低温制冷技术在反应堆冷中子源系统中的应用研究

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1、第36卷第6期原子能科学技术Vol.36,No.62002年11月AtomicEnergyScienceandTechnologyNov.2002低温制冷技术在反应堆冷中子源系统中的应用研究厉彦忠,石　泳,林明峰,陈纯正,冯全科,束鹏程(西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安　710049)摘要:基于国外有关冷中子源方面的资料,分析了近几年来国外冷中子源技术的应用与发展概况,并从技术上对采用不同慢化剂材料、制冷循环模式及冷却方法的系统进行分析与比较,指出了不同系统各自的优缺点。根据实际经验,归纳出建设冷中子源系统需解决的关键技术和问题,为我国下

2、一步冷中子源系统的建设提供参考。关键词:冷中子源;逆布雷顿循环;氦制冷中图分类号:TL411文献标识码:A文章编号:100026931(2002)0620519204ApplicationofCryogenicRefrigeratingTechniquesinColdNeutronSourcesLIYan2zhong,SHIYong,LINMing2feng,CHENChun2zheng,FENGQuan2ke,SHUPeng2cheng(SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUnivers

3、ity,Xi’an710049,China)Abstract:Basedonmanyreferencesofcoldneutronsources(CNS)fromallovertheworld,ananalysisfortheapplicationanditsdevelopmentisdone,andacomparisonofvariousmoderatorfluidsandphases,differentrefrigerationcyclesandprecoolingmethodsareconducted.Thecruxesofcon2stru

4、ctingaCNSarepointedoutaccordingtotheexperienceinthepaper.Keywords:coldneutronsource;reverse2Braytoncycle;heliumrefrigeration　　冷中子源(CNS)是实验研究堆中子散射实束的核辐射和环境热辐射,在垂直方向形成循验设施的重要组成部分。反应堆堆芯通常在水环,将热量传递给低温氦气。氦气将氢传递来平方向或垂直方向提供多种中子束供中子散射的热量通过压缩循环方式传向高温环境。因实验之用,其中有几路中子束需经过CNS系统此,CNS由两个闭路

5、循环系统,即慢化中子所的慢化处理,使速度降低,冷中子密度增加,从需的氢循环系统和冷却氢所需的氦制冷循环系而获得具有高增益的冷中子束。为满足这一要统所组成(图1)。图1中的1～14系指设计中求,CNS必须能提供足够的冷量,以平衡中子的流程状态点。穿越冷包时的核发热及外界的辐射热。中子按其能量En的高低可分为:1)特快CNS通常用氢作为慢化剂,吸收来自中子中子,En>10MeV;2)快中子,015MeV

6、业©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net520原子能科学技术　　第36卷循环是利用气液两相密度差而形成的自然循环形式,可靠性高,但其热稳定性取决于系统的传热工况、热力性质及结构特点。国外CNS的相关主要参数列于表2。制冷系统通常采用氦气逆布雷顿(Brayton)循环或Stirling循环,以逆Brayton循环为多,制冷功率很小时方考虑采用Stirling循环。逆Brayton循环系统由等温压缩、等压

7、放热、等熵膨胀和等压吸热4个过程组成,分别由压缩机、膨胀机、换热器实现。目前,循环系统的整体性能有了较大提高。为了提高系统运行可靠性,压缩机与膨胀机带备用机的情况分别占50%及图1　冷中子源制冷流程示意图35%。为防止意外停电事故,采取了多种措施:Fig.1Schematicdiagramofcoldneutronsource用氦储气罐的占3%;不间断电源占7%;飞轮储能占3%。冷中子源的运行周期一般为30d。<10MeV;3)中能中子,1keV

8、制和安全等,低温技术是最主要的方面。内又分为热中子(5meV