[0001] 本发明涉及堆辐照技术领域，具体涉及一种适用于片状元件的功率瞬态辐照装置及功率分区测量方法。

[0002] 压水堆燃料元件的性能与反应堆的安全性和经济性直接相关。开展燃料元件堆内辐照试验，是燃料元件研发与设计的关键一环。燃料元件功率瞬态辐照试验一般在研究堆上采用专门的功率瞬态辐照试验装置进行；通过在短时间内改变燃料元件的功率，进行燃料元件性能参数和安全余量的验证。为在研究堆内对压水堆燃料元件进行功率瞬态辐照试验，国外的一些研究堆，如挪威的HBWR堆、比利时的BR2堆、瑞典R2堆和日本JMTR堆，采用氦‑3
3气体回路作为燃料元件的功率调节装置。通过改变研究堆内氦屏中气态中子毒物(He气体)的压力，有效地调节试验燃料元件的辐照功率。

[0003] 氦‑3气体回路的氦屏以及与其相连的部分氦气管道，位于研究堆堆芯活性区内；3 3
氦屏和部分氦气管道内的 He气体吸收堆内的热中子，产生具有放射性危害的氚(H)。氚是氢的同位素，气体状态的氚具有很强的渗透能力；较高温度的氚可以轻松渗透金属材料制成容器，进而泄露到环境中。氚的渗透能力随自身温度的升高而急剧增大。

[0004] 由于片状燃料元件为长方形横截面的薄板结构，使得传统氦屏结构对于燃料元件功率变化范围大幅度减小。有必要开展创新型氦屏设计，以实现大幅度跃增的燃料功率瞬态试验。另一方面，由于单次试验中不同位置的燃料元件功率差异较大，传统的热平衡法只能测量多个燃料元件总的释热功率，因此有必要开发相应的方法，在燃料功率瞬态试验过程中实现不同位置燃料元件功率的实时测量。

[0040] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

[0041] 实施例1

[0042] 本实施例1提供了一种适用于片状元件的功率瞬态辐照装置，如图1‑图4所示，包括：

[0043] 方盒5，所述方盒5上下端均敞口，所述方盒5内腔为供冷却水通过的内流道8，所述内流道8中从下至上依次间隔均布有若干片状燃料元件6，若干所述片状燃料元件6竖向放置，且位于同一竖向平面上；

[0044] 若干螺旋管氦屏4，若干所述螺旋管氦屏4和若干所述片状燃料元件6一一对应，且所述螺旋管氦屏4折绕于所述方盒5外侧，相邻所述螺旋管氦屏4之间相互连通；最底部的所述螺旋管氦屏4下端和氦气进口管18连通，最顶部的所述螺旋管氦屏4上端和氦气出口管17连通；

[0045] 所述片状燃料元件6的燃料段两端均位于对应的所述螺旋管氦屏4两端之间。

[0046] 相对于现有技术中，氦‑3气体回路的氦屏以及与其相连的部分氦气管道，位于研3
究堆堆芯活性区内；氦屏和部分氦气管道内的He气体吸收堆内的热中子，产生具有放射性
3
危害的氚(H)。氚是氢的同位素，气体状态的氚具有很强的渗透能力；较高温度的氚可以轻松渗透金属材料制成容器，进而泄露到环境中。氚的渗透能力随自身温度的升高而急剧增大；且由于片状燃料元件6为长方形横截面的薄板结构，使得传统氦屏结构对于燃料元件功率变化范围大幅度减小，以及由于单次试验中不同位置的燃料元件功率差异较大，传统的热平衡法只能测量多个燃料元件总的释热功率等问题，本发明提供了一种适用于片状元件的功率瞬态辐照装置，采用了轴向多层片状燃料布置方案，可同时搭载多个片状燃料元件
6，且每层燃料元件可搭配不同管道内径与折绕螺距的螺旋管氦屏4，以实现不同位置燃料元件对应不同的功率变化幅度，从而能大幅度拓展装置的功率瞬态试验能力与试验参数范围。

[0047] 具体方案中，包括方盒5、螺旋管氦屏4以及氦气进口管18和氦气出口管17，螺旋管氦屏4沿螺旋方向依次折绕于方盒5外侧，此时若干螺旋管氦屏4，如第一螺旋管氦屏401、第二螺旋管氦屏402和第三螺旋管氦屏403之间相互连通，不同位置螺旋管氦屏4的气体管道之间可优选采用焊接方式连接，位于最下方的第三螺旋管氦屏403下端和氦气进口管18连通，位于最上方的第一螺旋管氦屏401上端和氦气出口管17连通，这样，可在若干螺旋管氦3
屏4内充入氦气(He气体)，氦‑3气体自氦气进口管18进入，流经若干螺旋管氦屏4，最后经由氦气出口管17流出；另外，在方盒5内部带有内腔，即用于供冷却水通过的内流道8，若干片状燃料元件6沿内流道8的轴向依次间隔均布，即N个片状燃料元件6呈竖向排成一列，片状燃料元件6的阵列呈薄长方体形，由相应的固定结构保持形状与位置的固定，这样，进入方盒5内的冷却水会被片状燃料元件6分为两部分，经燃料元件加热升温后，在片状燃料元件6阵列顶部重新汇流后进入中间接头区域的内流道8；每一层片状燃料元件6均对应一个独立的螺旋管氦屏4，这样，通过螺旋管氦屏4即可实现片状燃料元件6的大幅度功率跃增；
另外，每层片状燃料元件6对应的螺旋管氦屏4，可以独立设管道的直径以及螺旋管的螺距，从而在相同氦‑3气体压力变化范围下、不同位置处片状燃料元件6可实现不同的功率变化幅度。其中，片状燃料元件6的燃料段两端均位于对应的所述螺旋管氦屏4两端之间，优选为螺旋管氦屏4的轴向位置与长度与对应的片状燃料元件6相同。

[0048] 以上方案，旨在实现：采用了轴向多层片状燃料布置方案，可同时搭载多个片状燃料元件6，提高了辐照孔道内辐照空间的利用率；通过螺旋管氦屏4以实现片状燃料功率的大幅度跃增的同时，每层燃料元件可搭配不同管道内径与折绕螺距的螺旋管氦屏4，以实现不同位置燃料元件对应不同的功率变化幅度，从而能大幅度拓展装置的功率瞬态试验能力与试验参数范围。另外，螺旋管氦屏4位于冷却片状燃料元件6的内流道8外，减小了氦‑3气体以及其氦屏结构材料释热对燃料释热功率测量的影响，提高了片状燃料元件6释热功率测量的准确性。螺旋管氦屏4不与冷却片状燃料元件6的较高温度冷却水接触，一定程度上降低了氦气管道以及管道内含氚氦气的温度，从而有利于减小氚的渗透泄露能力。

[0049] 实施例2：

[0050] 本实施例2在实施例1的基础上进一步优化，如图1和图2所示，提供了其它配套零部件的具体设置方式。

[0051] 本实施例中，为作为压力边界，形成冷却剂通道，还包括压力管3，所述方盒5和所述螺旋管氦屏4均位于所述压力管3的腔室内，所述压力管3带有冷却水进口12，所述冷却水进口12位于所述螺旋管氦屏4上方；所述方盒5下端和压力管3底部连通，所述方盒5的上端和冷却水出口13连通。本方案中，压力管3为采用不锈钢材料的厚壁圆筒形结构，作为压力边界而容纳典型压水堆环境参数的冷却水；这样，冷却水能自上冷却水进口12流入，沿外流道7向下流动，从而冷却压力管3和螺旋管氦屏4，随后在压力管3以及外管底部折返向上，从而通过内流道8，经冲刷冷却片状燃料元件6后，从冷却剂出口流出。

[0052] 为将外流道7和内流道8完全隔开，还包括分流管9，所述分流管9一端通过中间接头和所述方盒5上端连通，所述分流管9另一端穿出所述压力管3。

[0053] 为减少热量传递，还包括保护管1，所述压力管3和所述保护管1同轴，且从内到外依次设置，所述保护管1内侧和所述压力管3外侧之间的腔室为氮气腔2。本方案中，保护管1位于压力管3外侧，同样为圆筒形结构；两者之间为氮气腔2，充常压氮气，并分别与氮气进口10和氮气出口11相连。

[0054] 为减小管内外不同流道冷却水之间的热交换，并提供测量引线通道，所述分流管9和方盒5均采用第一双层管结构，所述第一双层管结构中的间隙内填充有氮气。

[0055] 为进一步防止螺旋管氦屏4以及相连氦气管道中的氚渗透泄露入冷却水中，所述螺旋管氦屏4、氦气进口管18和所述氦气出口管17均采用带填充层的第二双层管结构，所述第二双层管结构从内到外依次包括有内层管、海绵状金属钛管间填充层和外层管；所述内层管和外层管均采用带致密Al2O3涂层的不锈钢材料制成。本方案中，采用了带夹层的双层不锈钢管结构的氦气管道，且该双层管均采用Al2O3镀膜设计，内层管内部容纳含氚的氦气，可防止氦屏以及相连氦气管道中的氚渗透泄露入冷却水中，从而有效减少氚泄露产生的放射性危害。

[0056] 为在线监测不同片状燃料元件6附近的热中子注量率，从而在功率瞬态试验过程中准确测量不同位置片状燃料元件6的相对功率分布，每个所述片状燃料元件6宽侧的中心区域处均安装有自给能中子探测器16的测量头，若干所述自给能中子探测器16的测量头均位于所述方盒5内。本方案中，自给能中子探测器16优选设置为植入在方盒5的空心夹层中，探测器的数量与片状燃料元件6的数量一致。每个探测器对应一层片状燃料元件6，其安装位置靠近片状燃料元件6宽侧的中心区域。装置内布置的自给能中子探测器16，可在线监测不同片状燃料元件6附近的热中子注量率；从而在功率瞬态试验过程中准确测量不同位置片状燃料元件6的相对功率分布。

[0057] 为测量内流道8冷却水在燃料区域的温升，最底部的所述片状燃料元件6下方设置有若干燃料段进口热电偶14；最顶部的所述片状燃料元件6上方设置有若干燃料段出口热电偶15。其中，通过测量内流道8冷却水在试验燃料区域的温升，并利用与装置相连的外部系统测量得到的冷却水流量，即可得到所有片状燃料元件6的总释热功率。

[0058] 实施例3：

[0059] 本实施例3在实施例2的基础上进一步限定，提供了适用于片状元件的功率瞬态辐照装置结构的具体工作原理及其功率分区测量方法。

[0060] 具体工作原理：

[0061] 本发明提供的一种适用于片状元件的功率瞬态辐照装置结构如图1和图2所示，该装置安装于研究堆堆芯区域，是燃料功率瞬态试验系统的一部分；装置的冷却水进出口、氦气进出口管、氮气进出口与该试验系统的外部设备连接，由外部设备提供符合试验要求的3
冷却水、氦气(高纯He气体)和氮气来源。由外到内，装置的主要结构件包括保护管1、压力管3、分流管9和方盒5，以及由上述结构分隔成的气腔或流体域。保护管1与压力管3之间的氮气腔2，主要作用是保温，减小压力管3向保护管1的传热量；同时，通过氮气进出口连接外部设备，实现了氮气的循环与品质检测，从而实现压力管3完整性(是否有冷却水泄露)的在线检测。装置内的冷却水由外部设备驱动，自冷却水进口12进入后流入外流道7，自上而下流到方盒5底部后流向折返向上，流入内流道8并分成两股，经冷却片状燃料元件6升温后，在燃料段顶部汇流，后经分流管9自冷却水出口13流出装置。对于氦‑3气体，则同样由外部设备驱动自氦气进口管18流入，依次流经多个螺旋管氦屏4后，经连接管道进入氦气出口管
17，最后流出装置。

[0062] 多个(一般为2～5个)片状燃料元件6呈竖向排成一列，由方盒5内的冷却水冷却；利用燃料段下部和上部设置的热电偶测量的内流道8冷却水温升，结合与装置相连的外部系统测量的冷却水流量，即可得到所有片状燃料元件6的总释热功率。利用每层的自给能中子探测器16测量数据，可得到的片状燃料元件6相对功率分布，最终可实现对每层片状燃料元件6功率的实时测量。

[0063] 每一层片状燃料元件6均对应一个独立的氦屏，氦屏的轴向位置与长度与对应的燃料元件相同。氦屏为双层管结构的氦气管道绕方盒5螺旋折绕而成，每层螺旋管氦屏4均可独立设管道的直径以及螺旋管的螺距，从而可在不同轴向位置处实现不同的燃料元件功率变化幅度。

[0064] 分流管9和方盒5均采用空心双层结构，双层结构的间隙内充氮气，用于减小内外流道7之间冷却水的热交换，并提供测量引线通道。方盒5的空心夹层中植入自给能中子探测器16，每个探测器对应一层片状燃料元件6，其安装位置为靠近片状燃料元件6宽侧的中心区域。

[0065] 功率分区测量方法：

[0066] 在内流道8的燃料段下部和上部，分别设置多根热电偶，用于测量内流道8冷却水在试验燃料区域的温升；利用与装置相连的外部系统测量得到的冷却水流量，即可得到所有片状燃料元件6的总释热功率。另一方面，利用自给能中子探测器16在线测量得到的片状燃料元件6相对功率分布，结合冷却水流量与温升测量得到的总释热率功率，即可实时测量得到燃料功率瞬态试验过程中每个片状燃料元件6功率数据。

[0067] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。