供稿|何晨偉，劉貽潮，BIGNAN Gilles

內(nèi)容導(dǎo)讀

JHR研究堆是法國原子能與替代能源委員會(huì)(CEA)在建高中子注量率研究堆，擁有強(qiáng)大的輻照技術(shù)能力，可實(shí)現(xiàn)不同的輻照測試條件。本文總結(jié)了JHR研究堆的主要性能參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，論述了其在核包殼以及結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究上的具體應(yīng)用。

Jules Horowitz Reactor(JHR)研究堆[1]是法國原子能與替代能源委員會(huì)(CEA)在建高中子注量率研究堆，建設(shè)地點(diǎn)為法國南部卡達(dá)拉什(Cadarache)，預(yù)計(jì)2025年之后投入運(yùn)行。建成后，JHR研究堆將是歐洲乃至世界輻照與技術(shù)能力最為出色的材料研究堆之一。目前已吸引世界核能領(lǐng)域最為主要的科研機(jī)構(gòu)以“聯(lián)盟體成員”的形式參與其中。

高中子注量率研究堆是研發(fā)反應(yīng)堆先進(jìn)包殼以及結(jié)構(gòu)材料重要的大型科研設(shè)施，用于評(píng)估材料的抗輻照性能。本文總結(jié)了JHR研究堆的主要性能參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，從而論述了JHR研究堆在核包殼以及結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究上的應(yīng)用。

JHR研究堆實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

主要性能參數(shù)

JHR研究堆是功率為100 MW的池罐式輕水反應(yīng)堆[1-4]，使用微加壓一回路冷卻，反應(yīng)堆容器位于水池內(nèi)。JHR堆芯高60 cm，直徑為60 cm，使用鈹作為反射層。堆芯內(nèi)可提供高注量率的快中子輻照孔道，堆芯周圍的鈹反射層可提供高注量率的熱中子輻照孔道。

在運(yùn)行的最初幾年(預(yù)計(jì)2025年后啟堆)，JHR的目標(biāo)是反應(yīng)堆每年運(yùn)行180 d，其中15%在100 MW下運(yùn)行，85%在70 MW下運(yùn)行。平均反應(yīng)堆循環(huán)時(shí)間預(yù)計(jì)為34 d，對(duì)應(yīng)25個(gè)有效滿功率天(EFPD)[2]。

JHR研究堆所使用的燃料元件形式如圖1所示，其燃料板是通過含有UMo或U3Si2燃料顆粒的鋁基體和鋁包層冶金結(jié)合所獲得的。使用滾彎工藝生產(chǎn)所需曲線的燃料板。這些燃料板使用3個(gè)加強(qiáng)筋固定，并形成了圓柱形元件。

圖1 JHR燃料元件的橫截面

主要實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

如圖2所示，JHR研究堆可提供數(shù)量可觀的輻照孔道，用于實(shí)現(xiàn)不同的輻照測試條件[2]：

圖2 JHR研究堆堆芯以及反射層實(shí)驗(yàn)孔道

1) 7個(gè)堆芯內(nèi)小尺寸直徑實(shí)驗(yàn)孔道，適用于直徑小于33.1 mm的實(shí)驗(yàn)裝置(101，105，203，207，303，307，313)；

2) 3個(gè)堆芯內(nèi)大尺寸直徑實(shí)驗(yàn)孔道，適用于直徑小于86 mm的實(shí)驗(yàn)裝置(103，211，301)；

3) 16個(gè)固定的反射層實(shí)驗(yàn)孔道，適用于直徑小于97 mm的實(shí)驗(yàn)裝置(其中，C311以及C413用于JHR反應(yīng)堆容器材料的輻照監(jiān)督)；

4) 1個(gè)固定的反射層實(shí)驗(yàn)孔道，適用于直徑小于200 mm的實(shí)驗(yàn)裝置(P322)；

5) 4個(gè)通過反射層位于水通道中的移動(dòng)式實(shí)驗(yàn)裝置，適用于直徑小于100 mm的實(shí)驗(yàn)裝置(T5，T8，T10，T12)；

6) 4個(gè)額外的移動(dòng)式實(shí)驗(yàn)裝置，用于鉬的生產(chǎn)(T0，T1，T2，T3)。

表1提供了JHR實(shí)驗(yàn)孔道最大中子注量率平面上的未擾動(dòng)最佳估計(jì)值，這些反應(yīng)堆循環(huán)估值是反應(yīng)堆功率為100 MW、27%富集度的235U的平均值。這些值不是最大值，沒有考慮不確定度，并且無余量，因此不考慮用于設(shè)計(jì)目的。

在JHR研究堆啟堆初期(預(yù)計(jì)2025年后)，以下4種實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3)將投入運(yùn)行：MICA，OCCITANE，MADISON，ADELINE。它們主要可以提供以下核材料以及核燃料輻照試驗(yàn)：

圖3 JHR研究堆啟堆時(shí)可使用的實(shí)驗(yàn)裝置

1) MICA裝置將被用于在JHR堆芯內(nèi)開展包殼材料以及結(jié)構(gòu)材料輻照試驗(yàn)。樣品輻照溫度將在280～450 °C范圍內(nèi)可控。此裝置可被安裝在JHR研究堆孔道101、105、203、207、303、307、313中，中子注量率見表1。通過不同的樣品架，輻照不同類型的樣品，包括微觀、沖擊、拉伸、單軸蠕變、雙軸蠕變等樣品。

表1 JHR研究堆實(shí)驗(yàn)孔道中子注量率(反應(yīng)堆功率100 MW)

2) OCCITANE裝置將被用于開展壓力容器材料輻照試驗(yàn)。樣品輻照溫度將在230～300 °C范圍內(nèi)可控。此裝置可被安裝在JHR研究堆反射層孔道P611中。不同類型的樣品可被輻照，包括蠕變、拉伸、沖擊、微觀等樣品。

3) MADISON裝置將被用于開展燃料樣品穩(wěn)態(tài)水回路輻照試驗(yàn)。水回路可模擬輕水反應(yīng)堆(壓水堆(PWR)，沸水堆(BWR)，俄羅斯壓水堆(VVER))熱工水力環(huán)境，裝置可在線調(diào)節(jié)回路中的水化學(xué)。此裝置可同時(shí)輻照4根燃料小棒(可實(shí)現(xiàn)在線溫度測量以及包殼生長測量)，或同時(shí)輻照2根儀表化程度更高的燃料小棒(可實(shí)現(xiàn)在線溫度測量、包殼生長測量以及裂變產(chǎn)物測量)。用于輻照試驗(yàn)的燃料小棒為：φ9.5 mm×60 cm，5%富集度的235U。此裝置可被安裝在JHR研究堆反射層孔道T12中。

4) ADELINE裝置將被用于開展燃料樣品瞬態(tài)水回路輻照試驗(yàn)，啟堆初期主要用于功率驟升試驗(yàn)(RAMP)，并主要用于模擬壓水堆(PWR)環(huán)境。用于輻照試驗(yàn)的燃料小棒為：φ9.5 mm×50 cm，5%富集度的235U。此裝置可被安裝在JHR研究堆反射層孔道T5中。

JHR研究堆在核包殼以及結(jié)構(gòu)材料輻照上的應(yīng)用

作為世界上最為先進(jìn)的高中子注量率研究堆之一，JHR研究堆將在核包殼以及結(jié)構(gòu)材料輻照性能的研究上起到關(guān)鍵的作用，從中長期來看，JHR研究堆可以達(dá)成以下4個(gè)目標(biāo)：

1) 鞏固反應(yīng)堆壓力容器鋼堆內(nèi)行為的相關(guān)知識(shí)；

2) 提高壓力容器內(nèi)部構(gòu)件的抗輻照損傷(通過輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂、膨脹、蠕變等)性能；

3) 更好地理解組件材料的抗輻照損傷行為(包殼和組件結(jié)構(gòu)材料的蠕變、生長、腫脹、氧化和氫化等)；

4) 提高長期廢物處置結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性。

JHR研究堆在反應(yīng)堆壓力容器材料、內(nèi)部構(gòu)件、包殼材料輻照性能研究上的具體應(yīng)用如表2所示。

表2 JHR研究堆在核包殼以及結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究上的應(yīng)用

壓力容器材料在中子輻照下的脆化效應(yīng)評(píng)估是目前核電站延壽主要關(guān)注的問題之一，中子劑量、中子注量率、中子能譜都對(duì)其輻照脆化效應(yīng)有重要的影響，因此將在JHR堆內(nèi)開展相關(guān)試驗(yàn)，研究壓力容器材料輻照損傷與該變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行多尺度模擬計(jì)算，用于理解壓力容器材料輻照損傷的機(jī)理。同時(shí)，可對(duì)現(xiàn)有的壓力容器材料進(jìn)行性能改進(jìn)。

對(duì)于反應(yīng)堆內(nèi)部構(gòu)件材料的研究，主要集中在輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理、輻照期間/之后的液態(tài)金屬與材料相互作用機(jī)理、輻照誘發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)變化、新型結(jié)構(gòu)材料的抗輻照性能研究等方面。材料類型包括18-8類型不銹鋼(例如316、302、321、347)、鈦穩(wěn)定鋼、鐵素體馬氏體(FM)鋼等目前堆內(nèi)已使用的材料，以及氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)鋼、高熵合金(HEA)、鈦合金等新型材料。

對(duì)于反應(yīng)堆燃料棒包殼材料，主要集中在新材料在輻照下微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能損傷研究。材料類型包括第2和第3代鋯合金包殼材料、第4代候選材料(鈦穩(wěn)定不銹鋼、鐵馬鋼、ODS、SiC等)以及其他先進(jìn)材料。

結(jié)論

作為技術(shù)能力強(qiáng)大的高中子注量率研究堆，JHR研究堆可提供數(shù)量可觀的輻照孔道，用于實(shí)現(xiàn)不同的輻照測試條件。在反應(yīng)堆壓力容器材料、內(nèi)部構(gòu)件、包殼材料輻照性能研究上，JHR擁有廣泛的應(yīng)用場景，例如壓力容器材料脆化效應(yīng)、輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂、輻照誘發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)變化、包殼材料的輻照蠕變性能等應(yīng)用。