专利名称:月牙形慢化剂层中子慢化包的制作方法
技术领域：
本发明涉及核反应堆冷中子源装置的中子慢化包，涉及一种月牙形慢化剂层中子慢化包。
背景技术：
常用的核反应堆冷中子源的中子慢化包(简称冷包)的结构有封闭的薄壁圆柱形、椭圆桶形，或球形等。这些形状的冷包内所容纳的慢化剂(如液氢)形成15mm～22mm的环形慢化剂液体层，或30mm～40mm的椭圆形及近似于矩形的慢化剂液体层，来对穿过的中子进行慢化冷却。虽然这些结构形状的冷包对中子慢化的增益较低，但由于其具有良好的承压特性和强度，被国外冷中子源所普遍采用。经过对中子慢化过程的精确模拟计算，人们已经认识到，月牙形慢化剂层的冷包具有较高的中子增益效果。然而，通常冷包内的压力为0.3MPa～0.5MPa，冷包外为高真空，月牙形冷包承受内压的特性本来很差，且包体材料受核辐照发热量的限制，通常只能取1mm左右的薄壁厚度，这就使得内承压的强度特性更差。国外有人在采用这种结构时，只得舍弃核发热方面得考虑，取较厚的壁厚，并在包体内设置拉杆来增加凹面处的承压能力。但是，完成内腔拉杆的焊接工艺十分困难，且拉杆与薄壁面的连接处极易被撕裂。
另一方面，在大功率反应堆的高中子束流密度的条件下，慢化剂层和冷包材料的大量发热会使液体慢化剂层迅速沸腾汽化，形成很高的空泡率，致使慢化中子过程失效。因此对冷包的辅助强行冷却是必不可少的。对于冷包体上的辅助冷却机构，要求具有最大的换热面积，强行辅助冷却的低温氦气具有最小的流动阻力，辅助冷却所用的材料应该尽可能的少。
如图1所示的传统冷包是由核发热率低的铝镁合金制成的，包内盛有传输管送来的约20K温度的液氢，当高速中子束穿过慢化包中的环形或椭圆形液氢层时速度得到慢化，获得最大能级增益的液氢层厚度为15mm～20mm。然而受中子及其射线照射的液氢层和金属材料都会产生大量热，这要依靠液氢的沸腾蒸发来吸收，慢化包底部和周围环形液氢蒸发所产生的氢气都要排到慢化包的顶部，通过排气管送去冷却。这种慢化包所用金属材料少，在整个包的投影面内形成的液氢层厚度均匀，且能形成良好的氢循环回路，故常被功率较小的反应堆所采用。
对于大功率反应堆高通量中子慢化时，慢化包的热负荷会大大增加，相应产生蒸发气体的速率也会有很大的提高，而产生的这些气体要从等宽度的环形通道溢出液面，因此对于一般没有采取措施的慢化包根本无法及时将这些蒸汽排出，从而使液氢层中的容积含气率超过30％以上，非常不利于冷中子的慢化。
发明内容
根据上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提出一种月牙形慢化剂层中子慢化包，该结构具有与圆柱形冷包相同的承受内压的结构强度特性，设置在冷包体外侧的低温氦气辅助冷却通道具有大流量、低阻力、大换热面积，极小的材料质量和核发热量。整个冷包具有良好的制造工艺特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是月牙形慢化剂层中子慢化包，包括圆桶型包体外壳、包芯及助冷通道，包体外壳在顶部与汽氢液氢对流传输管、氦气输入管和氦气输出管相连，其特点是，包芯为偏心结构，外壳和偏心包芯之间形成月牙形空间；助冷通道设置在包体外壳的外壁上。
所述助冷通道采用对置式两进两出系统。
本发明采用偏心包芯和助冷通道结构，与传统的无辅助冷却的圆柱形冷包相比，冷包可以减少材料用量15％，可使冷中子增益提高10％～15％，慢化剂层内热流密度降低65％。解决60MW级反应堆冷中子源中中子增益和大热流密度问题。
图1为一般慢化包的结构图；图2为本发明的月牙形慢化剂层中子慢化包的总体结构图；图3为本发明的月牙形慢化剂层中子慢化包的月牙形慢化剂层模型图，其中(a)为主视图，(b)为俯视剖面图；图4为本发明的月牙形慢化剂层中子慢化包低温氦气辅助冷却通道结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图2～图4，按本发明的技术方案制作的月牙形慢化剂层中子慢化包，由圆桶型包体外壳1、偏心包芯2及助冷通道3组成，包体外壳1在顶部与汽氢液氢对流传输管4、氦气输入管5和氦气输出管6相连(图2)。
在外壳1和偏心包芯2之间形成月芽形空间内，被汽氢液氢对流传输管4输下来的液氢盛满，用来对高速高温中子慢化冷却。
从汽氢液氢对流传输管4输来的液氢直接从偏心包芯2的顶部壁面滑下，在外壳1和偏心包芯2之间形成月牙形液氢层7(图3)。中子慢化过程中液氢内所产生的蒸发气体直接通过外壳1和偏心包芯2之间的通道排入汽氢液氢对流传输管4，这些汽氢通过传输管输送到冷凝器，凝结成液体，依靠重力作用从汽氢液氢对流传输管4下流到冷包，从而构成汽液两相氢的热虹吸循环回路；冷包周围的氦气助冷通道3中，设置有对称的四条垂直导流隔板，构成两两对称通道301、302(图4)，通过氦气输入管5输来的低温氦气进入助冷通道的左右两侧通道，向下流到冷包的底部，然后再从冷包的底部向上流入冷包周围的前后两通道，再回流到通道6，这些氦气经过氦制冷机冷却后再通过氦气输送管送入助冷通道3，从而构成氦的循环系统。
设置偏心包芯的目的是在保证中子慢化所需要的液氢层厚度的前提下，形成获得高增益的月牙形慢化剂层冷包结构，尽量减少慢化包材料的用量，从而减小热负荷，提高冷中子的产量。
设置助冷通道的目的是在慢化包的外壁加强换热，降低气体汽化速度，从而降低液氢层中的空泡率。
本发明拟推荐在我国正在建造的“中国先进研究堆”的冷中子源装置中采用。
参考文献[1]B.Farnux and P.Breant，Upgrade of the experimental Facilities of the OrpheeReactor，proceedings of the third Meeting of the International Group on researchReactors(IGORR-III)，September 30-october 1，1993，Japan Atomic Energy Institute(JEARI)
权利要求
1.一种放置于反应堆内的垂直孔道内的月牙形慢化剂层中子慢化包，包括圆桶型包体外壳
1
、包芯
2
及助冷通道
3
，慢化包顶部与汽氢液氢对流传输管
4
、氦气输送管
5
和氦气回气管
6
相连通；其特征在于，包芯
2
为偏心结构，外壳
1
和包芯
2
之间形成月牙形空间；助冷通道
3
设置在圆桶型包体外壳
1
的外壁上。
2.如权利要求
1所述的月牙形慢化剂层中子慢化包，其特征在于，所述助冷通道
3
采用对置式两进两出系统。
专利摘要
本发明公开了核反应堆冷中子源中的一种月牙形慢化剂层中子慢化包，它放置在反应堆内的垂直孔道内，中子慢化包由包体外壳、内置偏心包芯和助冷通道组成，慢化包的顶部与汽氢液氢输送管及氦回气管相连接。本发明的要点在于慢化包的包芯是偏心的，它和慢化包壳体之间形成的月牙形空间，内充满慢化剂(液氢)来慢化中子。采用这种偏心结构的冷包可以减少材料用量15％，冷中子的增益提高10％～15％；包壳的外壁有低温氦气辅助冷却通道，助冷通道的形式为两向下流两向上流。使月牙形通道的液氢含气量下降到15％以下。
文档编号G21C5/00GKCN1540674SQ200310105866
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月29日
发明者冯全科, 沈峰, 赵忖 申请人:西安交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan