引言
压水堆核电厂同位素辐照生产元件是指在在核电厂中插在燃料组件导向管中利用核电厂反应堆中富余的中子进行同位素生产的元件，是现今利用核电厂进行同位素辐照生产普遍采用的方式。同位素辐照生产元件一般设计为与核电厂中可燃毒物组件类似的型式，只是将可燃毒物组件中的可燃毒物棒替换为同位素辐照生产元件。由于同位素辐照生产元件需要放入核电厂反应堆中运行，为了保证不影响核电厂反应堆的安全，需要进行堆外试验进行验证。这就要求试验条件要模拟反应堆正常运行条件，所有试验需要在高温高压试验回路中进行。由于采用整个燃料组件进行模拟试验的成本太高，需要对试验件进行简化设计。就要求试验件的设计需要满足内外侧的流速与燃料组件一致，两端的流阻与燃料组件一致，轴向上的支撑位置与燃料组件一致，模拟辐照元件的安装方式与堆内辐照时一致。试验回路的运行参数与核电厂反应堆一回路工况一致。
1. 试验段设计
图1 试验段示意图
试验段由回路试验孔道和模拟试验组件组成如图1所示。试验孔道由上下法兰和中间孔道组成，上下法兰用于和高温高压试验回路连接，孔道中放置模拟试验组件，模拟反应堆内流道。
模拟试验组件由吊装结构、模拟辐照元件棒、模拟导向管、支撑格架、挤水棒和上下固定结构组成如图2所示。一根挤水棒位于模拟组件中心，圆周方向均匀布置9根导向管，导向管内部安装9根模拟元件棒，在轴向上根据反应堆燃料组件定位格架的轴向位置，布置11层支撑格架。
图2 模拟辐照组件横截面示意图
2. 试验回路
图3 堆外高温高压试验回路流程示意图
如图3，为堆外高温高压试验回路流程图，由试验段、回路系统、电气系统、热工过程参数测量及控制保护系统等组成。
试验回路包括主回路系统、压力控制系统、净化系统、补水系统、设备冷却水系统等。主回路系统设计参数如下：
设计压力 17.2MPa
设计温度 310℃
主循环泵流量 30m3/h
稳压器容积 0.21m3
为了模拟核电厂反应堆一回路试验工况，试验回路运行参数控制要求如下：
压力 14.5～15.5 MPa
水温 305～315℃
流量 21～26m3/h （对应平均流速3.60～4.46m/s）
冲刷时间 30天
介质 去离子水（从下往上流动）
3. 试验
3.1低温下流动特性测试
将试验段与堆外高温高压试验回路连接，并将模拟辐照组件安装在回路试验段中。在低温（19~61℃）下调节试验回路流量，测量试验段压差，利用测量结果与计算分析结果对比，验证低温下导向管内外流速与反应堆内实际工况的一致性。
3..2回路升温下流动特性测试
完成低温下流动特性试验后进行，在试验回路从常温冷态到高温热态的升温升压过程中，主回路流量调节阀门未做任何调节，测量由低温升至高温过程中回路温度、回路流量及试验段两端压差的变化。并与计算分析结果进行对比，验证升温过程中导向管内外流速与反应堆内实际工况的一致性。
3.3稳态冲刷试验
通过低温下流动特性测试试验及回路升温下流动特性测试试验，验证了试验的可行性，完全可以模拟反应堆一回路工况，流经模拟辐照组件冷却剂流量及冷却剂流速满足设计要求，可以进行冲刷试验。将回路的运行工况调整至反应堆一回路运行工况，将流量调整至合适参数，进行稳定冲刷30天，然后将流量调整至120%再稳定冲刷15天，然后拆卸试验段，观察模拟辐照组件的状态。
4. 试验结果
1）低温下流量特性测试试验结果
低温下流量特性测试试验流量和试验段压差测量结果见表1。
表1 低温下流量与试验段压差测量结果
与计算结果对比可知，低温下试验段两端压差与堆内实际工况基本一致，试验段的设计满足模拟堆内试验的条件。
2）回路升温下流动特性测试试验结果
在试验回路从常温冷态到高温热态的升温升压过程中，主回路流量调节阀门未做任何调节，回路的体积流量略有升高，从19m3/h增加至21.46m3/h，装置试验段测量的压力损失逐渐减小，从128kPa减小至69kPa，如图4所示。
图4 升温过程中回路流量随水温变化曲线
根据从冷态到热态的测量结果推测，组件的阻力系数范围为0.02~0.03；在热态额定参数下定位格架的阻力系数值大约为0.021。与计算结果对比可知，试验段的设计满足模拟堆内试验的条件。
3）稳态冲刷试验
稳定冲刷期间，对试验段的流体压力、温度、流量及压差进行的监测与控制，试验参数满足核电厂反应堆一回路工况运行要求。运行参数见图5。
图5 稳态冲刷试验参数
稳态冲刷完成30天后，进行120%流量下的冲刷试验，试验参数如图6所示。
图6 超额定流量工况下的稳态冲刷试验参数
4）试验后检查
试验完成后对模拟辐照组件进行了检查，检查测量项目包括导向管外观、支撑格架间距及外观、模拟辐照元件外观、顶部连接结构等，如图7所示。外观检查和测量表明，支撑格架外观、支撑格架间距及导向管间距等无明显的变化，导向管固定结构无松动磨损现象；模拟辐照表面除了因高温水中氧化而色泽变深之外无明显的磨损，各连接部件无松动。冲刷试验表明，同位素辐照生产元件结构稳定，各部件连接牢靠。
图7 模拟辐照组件试验后状态
5. 结论
1）模拟辐照组件堆外试验参数控制（压力、温度、流量及冲刷时间）满足堆外设计验证的试验要求。
(2) 同位素辐照生产元件整体结构稳定，各部件连接牢固，模拟辐照元件无明显磨损。 冲刷试验证明：同位素辐照生产元件设计合理，结构上符合安全设计要求。
作者简介：史宝磊，男，中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所，副研究员，主要从事燃料元件设计。
