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中国微堆低浓化之路

    2016年3月26日,一个普通的休息日。中国原子能科学研究院的微堆实验大厅打破了往日的宁静,这里正紧锣密鼓地进行着一项实验——微堆低浓化后首次满功率运行。二三十位穿着白大褂的人,围绕着直径2.7米的水池,见证了安静的池水瞬间发出的幽蓝色的光,电脑屏幕上跃动的数据显示一切正常,这标志着中国第一座微堆低浓化工作圆满成功。

    这一成功也是向几天后举行的第四届核安全峰会献上的一份贺礼。这次核安全峰会上习近平主席宣布,中国兑现了2014年海牙核安全峰会上的承诺,中国原子能科学研究院高浓铀微堆已经顺利完成改造,开始使用更为安全的低浓铀燃料,中国协助加纳改造其高浓铀微堆的项目也取得了积极进展。一时间,“微堆”,这个高压锅大小的反应堆声名鹊起,令人不禁对其中的来龙去脉产生了浓厚的兴趣。

    溯源:从转民到低浓化

    保军转民。微堆是微型中子源反应堆(MNSR)的简称。上世纪70年代末到80年代初,在核工业保军转民方针的指引下,为推广核能和核技术在国民经济中的应用,原子能院开展了小型民用核设施微堆的研究。在周永茂等一大批科学家的不懈努力之下,1984年春天,我国第一座微堆在原子能院建成投运。

    与大、中型反应堆相比,微堆显著的特点就是结构简单、使用方便、运行安全、对环境污染小,不需要建筑群,没有复杂的冷却系统,没有高耸的烟囱,也不需要厚厚的安全壳。仅仅一间几十平方米的普通实验室、一个圆形水池、一个高压锅大小的反应装置、一台简单的操作设备,便构成了整个微堆。实验员可以在水池旁,通过简单的传动装置进行操作,获得实验所需数据。微堆本身具有固有安全性,中国研制的微堆与加拿大的Slow Poke堆、美国TRIGA堆都是固有安全反应堆型。而目前,大堆中只有四代反应堆具有固有安全性。除此之外,微堆还是一个环境友好型的反应堆。实验测得,在微堆满功率运行时,厂房任何部位辐射剂量水平均低于剂量仪器的最小探测值。

    商用推广。微堆的诸多优势为我国做出研究商用微堆的重大决策方向提供了条件。第一座微堆满功率运行之后,原子能院开始了其商用推广研究,仅一年后就取得成功。商用后的微堆可以建在大中城市人口稠密的大学、科研院所、医院等单位,用作实验教学培训、中子活化分析、少量短寿命放射性核素的制备、中子肿瘤治疗等。

    在第一座微堆成功研发并商用的基础上,原子能院积累了大量经验,并且培养了一支微堆研究队伍。商用后的微堆也受到国内外市场用户的欢迎。从1988年开始,原子能院协助深圳大学、济南地质科学实验研究院和上海测试技术研究所建造了3座微堆。从1989年~2004年,又分别为巴基斯坦、加纳和尼日利亚等国建造了共5座商用微堆。迄今为止,中国建造的这些微堆全部安全运行,得到各用户的称赞和高度评价。

    开始低浓化。在商用取得良好前景的同时,微堆使用90%高浓铀燃料的特点为其推广带来了风险和阻碍。一旦微堆中的燃料棒流失,就可能造成核材料扩散的威胁。随着国际形势的发展要求,高浓铀在国外的使用备受关注,“国际原子能机构(IAEA)多次提出,希望微堆燃料实施低浓铀转化。”原子能院反应堆工程技术研究部主任杨红义介绍说。

    为了符合核不扩散的国际政策,也为了利于微堆在国内外推广,微堆燃料低浓化工作势在必行。原子能院在已有积累的基础上,开始着手对低浓化进行初步的分析和计算。从2006年开始,原子能院多次参加IAEA组织的微堆低浓化会议。鉴于原子能院在微堆研发方面的成熟技术,IAEA建议首先在其微堆上进行高浓铀的低浓化转换实验。IAEA同时还积极推动促成中方与美国阿贡实验室的合作。2010年9月17日,原子能院与美国阿贡实验室签订微堆低浓化零功率实验合同,中国微堆低浓化工作正式开始。

    蜕变:从90%到12.5%

    历时5年多时间,2016年3月,中国终于成功将燃料棒235U浓度从90%降低到12.5%,微堆圆满实现了从高浓铀到低浓铀的蜕变。本以为完成改造后的微堆会“脱胎换骨”,可再次踏访微堆的每个人都会惊叹,这个改造几乎没有在它身上留下痕迹。原子能院微堆研究室主任李义国告诉记者:“完成改造后的微堆芯尺寸没有改变,元件尺寸没有变,铍反射层尺寸没有变,反应堆功率还是27kW。”因此,仅仅从外观上,完全看不出微堆有哪些改变。那么微堆是如何实现了从90%到12.5%的蜕变?

    “奥秘就在堆芯内部像筷子一样粗的燃料棒上。”李义国说,“改进后,堆芯燃料棒的芯体材料由原来UAl合金变成了UO2,包壳材料由Al变成Zr-4,235U浓度由90%变为12.5%,实际所用燃料棒数比高浓铀时少22根,成功满足低浓化要求。”

    堆芯设计。看似简单改进的背后,有关人员却走了很长的一段路。为了满足低浓化要求,在堆芯的物理设计、零功率试验、乏燃料卸出、低浓铀堆芯装料和调试等环节上,都需要反反复复验证。时间紧、任务重,科研人员早上吃过饭,一头便扎到实验室,一口气工作到下午三四点是家常便饭。“堆芯设计是最难的。”李义国告诉记者,“与其他反应堆比较,微堆堆芯尺寸很小,在设计中必须非常准确,才能确保低浓化后能够达到设计要求。”加之低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同,热工、物理性能等也有较大不同,必须重新进行物理、热工和结构设计。面对这些困难,实验人员毫不畏缩,连续作战,即使周六、日也在加班,直到最终完成堆芯设计。

    零功率实验。微堆零功率实验为第三届核安全峰会上我国政府对外宣布的实施项目。为了加紧完成任务,那年正当春节,其他职工还在享受假期之时,微堆室主要技术人员已回来准备低浓铀装料和调试工作。装料过程中,需要实验员用手在水中添加燃料棒。当时气温还很低,操作人员的手要一直浸在水里,因而始终是通红的。再加上操作后的频繁洗手,几乎每个人手上都裂开了一道道的口子……那些日子里天天如此,一直坚持到实验结束。终于,零功率实验按计划按要求顺利完成。回忆起当时的情景,李义国告诉记者:“这支队伍保持了微堆室团队顾大局、能吃苦、技术硬的传统,让人敬佩感动!”

    卸出燃料。顺利完成零功率试验后,需要进行乏燃料卸出操作。李义国说:“卸出乏燃料时,既要考虑临界安全,也要考虑辐射安全。在设计转换容器和专用吊具时,技术人员考虑了多个方案,并进行了多次模拟操作,确保了卸料安全。”正是因为有着完备的实验方案,再加上精心的操作,2015年9月,微堆室顺利完成了卸料工作,并将乏燃料安全存放。

    装料调试。低浓化最后一步也是标志性的一步便是低浓铀堆芯装料和调试。以往吊装的时候,工作人员需要爬到梯子上部,将燃料组件锁紧在6米长的长柄工具上端,然后将燃料组件与工具一起移动到水池内容器上方,放入容器内。由于工具长且重,很难扶直,一旦倾斜,极易造成容器组件上端变形,为了确保最后装料实验万无一失,必须攻克这一难题。通过画草图、模拟可行性、重量分析、定位、精度测量……微堆室人员一次次反复测算,最终,成功地在容器正上方设计了专用支撑架。专用支撑架上有滑轮和摇柄,将短的吊具与燃料组件连接。改进后,只需缓慢摇动摇柄,便能安全地将燃料组件装入容器。

    3月26日,微堆低浓化改造工作顺利完成,这条自主化攻坚之路迎来了曙光。

    前景:从培训到跨界

    低浓化目标实现之后,微堆科研团队并不能就此松一口气,因为他们的任务早已安排得满满当当:继续协助加纳微堆进行改造;尼日利亚等国也已提出低浓化要求。此外,中国的微堆室还需要承担起接待国际培训、传授低浓化改造经验的任务。原子能院院长万钢表示;“原子能院低浓化的微堆,可承接国际交流和培训。”学员们可以在低浓化后的微堆上独自完成开堆操作,更加直观地进行学习。

    除了在低浓化改造方面的大有作为之外,中国微堆还有更大的跨界应用空间。其实,早在2003年,原子能院就曾借助微堆,利用中子活化分析方法,分析了清朝皇帝光绪头发中的元素,确定了其死因为砒霜中毒,揭开了困扰史学界长达近百年的谜底。而低浓化之后的微堆,将在这方面得到更为广泛的应用。

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