專利名稱:醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種反應堆模擬裝置，具體涉及一種醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置。
背景技術：
目前，由于"Mo、131I和89Sr等醫(yī)用放射性核素和藥品應用價值巨大，市場前景廣闊，許多國家如美國、俄羅斯、墨西哥等都在積極開發(fā)醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆(Medical Isotope Production Reactor，簡稱MIPR)技術。截至目前，設計功率大都在50kW以下的 MIPR已建成，但尚沒有設計功率高達200kW的MIPR。MII3R堆芯的整體換熱能力是設計建造 Mira的關鍵技術，是核安全分析的重要內(nèi)容。對于200kW “水鍋爐”型MIPR，其核裂變材料不是固體，而是均勻溶液，燃料溶液在堆芯容器內(nèi)裂變所產(chǎn)生的熱量，主要依靠溶液與換熱冷卻盤管外壁間的自然對流換熱，輻照分解產(chǎn)生的氫、氧氣體以不同速率聚集、脫離，擾動溶液，影響溶液中空泡(氫、氧、水蒸汽)的分布和份額。
燃料溶液的釋熱方式為分散式發(fā)熱，與換熱冷卻盤管之間的傳熱屬于具有內(nèi)熱源的自然對流換熱，加之輻照所不斷產(chǎn)生的氫氣氧氣對堆芯換熱的擾動影響。以現(xiàn)有的實驗技術要完全真實的模擬這種均勻分散式發(fā)熱和自然對流換熱，難度相當大。
均勻內(nèi)熱源模擬的難點主要集中在以下幾點
(1)現(xiàn)有技術如采用紅外線、磁感應加熱等加熱方式進行實驗模擬，燃料溶液發(fā)熱的均勻性可以得到有效保證，但無法模擬真實反應堆中燃料溶液的功率分布，勢必造成實驗結果與原型真實情況之間出現(xiàn)較大偏差；
(2)以分散布置的電加熱元件作為熱源單元，按照原型功率分布進行設置；這種模擬方式的優(yōu)越性在于能夠有效模擬原型的功率分布，但電加熱元件放入堆芯容器后將對燃料溶液與冷卻盤管間的自然對流換熱造成影響；因此必須嚴格控制電加熱元件所占流動面積；而只有所有電加熱元件截面積之和低于整個流動面積的3%時，電加熱元件不會對溶液的自然對流換熱造成較大影響，實驗結果的可靠性才得到保證，現(xiàn)有技術難以實現(xiàn)該指標；
(3)由于本實驗的模擬功率高達200kW，而電加熱元件的截面積又不能大于整個流動面積的3 %，現(xiàn)有技術中對于電加熱元件自身的電阻絲直徑、絕緣材料氧化鎂粉的填充等工藝難以滿足要求；
(4)核輻照所產(chǎn)生的氫氧氣體對溶液自然對流換熱的擾動影響的模擬過程中，如若采用同原型一致的氫氣和氧氣，可能發(fā)生爆炸，這使得實驗的安全性無法得到保障；需要尋找恰當?shù)臍怏w，對氣泡發(fā)生進行模擬，現(xiàn)有技術難以實現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術的不足，提供一種可以準確模擬醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源釋熱方式的醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的[0012]一種醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置，它包括由加熱構件和換熱構件構成的功率模擬部件，以及裂變氣體模擬部件；所述的加熱構件包括之字a狀加熱元件、之字b狀加熱元件、圓弧狀加熱元件以及折線狀加熱元件，其中，5根之字a狀加熱元件均布在 Φ IOOmm圓周上，6根之字b狀加熱元件均布在Φ 217. 55mm圓周上，2根圓弧狀加熱元件均布在Φ 284mm圓周上，20根折線狀元件均布在換熱區(qū)內(nèi)，上述所有加熱元件截面積總和占整個裝置流動面積的2. 8% ；所述的換熱構件包括20根換熱冷卻盤管，它們沿周向均布，每一根換熱冷卻盤管沿徑向布置在直徑為Φ 296 690mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，每一根換熱冷卻盤管為13圈呈橢圓形的螺旋繞管，其長軸為400mm，其短軸長度隨徑向呈扇形增加；所述裂變氣體模擬部件包括氣泡發(fā)生裝置和模擬氣體，所述氣泡發(fā)生裝置包括氣孔板，氣孔板焊接于堆芯容器下部的筒壁上，它與堆芯容器底板之間有夾層作為預留氣空間。
如上所述的氣孔板與堆芯容器地板之間的夾層的厚度為15mm ；在氣孔板上根據(jù)溶液堆堆芯真實功率分布布置有166個Φ Imm的氣泡發(fā)生孔，在堆芯容器底板上周向均勻布置了 7根氣管，所述模擬氣體為氮氣。
如上所述的所有加熱元件的直徑均為Φ 3. 5mm，采用220V交流電，功率可達10 20W/cm2。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點是
(1)真實反映了反應堆中燃料溶液的功率分布，避免了實驗結果與原型真實情況之間出現(xiàn)較大偏差；
(2)以分散布置的電加熱元件作為熱源單元，按照原型功率分布進行設置；有效模擬了原型的功率分布，嚴格控制了電加熱元件所占流動面積，電加熱元件不會對溶液的自然對流換熱造成較大影響，使得實驗結果的可靠性得到保證；
(3)克服了現(xiàn)有技術中本實驗的模擬功率高、電加熱元件的截面積小的工藝難題， 滿足實驗要求；
(4)使用氮氣作為模擬氣體，通過氣泡發(fā)生裝置，成功模擬了裂變氣體對與堆芯換熱的擾動影響，使得實驗的安全性得到保障。
圖1為本發(fā)明所提到的一種醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆的示意圖；
圖2為均勻內(nèi)熱源模擬裝置的示意圖；
圖3為圖2的A向視圖；
圖4.為加熱元件側面展開圖；
圖5為之字a狀加熱元件俯視圖；
圖6為之字b狀加熱元件俯視圖；
圖7為折線狀加熱元件布置圖；
圖8為圓弧狀加熱元件布置圖；
圖9為氣泡發(fā)生裝置結構圖；
圖10為圖8中I的局部放大圖；
圖11為氣孔板結構圖；
1.風管，2.控制棒導管，3.頂蓋，4.堆芯容器，5.換熱冷卻盤管，6.外筒，7.之字 a狀加熱元件，8.之字b狀加熱元件，9.圓弧狀加熱元件，10.折線狀加熱元件，12.氣孔板，13.堆芯容器底板，14.氣泡發(fā)生孔。 具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的一種醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置具體實施例進行介紹
如圖1-11所示，一種醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置，它包括由加熱構件和換熱構件構成的功率模擬部件，以及裂變氣體模擬部件；所述的加熱構件包括之字 a狀加熱元件7、之字b狀加熱元件8、圓弧狀加熱元件9以及折線狀加熱元件10，其中，5根之字a狀元件7均布在Φ IOOmm圓周上，6根之字b狀元件8均布在Φ 217. 55mm圓周上，2 根圓弧狀元件9均布在(j^84mm圓周上，20根折線狀元件10均布在換熱區(qū)內(nèi)，上述所有加熱元件截面積總和占整個裝置流動面積的2. 8% ；所述的換熱構件包括20根換熱冷卻盤管 5，它們沿周向均布，每一根換熱冷卻盤管5沿徑向布置在直徑為 690mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，每一根換熱冷卻盤管5為13圈呈橢圓形的螺旋繞管，其長軸為400mm，其短軸長度隨徑向呈扇形增加；所述裂變氣體模擬部件包括氣泡發(fā)生裝置和模擬氣體，所述氣泡發(fā)生裝置包括氣孔板12，氣孔板12焊接于堆芯容器4下部的筒壁上，它與堆芯容器底板13之間有夾層作為預留氣空間。
如上所述的氣孔板12與堆芯容器地板13之間的夾層的厚度為15mm ；在氣孔板12 上根據(jù)溶液堆堆芯真實功率分布布置有166個Φ Imm的氣泡發(fā)生孔14，在堆芯容器底板13 上周向均勻布置了 7根氣管，所述模擬氣體為氮氣。
如上所述的所有加熱元件的直徑均為Φ 3. 5mm,采用220V交流電，功率可達10 20W/cm2。
醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆堆芯容器4為法蘭式壓力容器，承壓0. 2MPa,放在外筒6 內(nèi)的支架上；外筒6為封底圓筒，尺寸為Φ 1110 (外徑)X 5 X 1400 (高)mm，在其頂部設置風管1及頂蓋3 ；堆芯容器4為封底圓筒，尺寸為Φ710(外徑)X5X1000(高)mm;6根貫穿控制棒導管2焊接在堆芯容器4底部，均布在Φ 217. 55mm圓周上；控制棒導管2為 Φ 44 X 2 X 1400 (高)mm的封底管，在下端400mm處與堆芯容器4下底內(nèi)、外表面焊接；控制棒導管2下端面與外筒6的底面為不承力的軟接觸。
為盡量降低模擬熱源對原型流場的影響，所有加熱元件本應越細越好。但是，過細的元件會帶來額定加熱功率低以及絕緣等一系列問題，難以實現(xiàn)滿功率模擬。綜合各方面因素，采用上述直徑為Φ3. 5mm的加熱元件。
本裝置中，換熱區(qū)布置在Φ 296 690mm的環(huán)行區(qū)域，將堆芯分成中央加熱區(qū)和換熱區(qū)，S卩Φ四6讓以內(nèi)的區(qū)域為中央加熱區(qū)，Φ四6讓以外為換熱區(qū)。溶液堆堆芯真實功率按下式進行計算
Fri -ViZ1N
Γ — ⑴
_1]±FrrVi
i=/
其中，q,分區(qū)的功率，單位為千瓦；
qt總功率，單位為千瓦
Fr徑向功率分布因子，為一無量綱數(shù)值；
Vi分區(qū)的體積，單位為立方米。[0046]徑向功率分布因子可由物理計算給出，本裝置中各區(qū)功率的計算結果如表1所示。其中，加熱區(qū)總功率為75. 7kW，換熱區(qū)總功率為124. 3kW。
表1.功率徑向分布表
r (mm)50150200250300350Fr2. 42. 41. 3610. 80. 5qi(kW)9. 666. 133. 933. 032. 824. 6
所述所有電熱元件主要參數(shù)如表2所示。
表2.電加熱元件主要參數(shù)
形狀之字a秒之字b狀圓弧狀折線狀長度，m6666直徑，nun3. 53. 53. 53. 5數(shù)量56220功率，kW6666表面熱流密度，kW/m290. 9490. 9490. 9490. 94
權利要求
1.一種醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置，其特征在于它包括由加熱構件和換熱構件組成的功率模擬部件，以及裂變氣體模擬部件；所述的加熱構件包括之字a狀加熱元件(7)、之字b狀加熱元件(8)、圓弧狀加熱元件(9)以及折線狀加熱元件(10)，其中，5根之字a狀加熱元件(7)均布在Φ IOOmm圓周上，6根之字b狀加熱元件(8)均布在 Φ 217. 55mm圓周上，2根圓弧狀加熱元件(9)均布在Φ 284mm圓周上，20根折線狀加熱元件 (10)均布在換熱區(qū)內(nèi)，上述所有加熱元件截面積總和占整個裝置流動面積的2. 8%;所述的換熱構件包括20根換熱冷卻盤管(5)，它們沿周向均布，每一根換熱冷卻盤管( 沿徑向布置在直徑為Φ 296 690mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，每一根換熱冷卻盤管( 為13圈呈橢圓形的螺旋繞管，其長軸為400mm，其短軸長度隨徑向呈扇形增加；所述裂變氣體模擬部件包括氣泡發(fā)生裝置和模擬氣體，所述氣泡發(fā)生裝置包括氣孔板(12)，氣孔板(1 焊接于堆芯容器 (4)下部的筒壁上，它與堆芯容器底板(13)之間有夾層作為預留氣空間。
2.根據(jù)權利要求
1所述的醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置，其特征在于 所述的氣孔板(1 與堆芯容器底板(1 之間的夾層的厚度為15mm;在氣孔板(1 上根據(jù)溶液堆堆芯真實功率分布布置有166個Φ Imm的氣泡發(fā)生孔(14)，在堆芯容器底板(13) 上周向均勻布置了 7根氣管，所述模擬氣體為氮氣。
3.根據(jù)權利要求
1或2所述的醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置，其特征在于所述的所有加熱元件的直徑均為Φ 3. 5mm，采用220V交流電，功率可達10 20W/cm2。
專利摘要
本發(fā)明屬于一種反應堆模擬裝置，具體涉及一種醫(yī)用同位素生產(chǎn)溶液堆均勻內(nèi)熱源模擬裝置；它包括功率模擬部件分和裂變氣體模擬部件，其中，功率模擬部件包括加熱構件和換熱構件，裂變氣體模擬部件包括氣泡發(fā)生裝置和模擬氣體。本發(fā)明真實反映了反應堆中燃料溶液的功率分布，有效模擬了原型堆的功率分布，嚴格控制了電加熱元件所占流動面積，電加熱元件不會對溶液的自然對流換熱造成較大影響；克服了現(xiàn)有技術中本實驗的模擬功率高、電加熱元件的截面積小的工藝難題，滿足實驗要求；使用氮氣作為模擬氣體，使得實驗安全得到保障。
文檔編號G21G1/02GKCN101685680SQ200810166838
公開日2011年11月9日 申請日期2008年9月27日
發(fā)明者劉葉, 李朋洲, 莢川, 陳軍 申請人:中國核動力研究設計院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5), 非專利引用 (2),