本发明涉及堆辐照，具体涉及一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置。
背景技术：
1、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(3he气体)的压力，有效地调节试验燃料元件的辐照功率。
2、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；氦屏和部分氦气管道内的3he气体吸收堆内的热中子，产生具有放射性危害的氚(3h)。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。
3、由于氦-3气体回路提供的气体压力调节范围是有限的，一般为0.1～4.5mpa；同时，传统的氦屏结构采用环形气腔式设计，且离试验燃料棒较远。这两方面的因素限制了试验燃料元件元件的功率变化范围。另一方面，为提高单次功率瞬态试验时的燃料棒数量，一般采用燃料束开展试验；由于研究堆内中子注量率分布的差异以及燃料棒束的“互屏”效应，使得棒束内不同位置的燃料棒功率差异较大，不符合单次试验时要求燃料棒功率及其变化情况尽可能相同的要求。因此，有必要针对燃料棒束的功率瞬态试验，开发可实现大幅度功率变化、不同位置燃料棒功率展平的功率瞬态辐照装置。
技术实现思路
1、本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，采用本方案，可使得多根燃料棒同时实现大幅度的功率跃增，并极大的减小了不同位置燃料棒的功率差异，试验过程中不同燃料棒的试验参数基本一致，从而用多根棒状燃料元件同时开展功率瞬态试验。
2、本发明通过下述技术方案实现：
3、一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，包括：
4、外管，所述外管上下端均敞口，所述外管内腔轴向带有氦气出口管；
5、螺旋管氦屏，所述螺旋管氦屏同轴绕于所述外管的外侧，所述螺旋管氦屏上端进口和氦气进口管连通，所述螺旋管氦屏下端出口和所述氦气出口管下端连通，所述氦气出口管上端和外部设备连通；
6、所述氦气出口管外壁和外管内壁之间的环形区域为用于供冷却水通过的中间流道，所述中间流道内环向且等间距均布有若干棒状燃料元件；相邻所述棒状燃料元件之间的间距和原型燃料组件中的燃料棒间隔一致；所述棒状燃料元件的燃料段两端均位于所述螺旋管氦屏两端之间。
7、相对于现有技术中，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；并且，由于氦-3气体回路提供的气体压力调节范围是有限的，一般为0.1～4.5mpa；同时，传统的氦屏结构采用环形气腔式设计，且离试验燃料棒较远。这两方面的因素限制了试验燃料元件元件的功率变化范围。另一方面，为提高单次功率瞬态试验时的燃料棒数量，一般采用燃料束开展试验；由于研究堆内中子注量率分布的差异以及燃料棒束的“互屏”效应，使得棒束内不同位置的燃料棒功率差异较大，不符合单次试验时要求燃料棒功率及其变化情况尽可能相同的要求等问题，本发明提供了一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，采用本方案，可使得多根燃料棒同时实现大幅度的功率跃增，并极大的减小了不同位置燃料棒的功率差异，试验过程中不同燃料棒的试验参数基本一致，从而用多根棒状燃料元件同时开展功率瞬态试验。
8、具体方案中，包括外管、螺旋管氦屏以及氦气进口管和氦气出口管，螺旋管氦屏呈螺旋状，并同轴绕于外管外侧，即氦屏为上述结构的氦气管道绕外管螺旋折绕而成，此时螺旋管氦屏的上端和氦气进口管连通，螺旋管氦屏的下端弯折从外管下端敞口处进入到外管内部，从而形成氦气出口管，这样，通过氦气进口管，可在螺旋管氦屏和氦气出口管内充入氦气(3he气体)，氦-3气体自氦气进口管进入，流经螺旋管氦屏，最后经由中心位置的氦气出口管流出；另外，在氦气出口管外壁和外管内壁之间带有环形区域，即用于供冷却水通过的中间流道，若干棒状燃料元件环向设置于环形区域内，即n个燃料棒周向等间距围成一圈，由相应的固定结构保持各棒位置的固定，燃料棒间距与其所在的原型燃料组件中的燃料棒间隔一致，这样，通过环向间隔均布的若干棒状燃料元件、外部螺旋设置的螺旋管氦屏以及位于中心的氦气出口管，在使得多根燃料棒同时实现大幅度的功率跃增的同时，极大的减小了不同位置燃料棒的功率差异，使试验过程中不同燃料棒的试验参数基本一致。以上棒状燃料元件采用采用缩短的燃料棒设计，一般将燃料棒的燃料区域与堆芯热中子注量率轴向分布的平坦区域相重叠。螺旋管氦屏的轴向位置与若干棒状燃料元件的燃料段所围绕的轴线基本相同，即若干棒状燃料元件围绕的轴线和螺旋管氦屏同轴，且氦屏的长度略大于燃料段长度，从而将燃料段容纳在内。
9、以上方案，旨在实现：通过采用了紧凑式的圆周形布置方案，可同时搭载多根燃料棒；同时采用了螺旋管氦屏以及中心氦气管道的设计，可实现大幅的功率跃增，且有效减小不同燃料棒的功率差异。另外，螺旋管氦屏和中心氦气管道均位于冷却燃料棒束的中间流道外，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，提高了燃料棒束释热功率测量的准确性。氦屏和中心氦气管道均不与冷却燃料棒束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。
10、为满足不同数量燃料棒的实验要求，设置为：当若干所述棒状燃料元件无法占据满环形区域时，若干所述棒状燃料元件环向且等间距均布于环形区域一侧，除所述环形区域一侧之外，其余区域通过结构部件封闭。本方案中，若试验的燃料棒数量不能占据满内外管间的环形区域，则在保持燃料棒原有间距不变的前提下，将其紧密排列在圆环区域的一侧，圆环的其余区域则采用结构部件予以封闭，以保持中间流道内冲刷冷却燃料棒束的冷却水流速满足试验要求。
11、为作为压力边界，形成冷却剂通道，还包括压力管，所述外管和所述螺旋管氦屏均位于所述压力管的腔室内，所述压力管带有冷却水进口，所述冷却水进口位于所述螺旋管氦屏上方；所述外管下端和压力管底部连通，所述外管的上端和冷却水出口连通。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(压力约15mpa，温度约280～330℃)的冷却水；这样，冷却水能自上冷却水进口流入，沿外流道向下流动，从而冷却压力管和螺旋管氦屏，随后在压力管以及外管底部折返向上，从而通过中间流道，并从冷却剂出口流出。
12、为将外流道和中间流道完全隔开，还包括分流管，所述分流管一端通过中间接头和所述外管上端连通，所述分流管另一端穿出所述压力管。
13、为减少热量传递，还包括保护管，所述压力管和所述保护管同轴，且从内到外依次设置，所述保护管内侧和所述压力管外侧之间的腔室为氮气腔。本方案中，保护管位于压力管外侧，同样为圆筒形结构；两者之间为氮气腔，充常压氮气，并分别与氮气进口和氮气出口相连。
14、为进一步减小换热，从而能准确得到冷却水在燃料区域的温升，还包括内管，所述氦气出口管和所述内管同轴，且从内到外依次设置，所述内管位于若干所述棒状燃料元件之间；所述内管内侧和所述氦气出口管外侧之间的留有环向的内流道，所述内流道的下端和所述压力管底部连通，所述内流道的上端和所述冷却水出口连通。本方案中，在氦气出口管之外还同轴带有内管，内流道为内管和中心的氦气出口管之间的环形区域，由内管将其与中间流量分隔开。冷却水自冷却水进口流入，沿外流道向下流动，冷却压力管和螺旋管氦屏后在外管下部折返向上，分别流入中间流道和内流道，分别冲刷冷却燃料棒束和中心位置的氦气出口管后，两流道的冷却水在装置上部汇流，最后自冷却水出口管流出。
15、为减小管内外不同流道冷却水之间的热交换，所述分流管、外管和内管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。
16、为进一步防止螺旋管氦屏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、氦气进口管和氦气出口管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，且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。
17、为在线监测燃料棒附近的热中子注量率，所述外管的内侧安装有若干自给能中子探测器的测量头；其中测量头优选位于若干棒状燃料元件和内管之间。
18、为测量中间流道冷却水在燃料区域的温升，若干棒状燃料元件的燃料段上方和下方位置均设置有若干根热电偶。本方案中，在中间流道的燃料段下方设置若干根燃料段进口热电偶，在燃料段上方设置若干根燃料段出口热电偶，用于测量中间流道冷却水在燃料区域的温升；利用与装置相连的外部系统测量得到的冷却水流量，以及中间流量与内流道的分流比例，即可利用热平衡法得到燃料棒束的释热功率。
19、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
20、1)本发明提供的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，采用了紧凑式的圆周形布置方案，可同时搭载多根燃料棒；同时采用了螺旋管氦屏以及中心氦气管道的设计，可实现大幅的功率跃增，且有效减小不同燃料棒的功率差异。
21、2)本发明提供的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，外管、内管和分流管均采用双层管结构设计，有效减少了相邻流道间冷却水的换热；同时，氦屏和中心氦气管道均位于冷却燃料棒束的中间流道外，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，提高了燃料棒束释热功率测量的准确性。
22、3)本发明提供的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，氦屏和中心氦气管道均不与冷却燃料棒束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。
23、4)本发明提供的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，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，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。
24、5)本发明可应用于采用氦-3气体回路的燃料功率瞬态试验回路堆内装置设计，并最终用于研究堆内的大变化范围、高功率分布均匀性的燃料棒束功率瞬态辐照试验。
1.一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，当若干所述棒状燃料元件(6)无法占据满环形区域时，若干所述棒状燃料元件(6)环向且等间距均布于环形区域一侧，除所述环形区域一侧之外，其余区域通过结构部件封闭。
3.根据权利要求1所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，还包括压力管(3)，所述外管(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；所述外管(5)下端和压力管(3)底部连通，所述外管(5)的上端和冷却水出口(13)连通。
4.根据权利要求3所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，还包括分流管(9)，所述分流管(9)一端通过中间接头和所述外管(5)上端连通，所述分流管(9)另一端穿出所述压力管(3)。
5.根据权利要求3所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，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)。
6.根据权利要求4所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，还包括内管(19)，所述氦气出口管(18)和所述内管(19)同轴，且从内到外依次设置，所述内管(19)位于若干所述棒状燃料元件(6)之间；所述内管(19)内侧和所述氦气出口管(18)外侧之间的留有环向的内流道(20)，所述内流道(20)的下端和所述压力管(3)底部连通，所述内流道(20)的上端和所述冷却水出口(13)连通。
7.根据权利要求6所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，所述分流管(9)、外管(5)和内管(19)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。
8.根据权利要求1所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，所述螺旋管氦屏(4)、氦气进口管(17)和氦气出口管(18)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，且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。
9.根据权利要求1所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，所述外管(5)的内侧安装有若干自给能中子探测器(16)的测量头。
10.根据权利要求1所述的一种适用于燃料棒束的功率瞬态辐照装置，其特征在于，若干棒状燃料元件(6)的燃料段上方和下方位置均设置有若干根热电偶。
