压水堆生产武器级钚能力的数值模拟研究

发布时间：2020-07-02 00:35

【摘要】：核武器具有巨大的毁伤效应,任何可能的使用将会对全球安全和人类生存造成巨大影响。核武器的无限扩散会增加核武器的使用概率,因此,从核武器的产生之日起人类一直在思考如何防止核武器的扩散。武器用裂变材料是发展核武器必不可少的材料,控制武器用裂变材料对防止核武器扩散至关重要。核技术具有军民两用性,如果不计较经济效益,任何利用铀为核燃料的反应堆都可以生产武器级钚。如何防止民用核材料生产技术被非法转用于军用核材料生产成为国际防扩散体系面临的重大挑战。有些国家已经通过民用核能,掌握了裂变材料的生产方法和技术,一些可用于制造核武器的民用核材料被转用于军事用途的风险正在增加。在这一问题上,日本是一个典型的案例。日本拥有先进的核技术和成熟的核工业体系,其商用动力反应堆产生大量的乏燃料,采用铀—钚闭合循环的技术路线能分离出用于核武器的钚材料,是否发展核武器取决于政治决定。在当前的国际形势下,出现一个新的拥有核武器的国家将会对全球的安全构成巨大的挑战。因此,本文开展针对压水堆中武器级钚的生成及空间分布的数值模拟研究,并初步探索了特征核素比值与含武器级钚乏燃料后处理的关联。增添三维中子输运与燃耗耦合并行计算程序MCORGS的停堆冷却计算功能,使其能够计算乏燃料中Pu的丰度、稳定Xe同位素比值随冷却时间的变化关系。提出并协助增添蒙卡粒子输运软件平台JMCT中计算分区的燃耗和分区内核素质量的功能,使其能够对反应堆进行全堆径向燃耗计算,基于计算结果划分反应堆在径向上的燃耗区。对改进后的MCORGS和JMCT做了基准检验计算,结果显示MCORGS和JMCT计算结果的可靠性。为计算压水堆中武器级钚生成量的时空分布,本文基于日本的商用动力反应堆Takahama-3构造了压水堆的物理模型,建立了压水堆的计算模型。基于公开文献中关于Takahama-3、Kord Smith提出的压水堆模型和BEAVRS基准题,以及一系列合理的简化,给出了压水堆的堆内构件、堆芯燃料组件等结构的三维几何参数和核素组分,并对Takahama-3的无限栅元模型进行燃耗计算,通过分析硼浓度和慢化剂水的温度/密度对反应性和Pu丰度的影响,确定了慢化剂和硼的核素组分。基于压水堆的物理模型建立了堆芯的燃耗分区计算模型,并进行了燃耗计算,得到了压水堆运行时武器级钚生成量的时空分布,分析了使用商用压水堆生产武器级钚的总量和可能场景。为防止使用商业动力反应堆和后处理厂获得武器级钚的核扩散行为,本文对卸载乏燃料中稳定Xe同位素比值进行了数值模拟研究,初步探索了使用132Xe与134Xe的质量比值与对卸载含武器级钚的乏燃料进行后处理的关联。综上所述,本论文构造了压水堆的物理模型,建立了堆芯的燃耗计算模型,通过数值模拟计算,得到了典型压水堆内武器级钚的空间分布随运行时间的变化关系,分析压水堆生产武器级钚的总量和可能场景,并通过数值模拟初步筛选出判断对含武器级钚的乏燃料进行后处理的方法。总之,本文为评估反应堆生产武器级钚的能力和监督后处理厂提供一种技术思路。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ910
【图文】：

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