王皓　劉水清　向玉新　馬立勇　康長虎　徐濤忠

【摘 要】高通量工程試驗堆（HFETR）自從一九八O年以來，至今已安全運行了30多年，隨著燃料元件、材料等的輻照試驗和同位素生產(chǎn)的開發(fā)研究，HFETR堆芯裝載變得越來越復(fù)雜。為了充分利用HFETR進(jìn)行燃料元件輻照考驗，材料輻照試驗和同位素生產(chǎn)，有必要對它的綜合利用進(jìn)行研究，以期相同的投入得到較大的產(chǎn)出，尋找出HFETR發(fā)揮較大潛能，獲得較大經(jīng)濟效益和社會效益的有效途徑。

【關(guān)鍵詞】綜合利用；輻照；同位素生產(chǎn)

The Synthesis Usage of HFETR

WANG Hao LIU Shui-qing XIANG Yu-xin MA Li-yong KANG Chang-hu XU Tao-zhong

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610005，China）

【Abstract】It has been more than 30 years since High Flux Engineering Test Reactor（HFETR） operated in 1980.With the development and research increasing of fuel assemblies、materials irradiation test and radioisotopes production， the core of HFETR become more and more complicacy.It is necessary to research the synthesis usage of HFETR.It is hoped to get maxium output with minium input.

【Key words】Synthesis usage；Irradiation；Radioisotopes production；HFETR

0 前言

高通量工程試驗堆（HFETR）從一九八O年至今，已安全運行了30多年，完成了大量的燃料元件輻照考驗，材料輻照試驗任務(wù)和同位素生產(chǎn)任務(wù)以及單晶硅中子嬗變摻雜和卸料元件γ輻照加工等工作。HFETR是一座以動力堆燃料元件和材料輻照研究為主，兼顧同位素生產(chǎn)[1]的工程試驗堆。HFETR堆芯從最初的25盒標(biāo)準(zhǔn)元件，少量的同位素靶件、無回路運行到今天的80盒標(biāo)準(zhǔn)元件、大量的同位素靶件、多個試驗孔道和考驗回路運行，這樣使得HFETR堆芯裝載有較大幅度的變化，要使HFETR的運行同時滿足更多材料、元件的輻照試驗和更多同位素生產(chǎn)的需要，HFETR堆芯的綜合利用研究尤為重要。

1 HFETR堆芯裝載

隨著HFETR的運行，燃料元件輻照考驗、材料輻照試驗和同位素生產(chǎn)任務(wù)的越來越多，HFETR堆芯裝載也越來越復(fù)雜。在HFETR運行的第一爐，堆芯僅有25盒標(biāo)準(zhǔn)元件，4盒控制棒跟隨元件，鈹塊60盒，跟隨鈹塊14盒，輻照靶件為11個大鈷靶件和9個小靶件，并且沒有回路的小堆芯，以后逐步擴大。從第35爐開始，HFETR堆芯擴大為80盒標(biāo)準(zhǔn)元件，70盒鈹塊，38盒鈷靶大靶件，76個小靶件，并且在4#孔道有一個500kW回路輻照裝置考驗4×4-4燃料組件。從第49爐開始，HFETR堆芯又?jǐn)U大為80盒標(biāo)準(zhǔn)元件，80盒鈹塊，除4#孔道的回路輻照裝置外，在2#孔道增加了一個2000kW回路輻照裝置用于燃料組件輻照考驗。目前，典型的HFETR堆芯裝載，除新、舊燃料元件外，還有鈹塊，不銹鋼塊，大鈷靶件，鋁塊，鈹孔及元件中孔靶件，外層6#、8#孔道進(jìn)行單晶硅中子嬗變摻雜，9#孔道用于材料輻照，帶回路運行。

2 HFETR綜合利用

HFETR堆芯裝載由小到大，反應(yīng)堆運行時間由短變長，前13爐次不分段運行，從第14爐開始，為滿足輻照任務(wù)及科研生產(chǎn)的需要，每爐分段運行。隨著試驗和生產(chǎn)任務(wù)的增加，堆芯變得越來越復(fù)雜。提高HFETR同位素生產(chǎn)產(chǎn)值并使之趨于最大是HFETR綜合利用所追求的目標(biāo)之一。目前，HFETR同位素生產(chǎn)項目主要包括：

1）60Co，192Ir，113Sn，99Mo，32P，125I，131I，186Re，153Sm，131Ba等十多種高比活度放射性同位素，形成了二十多種放射性同位素產(chǎn)品。

2）單晶硅中子嬗變摻雜。

3）卸料元件γ輻照源的開發(fā)和利用。

HFETR綜合利用研究從以下幾個方面進(jìn)行探討，尋找出HFETR發(fā)揮較大潛能，在不增加投入的情況下得到較大的產(chǎn)出，獲得較大效益的途徑。

2.1 提高HFETR堆芯的空間利用系數(shù)

HFETR堆芯布置非常靈活而且緊湊，堆芯采用規(guī)則的三角點陣布置，每個燃料組件、鈹組件、鋁組件、鈷靶件等均占據(jù)一個柵元，可按需要互換位置。18根控制棒連同其導(dǎo)管各占一個固定的柵格。燃料裝載可根據(jù)任務(wù)能多能少，輻照孔位置是固定的，其數(shù)目可多可少，在孔道不用時，被孔道破壞的規(guī)則柵格，可用異形填塞塊恢復(fù)完整；考驗件的中子能譜可按需要調(diào)整，因此堆芯布置上有高度的靈活性和適應(yīng)性。鈹組件和鋁件中心有φ20mm的孔道，正常使用時，中心孔道內(nèi)分別插有一根φ17mm的小鈹棒和小鋁棒，冷卻水通過環(huán)隙流道，使鈹組件和鋁組件能得到充分冷卻，其表面溫度不超過90℃。鈹組件和鋁組件中心孔道可作為輻照空間利用。所以，同位素靶件除柵元靶外，還可以分別放置φ63mm的輻照孔道，元件中心φ12mm的輻照孔道，鈹組件和鋁組件中心φ20mm的輻照孔道，59Co靶還可用作控制棒吸收體。因此，提高HFETR綜合利用能力的途徑之一是提高堆芯的空間利用系數(shù)，高注量率的元件區(qū)，中注量率的鈹反射層區(qū)及低注量率的鋁反射層區(qū)，都應(yīng)該利用起來，每爐次運行的堆芯裝載應(yīng)使得堆芯空間達(dá)到較充分的利用。

為確保HFETR的安全、高效運行，每爐次運行前，首先進(jìn)行堆芯裝的物理方案設(shè)計，設(shè)計準(zhǔn)則為：

1）堆芯在1、2AB提起后，全堆的冷態(tài)次臨界度大于1.0βeff；

2）全堆有足夠的運行壽期，全堆有較高的允許功率，較小的徑向功率不均勻系數(shù)；

3）滿足燃料元件、材料的輻照試驗條件；考驗組件在HFETR一定功率運行下，其表面熱流密度不超過允許的最大熱流密度限值。

4）同位素靶件處的中子注量率水平應(yīng)在其冷卻允許值之下，但要盡量接近其允許值，使之產(chǎn)量最多。

HFETR每爐次運行前，根據(jù)運行任務(wù)，在前述準(zhǔn)則下，對堆芯裝載進(jìn)行物理設(shè)計，使得堆芯在滿足安全運行準(zhǔn)則的前提下，盡量利用高中子注量率的區(qū)域，使得同位素產(chǎn)量較大。HFETR的實際運行表明，在設(shè)計堆運行物理方案時，目前對靶件、元件、鈹組件等進(jìn)行優(yōu)化組合，將堆芯裝載成“低泄漏式”，實現(xiàn)了堆芯倒料的最優(yōu)化設(shè)計[2]，提高了HFETR的空間利用系數(shù)。

2.2 提高HFETR堆芯的時間利用系數(shù)

HFETR的綜合利用，除反應(yīng)堆燃料元件和結(jié)構(gòu)材料的輻照試驗外，主要是如何充分利用HFETR的中子來生產(chǎn)各種放射性同位素，進(jìn)行單晶硅中子嬗變摻雜。

各同位素的半衰期各不相同，在保證回路輻照裝置的組件輻照考驗的前提下，合理安排HFETR運行周期。兩次運行的時間間隔太長，對同位素生產(chǎn)不論是長壽命的60Co還是短壽命的Mo-Tc均不利。對前者，衰變損失太大，且比度越高，衰變損失越大，要達(dá)到一定高比度值所需的時間太長；對后者，無法保證連續(xù)供貨。同時，對于燃料元件與材料的輻照任務(wù)，完成周期太長，不利于HFETR的綜合利用。

在HFETR堆芯物理方案設(shè)計時，應(yīng)對同位素靶件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在滿足堆芯運行壽期和冷態(tài)次臨界度的前提下，確保每盒同位素靶件在相同的積分功率下，比活度凈增最大，并且每爐次凈增比活度與該靶件原總活度的自然衰減值之差為最大值，在堆芯倒料過程中，適當(dāng)增加各種靶件的倒換量和倒換頻度，使每次運行同位素產(chǎn)量最大化。在同位素輻照生產(chǎn)中，長、短半衰期的搭配應(yīng)合理，確保相同的投入有較大的產(chǎn)出，使得HFETR的綜合利用較優(yōu)化。

2.3 燃料元件的充分利用

HFETR低濃燃料元件的燃耗限值為55%，每爐次運行前，根據(jù)運行要求，燃料元件布置盡量滿足裝載對稱原則，采用由內(nèi)向外倒料的換料方案，即新元件入堆芯中部，外圍用已用過一爐或多爐的舊元件，這種布置雖然徑向功率不均勻性大一點，但可節(jié)省新投入元件數(shù)量，增大后備反應(yīng)性和運行壽期。在元件具體布置和倒料方案上，要根據(jù)功率分布和元件燃耗情況，基本實現(xiàn)平衡換料，使得元件燃耗較深，力爭出堆元件燃耗接近55%。若每盒元件充分利用1%的燃耗，則HFETR每年運行可節(jié)約的費用，非?？捎^。

2.4 HFETR單晶硅中子嬗變摻雜和卸料元件γ輻照加工

從一九八O年開始，在HFETR上進(jìn)行了單晶硅中子嬗變摻雜技術(shù)的研究，試驗證明，在HFETR上進(jìn)行中子嬗變摻雜具有以下優(yōu)點[4]：

通量高、輻照時間短。反應(yīng)堆功率在55MW時，從原始電阻率為1100Ω·cm的N型硅單晶硅摻雜到100Ω·cm僅需2小時8分鐘。

HFETR堆芯輻照孔道大并且長，通量分布相對平坦，生產(chǎn)的NTD硅電阻率均勻，而且裝載多，產(chǎn)量高。同時具備輻照大直徑（大于7.6cm）低目標(biāo)電阻率（小于20Ω·cm）的能力。

目前，在穩(wěn)定和提高單晶硅輻照質(zhì)量的同時，開展大直徑硅、直拉硅、半導(dǎo)體器件性能控制等方面的研究工作[5]；充分利用HFETR卸料元件強γ場的特點，加強卸料元件γ輻照場在聚乙烯熱縮制品輻照交聯(lián)方面的應(yīng)用，多爭取客戶。

2.5 降低同位素產(chǎn)品的輻照成本[6]

提高同位素的比活度是降低成本的因素之一，應(yīng)從靶件設(shè)計和輻照時間等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，尋找出每種同位素靶件的最佳裝料模式，使得中子注量率在經(jīng)過靶件后的沉降與自屏最小，確保提高靶件比活度，降低成本。

3 s結(jié)論

為了充分利用HFETR的燃料元件輻照、材料輻照和同位素生產(chǎn)能力，降低成本，以相同的投入得到較大的產(chǎn)出，使HFETR發(fā)揮較大潛能，獲得較大經(jīng)濟效益和社會效益的有效途徑如下：

1）提高HFETR堆芯的空間利用系數(shù)；

2）提高HFETR堆芯的時間利用系數(shù)；

3）充分利用燃料元件，其燃耗接近燃耗限值而不超過；

4）加強HFETR單晶硅中子嬗變摻雜和卸料元件的γ輻照加工，做到物盡其用；

5）降低同位素產(chǎn)品的輻照成本，首先使靶料的設(shè)計最優(yōu)化。

本工作原則上可適用于各種形式的研究試驗堆的綜合利用，對于鈾氫鋯堆、動力堆，本工作也有參考意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]呂光全.49-3堆運行經(jīng)濟分析，NPIC報告，1985.

[2]彭鳳，等.HFETR堆芯燃料管理方案與計算，HFETR運行十年論文集，四川科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[3]劉水清，等.HFETR考驗Ф6燃料組件物理方案設(shè)計，NPIC報告，1998.

[4]彭光輝，等.HFETR進(jìn)行單晶硅中子嬗變摻雜，HFETR運行十年論文集，四川科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[5]李光明，等.HFETR卸料元件γ輻射源的開發(fā)與利用，HFETR運行十年論文集，四川科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[6]張守剛，等，用HFETR生產(chǎn)高比度放射性同位素，HFETR運行十年論文集，四川科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[責(zé)任編輯：田吉捷]