一种连续溶解器中含开孔的中子毒物夹层结构的制作方法与工艺

本发明涉及后处理厂乏燃料溶解设备中临界安全的控制技术，具体涉及一种连续溶解器中含开孔的中子毒物夹层结构。

背景技术：
我国核燃料循环的政策采取闭合的核燃料循环方式，对于从堆内卸出的乏燃料送入后处理厂，将铀、钚从乏燃料中分离再利用。乏燃料的后处理是闭合核燃料循环的重要阶段，后处理工艺过程主要包括首端处理、化学分离和铀、钚尾端处理过程。后处理厂的工艺流程中有许多环节需要进行临界安全控制设计和分析，其中首端处理主要是对乏燃料组件进行切割、溶解、过滤、调料、为化学分离做准备，易裂变材料比较集中的部位，且乏燃料与溶解液形成了一种固液双重不均匀的系统，是需要重点关注临界安全的设备。在大型乏燃料后处理厂中为了适应较高处理能力和处理的乏燃料量的要求，对溶解器进行了连续处理工艺的设计。连续溶解器的结构较批式溶解器的结构复杂，对于设备设计和安全分析都提出了较高的要求。为了使连续溶解器能处理较高初始富集度的乏燃料组件，通常需要结合几种不同的临界安全控制手段共同实现连续溶解器对于高初始富集度燃料组件的处理要求，例如使用固体中子毒物是一种较常用的临界安全控制手段。

技术实现要素：
本发明的目的是为了保证连续溶解器在溶解高初始富集度的乏燃料组件时的临界安全，提供一种连续溶解器中含开孔的中子毒物夹层结构。本发明的技术方案如下：一种连续溶解器中含开孔的中子毒物夹层结构，包括用于装载待溶解乏燃料芯块的容器，所述容器的顶壁和底壁上设有若干用于溶液交换的开孔，其中，所述容器的顶壁和底壁均为夹层结构，分别包括不锈钢内壁和外壁，在不锈钢内壁和外壁之间设有中子毒物。进一步，如上所述的连续溶解器中含开孔的中子毒物夹层结构，其中，所述的中子毒物为含B4C重量百分比15％-30％的硼铝合金或硼钢合金、含硼重量百分比1.3％-1.8％的硼钢、氧化钆或金属镉材料。进一步，如上所述的连续溶解器中含开孔的中子毒物夹层结构，其中，所述的中子毒物的厚度为0.05cm-0.5cm。进一步，如上所述的连续溶解器中含开孔的中子毒物夹层结构，其中，所述不锈钢内壁厚度为0.1cm-0.2cm，不锈钢外壁的厚度为0.05cm-0.1cm。本发明的有益效果如下：本发明在连续溶解器中直接接触溶解芯块的含有开孔的容器壁中添加夹层型的固体中子毒物，使中子毒物与临界安全的控制对象即易裂变物质的距离更近，增大中子毒物的中子吸收效应，降低溶解器中的反应性，提高溶解器的处理能力,同时开孔的大小和开孔的间距有利于两侧溶液的交换，同时可以阻挡较大的乏燃料碎块泄漏。采用本发明的技术方案之后，根据所选择的中子毒物的类型和有效成分的重量百分比，连续溶解器可以实现在正常和可信事故工况下依靠添加的固体中子毒物在保证临界安全的要求的情况下溶解初始富集度较高(如初始富集度4.45％)的乏燃料组件。附图说明图1为装载乏燃料芯块的溶解结构(戽斗)示意图；图2为戽斗含开孔的容器顶壁示意图；图3为戽斗壁含夹层的固体中子毒物布置截面图；图4为含固体中子毒物的戽斗含有溶解的燃料芯块时的纵截面图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。连续溶解器中直接接触芯块的容器部分结构如图1所示，该溶解的容器(以下称之为戽斗)结构近似于有一定厚度的扇形体，用于装载待溶解的乏燃料芯块，并被放置于另外一个扁平槽容器中进行乏燃料的溶解工艺。图1中标示了戽斗的底壁1和侧壁2，未显示容器的顶壁。在溶解时为了保证戽斗内的溶液和戽斗外的溶液的交换，在容器的顶部和底部的容器壁3、1上均有开孔4，如图2所示。在整个溶解装置中，该戽斗厚度较小，且为活动装置，戽斗与外部扁平槽容器间的间距也较窄，空间中无法容纳独立的固体中子毒物，且应考虑在高温的硝酸溶液中中子毒物的抗腐蚀能力和有效性的保证，因此将中子毒物设计为夹层型，中子毒物填充在容器的壁中，中子毒物布置的部分的截面如图3所示。图3中，4为容器壁上的开孔，5和6分别表示容器壁的不锈钢外壁和内壁，不锈钢内壁厚度一般为0.1-0.2cm，不锈钢外壁的厚度一般为0.05-0.1cm，布置在其中的7表示中子毒物。中子毒物的材料可选用含B4C重量百分比15％-30％的硼铝合金、含硼重量百分比1.3％-1.8％的硼钢、氧化钆或金属镉材料，当然也不限定于上述四种材料，中子毒物的厚度为0.05-0.5cm，可根据中子毒物的具体材料进行相应的计算来确定。将如图3所示的中子毒物布置方式作为戽斗的容器壁的结构形式，图4显示了含有溶解的燃料芯块时戽斗的纵截面图，如图4所示，待溶解的燃料芯块8以小球形排列在戽斗的内部，这是一种假设的分布，实际中燃料芯块在戽斗中的形态呈随机分布，燃料芯块8之间分布的为溶解液9，燃料芯块8和溶解液9装载在戽斗中。中子毒物7以夹层形式布置在戽斗容器壁的不锈钢内壁6和外壁5之间，戽斗容器壁上以一定间隔留有如图2所示的开孔4以便内外溶液交换。实施上述中子毒物布置的溶解器反应性将大幅下降，采用该种临界安全控制方式之后，中子毒物设为厚度0.5cm的含B4C重量百分比20％的硼铝合金材料，固定中子毒物的引入使得该溶解器的反应性下降了0.1096，即Δkeff为10960pcm，计算表明此时，该溶解器在正常和可信事故工况下均能满足临界安全的要求，可以处理初始富集度为4.45％的燃料组件，可见该布置形式下，中子毒物覆盖的面积较大，离易裂变物质的距离较近，中子吸收效应明显。不同中子毒物材料的吸收截面不同，因此中子毒物的类型和厚度将影响临界安全的计算结果，不同的中子毒物类型和厚度下的临界计算结果，即有效增值因子均应满足临界安全的接受准则。当保持戽斗基本结构、连续溶解器所装的内容物、中子毒物两侧不锈钢内外壁尺寸不变时，中子毒物设为厚度0.3cm的金属镉的临界控制效果也可以满足连续溶解器处理初始富集度为4.45％的燃料组件时临界安全的要求。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。