[发明专利]一种具有屏蔽性能的屏蔽组件结构

说明书

本发明属于快中子反应堆屏蔽技术领域，特别涉及一种具有高效屏蔽性能的屏蔽组件结构设计。该屏蔽组件在保留六角形外套管的基础上，内部自下往上填充屏蔽元件球，简化了原有屏蔽元件棒端塞、空腔、压紧弹簧、绕丝的设计，同时提升屏蔽组件屏蔽中子及γ射线辐射的性能。屏蔽元件球的两层陶瓷材料设计确保了屏蔽组件在运行期间的完整性与可靠性，内层疏松的热解碳陶瓷材料为辐射活化产物提供存储空间，吸收碳化硼屏蔽材料因辐射引起的肿胀，并缓冲由温度及辐照引起的应力；外层致密且各向同性的热解碳陶瓷材料则提供第二层保护，避免内层疏松的热解碳陶瓷材料层受到机械损害，进一步提高屏蔽元件球的安全性。

技术领域

反应堆快中子屏蔽技术领域，特别涉及一种具有高效屏蔽性能的屏蔽组件结构设计。

背景技术

核反应堆中存在多种辐射，而大多数辐射对于设备的材料是有害的，产生辐照损伤会使得设备材料的性能发生改变，影响反应堆的正常运行。其中中子及γ射线的辐照是导致反应堆材料辐照损伤的主要原因，为了防止堆内结构材料受到过度的辐照损伤和保护反应堆容器本身，快中子反应堆需要在堆芯外围布置屏蔽组件进行轴向屏蔽。

现有技术中，快堆屏蔽组件主要采用了屏蔽元件棒的设计，屏蔽元件棒呈正三角形排列，径向采用绕丝定位，轴向采用导轨式格栅定位。单根屏蔽棒由上端塞、包壳管、气腔、压紧弹簧、碳化硼芯块、下端塞及绕丝组成。上述方式存在以下不足之处：

（1）由于屏蔽组件屏蔽棒中的端塞、气腔、压紧弹簧占据一定的体积，使得屏蔽组件在端塞、气腔、压紧弹簧所在的高度对于快中子及γ射线的屏蔽效果减弱，从而使同一高度的反应堆容器受到的辐射增加，不利于反应堆容器长寿命的使用；

（2）屏蔽组件长期处于高辐照及高温高压的恶劣环境下，屏蔽元件棒内的碳化硼芯块容易与包壳发生接触，使包壳产生径向形变与肿胀；

（3）屏蔽元件棒的结构使得工业加工难度变得更大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种具有高效屏蔽性能的屏蔽组件结构设计，

本发明采用的技术方案为。

屏蔽组件保留六角形外套管及两端结构件的设计，便于快堆组件的装卸操作及统一管理。取消屏蔽元件棒的设计，改用向六角形外套管内部填充屏蔽元件球以达到更好的屏蔽效果。屏蔽材料选用屏蔽性能优良的碳化硼材料，而屏蔽元件球的结构材料选用了耐高温、耐腐蚀、耐磨的热解碳陶瓷材料，其比强度在室温情况下超过不锈钢，拉伸强度与热导率也十分优良。

屏蔽元件球自内到外由碳化硼核芯、疏松热解碳层及致密且各项同性的热解碳层组成。屏蔽元件球核芯为球形，采用密度为2.2g/cm³的B ₄C作为屏蔽材料。根据反应堆的功率大小，功率更大采用更高¹⁰B浓度的碳化硼。

核芯外面是疏松热解碳层，其密度小于1.1g/cm³，是一种多孔疏松的陶瓷材料。这一层陶瓷材料既能为放射性活化产物及放射性气体提供存储空间，同时吸收碳化硼屏蔽材料因辐射引起的肿胀，并缓冲由温度引起的应力。疏松的热解碳陶瓷材料由乙炔气体在高温下热解，将其热解后的产物沉积到碳化硼核芯表面而成。

当疏松热解碳层破损时，最外层致密的热解碳陶瓷材料将作为阻挡气态裂变产物的第二道屏障。致密且各向同性的热解碳陶瓷材料具有良好的机械稳定性、密封性和抗辐射性，使屏蔽元件球能长期稳定的工作。致密且各向同性的热解碳材料密度通常为1.8~2.0g/cm³，制造用甲烷作为原料气体在1800~2100℃之间进行热解，就能得到各向同性的致密的热解碳层。

本发明的有益效果为：