加硼鋼或鎘等中子毒物板，在乏燃料溶解器中加入固體中子毒物棒，核電站的乏燃料貯存水池中還通過設(shè)置一定濃度的可溶硼來增加臨界安全裕量。

對(duì)中子毒物的臨界安全控制效果，通常采用臨界安全分析程序進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)，如常用的三維蒙特卡羅程序。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15146.2 要求[2]，對(duì)于用于核臨界安全評(píng)價(jià)的計(jì)算方法，應(yīng)通過建立臨界實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系來確定計(jì)算方法的偏倚及其不確定度。GB 15146.8[3]和GB/T 15146.12[4]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步要求，用于確定計(jì)算方法的偏倚及其不確定度的基準(zhǔn)臨界實(shí)驗(yàn)在物理組成、構(gòu)型和核特性（包括）反射層等方面宜與被評(píng)價(jià)系統(tǒng)類似。因此，對(duì)含中子毒物的臨界實(shí)驗(yàn)裝置或臨界安全控制設(shè)備，在開展臨界安全分析評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)選用含中子毒物的相似臨界基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)來開展計(jì)算方法的偏差及其不確定度的分析評(píng)價(jià)。

自核工業(yè)開創(chuàng)以來，國(guó)際上開展了數(shù)以萬次的臨界實(shí)驗(yàn)、次臨界實(shí)驗(yàn)，其中就包括了含中子毒物的臨界實(shí)驗(yàn)。例如，臨界安全基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)國(guó)際評(píng)價(jià)（ICSBEP）中編號(hào)為 PU-SOLTHERM-033 的實(shí)驗(yàn)[1]，圓柱容器形的钚溶液容器中布置了不同數(shù)目的中子毒物棒，典型的布置方式如圖1 所示[5]。該實(shí)驗(yàn)是1966—1968 年間在法國(guó)開展的，采用了手套箱的方式進(jìn)行中子毒物棒的布置操作，如圖2～圖3 所示，手套箱位于容器裝置的上方，中子毒物棒通過手套箱操作布置在包含兩層?xùn)鸥癜宓牟讳P鋼吊籃中，再將布置好的吊籃整體放入下方的容器裝置內(nèi)。

圖1 含中子毒物棒的臨界基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)布置示例Fig.1 Example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

圖2 含中子毒物棒的臨界基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)布置示例Fig.2 Example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

圖3 含中子毒物棒的臨界基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)毒物棒布置操作示例Fig.3 Operation example of the criticality benchmark experiment with neutron poison rods

采用該種手套箱的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)有棒、無棒、不同數(shù)量、不同材質(zhì)、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，但毒物棒準(zhǔn)確插入兩層?xùn)鸥竦碾y度較大，且手套箱由人員操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的清洗去污、密封要求很高，一旦裝置內(nèi)的殘留易裂變?nèi)芤寒a(chǎn)生的放射性氣溶膠泄漏，給空氣過濾凈化和人員輻射防護(hù)將會(huì)帶來很大困難。

2 初步方案設(shè)計(jì)研究

為改進(jìn)手套箱方式布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性及輻射防護(hù)水平，滿足現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求，中國(guó)核電工程有限公司核臨界安全技術(shù)創(chuàng)新工作室團(tuán)隊(duì)開展了詳細(xì)調(diào)研和初步方案設(shè)計(jì)研究，致力于能夠在完全密封、無接觸的條件下，實(shí)現(xiàn)有棒、無棒、不同數(shù)量、不同材質(zhì)、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置，使得臨界實(shí)驗(yàn)裝置可以有效開展各種不同方案的臨界實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)調(diào)研，磁力傳動(dòng)在核行業(yè)及相關(guān)行業(yè)中是確保密封情況下的一種可行手段。例如，高溫氣冷堆的燃料裝卸系統(tǒng)就是采取了磁力驅(qū)動(dòng)器，以滿足全密封、無泄漏的嚴(yán)格要求[6]，福清5、6 號(hào)核電機(jī)組等項(xiàng)目的反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用的是步進(jìn)式磁力提升性控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[7]，中科院近代物理所也針對(duì)加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)ADS鎢基合金球顆粒流靶的應(yīng)用提出了磁力提升裝置[8]。

為此，本文考慮含中子毒物棒的钚溶液臨界實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求，考慮磁力傳動(dòng)的方法，初步設(shè)計(jì)了一種磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4～圖7 所示，圖中1為臨界實(shí)驗(yàn)裝置主體容器；2 為強(qiáng)磁控制軌道；3 為強(qiáng)磁控制體；4 為強(qiáng)磁控制協(xié)同連接件；5為分布式頂吸磁體；6 為吊籃；7 為中子毒物棒；8 為頂蓋環(huán)形標(biāo)志；9 為吊籃可磁吸部件；10為吊籃軌道。

圖4 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用示例的頂面俯視圖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

圖5 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用示例的垂直剖面圖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

圖6 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用示例吊籃處的水平剖面圖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

圖7 磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用示例部分中子毒物棒隨吊籃落下時(shí)的垂直剖面圖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，因此除需進(jìn)行控制的部件外，臨界實(shí)驗(yàn)裝置主體容器和吊籃的主體材料均采用無磁性或弱磁性、耐蝕性、抗氧化性、力學(xué)性能良好的材料，如奧氏體不銹鋼、鈦合金等；臨界實(shí)驗(yàn)裝置主體容器壁面材料不宜過厚，以免影響磁吸效果；臨界實(shí)驗(yàn)裝置主體容器頂蓋可以采用焊接密封，防止放射性物質(zhì)泄漏。

吊籃控制模塊主要由對(duì)稱布置的若干永磁體材料的強(qiáng)磁控制體和強(qiáng)磁控制協(xié)同連接件組成。為保證不同軌道內(nèi)強(qiáng)磁控制體對(duì)吊籃位置控制的同步性和穩(wěn)定性，強(qiáng)磁控制體用強(qiáng)磁控制協(xié)同連接件橫向或縱向相連，形成籠狀結(jié)構(gòu)。主體容器外壁面沿縱向?qū)ΨQ設(shè)置若干強(qiáng)磁控制軌道，數(shù)量與強(qiáng)磁控制體相對(duì)應(yīng)，吊籃控制模塊沿強(qiáng)磁控制軌道在裝置的上半部分空間垂直移動(dòng)，并通過磁吸力的作用帶動(dòng)吊籃垂直移動(dòng)。吊籃控制模塊的位置可以鎖定，鎖定裝置可設(shè)置在吊籃控制模塊或強(qiáng)磁控制軌道上，并可以采用已有的任何鎖定結(jié)構(gòu)，在設(shè)定的幾個(gè)位置上鎖定吊籃控制模塊。由于其操作僅限于垂直移動(dòng)和位置鎖定，可以通過手動(dòng)操作或遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)。

臨界實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)設(shè)置吊籃，由兩層或多層?xùn)鸥癜暹B接組成，柵格板開孔直徑略大于中子毒物棒下部直徑，中子毒物棒下部可以穿過柵格板的開孔并由其上部定位?？梢愿鶕?jù)中子毒物棒的準(zhǔn)直精度要求選擇合適的柵格板間距，確保選定的中子毒物棒落入裝置下部空間時(shí)，能保持預(yù)期的排列位置精度。

臨界實(shí)驗(yàn)裝置主體容器內(nèi)壁面布置若干軌道，吊籃外緣設(shè)置的吊籃可磁吸部件在吊籃控制模塊磁吸控制下沿吊籃軌道在裝置的上半部分空間移動(dòng)。為促進(jìn)吊籃在吊籃軌道中的通暢移動(dòng)，可以在吊籃可磁吸部件上設(shè)置小尺寸的滑輪或引入其他持久潤(rùn)滑材料?？紤]臨界實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)還在垂直方向上設(shè)置有安全棒套管、調(diào)節(jié)棒套管，吊籃的各層?xùn)鸥癜迳峡梢灶A(yù)留合適尺寸的開孔，吊籃移動(dòng)時(shí)不影響裝置的安全性能。

中子毒物棒下部直徑小于吊籃柵格板開孔直徑，頂端設(shè)有軟磁材料的毒物棒可磁吸部件，當(dāng)移除分布式頂吸磁體的磁吸力時(shí)，中子毒物棒依靠重力作用落在吊籃上；中子毒物棒各段長(zhǎng)度經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)趸@控制模塊移動(dòng)至最高位置時(shí)，對(duì)應(yīng)中子毒物棒頂部剛好接觸主體容器頂蓋下面；當(dāng)?shù)趸@控制模塊移動(dòng)至最低位置時(shí)，對(duì)應(yīng)選定的中子毒物棒底部剛好接觸主體容器底面，而其他未落下的中子毒物棒底部仍貫穿于吊籃的各層?xùn)鸥癜?，即中子毒物棒始終貫穿于吊籃的各層?xùn)鸥癜?，避免了在吊籃控制模塊控制吊籃提升時(shí)出現(xiàn)其他未落下的中子毒物棒不能準(zhǔn)確進(jìn)入吊籃各層?xùn)鸥癜宓那闆r。

臨界實(shí)驗(yàn)裝置主體容器的頂蓋上按照與吊籃各層?xùn)鸥癜彘_孔對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置頂蓋環(huán)形標(biāo)志，并設(shè)置編號(hào)，滿足分布式頂吸磁體的準(zhǔn)確定位需求。分布式頂吸磁體放置于頂蓋環(huán)形標(biāo)志內(nèi)，可以使用永磁體材料，通過移動(dòng)一定距離實(shí)現(xiàn)磁吸力的移除和引入，也可以使用電磁體，通過接入電流的方式遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)磁吸力的移除和引入。

開展實(shí)驗(yàn)所需的多根中子毒物棒貫穿搭載在吊籃上，通過裝置頂蓋上的相應(yīng)數(shù)量的分布式頂吸磁體吸附固定在裝置頂蓋下面，在開展中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)需要移除不同數(shù)量、不同排列的分布式頂吸磁體的磁吸力，以使得選定部分中子毒物棒可隨吊籃移入主體容器下部空間。待開展完帶中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)后，再控制吊籃返回主體容器上部空間，中子毒物棒重新被主體容器頂蓋的分布式頂吸磁體吸附固定在主體容器上部空間。

3 初步可行性分析

本節(jié)給出了一個(gè)磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)實(shí)例。臨界實(shí)驗(yàn)裝置總高度200 cm，內(nèi)部?jī)舾?90 cm，內(nèi)徑59 cm，壁厚0.5 cm。吊籃總長(zhǎng)度為30 cm，設(shè)置了2層?xùn)鸥癜?，其上沿距裝置頂蓋底面10 cm。每層?xùn)鸥癜迳祥_有108 個(gè)直徑2 mm、中心距5 cm、正三角形排列的圓孔，用于搭載中子毒物棒。裝置主體容器和吊籃的主體材料采用弱磁性的奧氏體不銹鋼材料。

中子毒物下部直徑1.9 cm，長(zhǎng)110 cm；上部直徑2.3 cm，長(zhǎng)10 cm。臨界實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)外壁面對(duì)稱的各布置4 條軌道，用于吊籃控制模塊和吊籃的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制，可運(yùn)行的區(qū)間范圍為：最高處，吊籃上表面距裝置頂蓋底面10 cm，最多向下運(yùn)行79 cm，使得選定的中子毒物棒底面接觸裝置底面，此時(shí)，未一同落下的中子毒物棒底面仍超出吊籃下表面1.0 cm，從而吊籃返回裝置上部空間時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)部分中子毒物棒不能準(zhǔn)確進(jìn)入吊籃的情況。為限制吊籃控制模塊和吊籃的運(yùn)行區(qū)間，在裝置內(nèi)外壁面布置的軌道上下端采用物理封堵的方式進(jìn)行限制。

根據(jù)目前市場(chǎng)上的成熟產(chǎn)品，單個(gè)直徑32 mm 的扁平圓片狀釹鐵硼永磁體，拉力可達(dá)32 kg，直徑25 mm 時(shí)拉力可達(dá)18 kg。而一個(gè)直徑1.9 cm、長(zhǎng)100 cm 的鐵質(zhì)實(shí)心圓柱棒，重量不足2.7 kg，在設(shè)備壁厚5 mm 左右，依靠強(qiáng)力磁體吸附毒物棒是完全可行的。而實(shí)際開展臨界實(shí)驗(yàn)時(shí)，部分中子毒物棒采用環(huán)形的硅酸硼玻璃，其重量要輕很多。

吊籃只有外側(cè)殼體和兩層?xùn)鸥癜?，可以最大化的減輕重量，但考慮其搭載多根中子毒物棒時(shí)，總體重量可能仍較大，可以采用多塊長(zhǎng)條強(qiáng)磁體協(xié)同控制的方式，既增加了控制重量上限，又確保了控制的穩(wěn)定性。即便發(fā)生吊籃意外脫落的事故工況，由于中子毒物棒都被磁吸在設(shè)備頂蓋上，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，甚至即便同時(shí)發(fā)生吊籃意外脫落、且中子毒物棒意外的不被磁吸的情況，中子毒物棒掉落在易裂變?nèi)芤褐?，由于中子毒物棒?duì)中子的吸收作用，臨界實(shí)驗(yàn)裝置也不會(huì)造成臨界事故風(fēng)險(xiǎn)。

磁力控制在非接觸式傳動(dòng)機(jī)械控制方面有廣泛應(yīng)用，在核工程領(lǐng)域也在反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、高溫氣冷堆過球控制器、高溫氣冷堆燃料裝卸系統(tǒng)磁力驅(qū)動(dòng)器、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)靶材提升裝置等方面有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其可靠性是能夠得到保證的。

比較而言，如果采用手套箱從裝置頂部開蓋后人工或機(jī)械遠(yuǎn)程操作的方式，為保證中子毒物棒插入柵格板后的位置精度，柵格板開孔與中子毒物棒直徑較為接近，鑒于裝置總高度較高，連續(xù)兩次準(zhǔn)確插入柵格板的難度很大，如果采用機(jī)械手的方式難度更大。且裝置頂部開蓋后，裝置內(nèi)的殘留易裂變?nèi)芤簳?huì)產(chǎn)生較多的放射性氣溶膠，給空氣過濾凈化和人員輻射防護(hù)也帶來了很大困難。雖然國(guó)外早期臨界實(shí)驗(yàn)采用了該種方法，但隨著人們輻射防護(hù)的考慮越來越完善、要求越來越高，目前設(shè)計(jì)采用這種方法仍有較大的困難。

相較于另外一種方式，在臨界實(shí)驗(yàn)裝置中預(yù)先布置足夠數(shù)量的中子毒物棒套管，不開展中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)時(shí)，中子毒物棒移至套管的上部空間，在需要開展中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用類似控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置將其放下。該種方式的穩(wěn)定性較高，但需要較多的驅(qū)動(dòng)裝置，而且預(yù)先設(shè)置的中子毒物棒套管占用了很多的空間，會(huì)造成裝置體積增大，且裝置無法開展不含中子毒物棒套管的臨界實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)含中子毒物棒的钚溶液臨界實(shí)驗(yàn)裝置中子毒物系統(tǒng)布置和裝置密封性要求，提出了磁吸式無接觸布置中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)裝置初步設(shè)計(jì)方案，在完全密封條件下無接觸的情況下，可以實(shí)現(xiàn)有棒、無棒、不同數(shù)量、不同材質(zhì)、不同排列、不同高度的中子毒物棒布置方案，避免了放射性物質(zhì)泄漏出臨界實(shí)驗(yàn)裝置，造成氣溶膠污染等放射性危害，有效解決了開展钚溶液帶中子毒物棒的臨界實(shí)驗(yàn)時(shí)的放射性氣溶膠密封問題、變更中子毒物棒布置的精度不足等問題，相對(duì)于熱室手套箱操作、機(jī)械手遠(yuǎn)程操作、中子毒物棒套管等方法都具有較大優(yōu)勢(shì)，為開展該類實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了可行思路。