基于修正中子平衡方法的Candle堆特性研究

发布时间：2020-04-08 16:35

【摘要】：随着核能事业的发展,核电已成为电力能源中不可或缺的一部分。目前在运行的商用堆主要是轻水反应堆,其运行过程中面临着核燃料利用率较低(~0.6%)以及铀资源的可持续性等问题。新兴的第四代核反应堆中,快中子核反应堆可以有效地解决这些问题,然而,其也不可避免地存在着一些缺点,比如其运行过程中需对增殖燃料进行后处理,提取钚等核素重新加工制造新燃料,这会增加反应堆的运行成本,并存在核扩散的风险。原位增殖-燃烧(Breed-and-Burn,BB)反应堆中核燃料不需要进行后处理便可在堆内原位增殖并原位燃烧,其新燃料区也可以直接装载贫铀、天然铀、乏燃料和钍等,可解决上述堆芯存在的不足。Candle(Constant Axial shape of Neutron flux,nuclide densities and power shape During Life of Energy produced)堆作为一种典型的BB反应堆,受到了广泛的关注和研究。Candle堆可划分为两部分,其一端为点火区,装载富集燃料,另一端为增殖区,可装载贫铀、钍等新燃料。Candle堆被点火区启动后,堆芯功率密度、核素密度等分布保持恒定并在增殖区内进行缓慢匀速传播。在Candle堆研究中,可采用Monte-Carlo方法模拟,但因Candle堆体积庞大、燃耗较深(~40%FIMA),模拟Candle全堆芯进行配置筛选工作,将会耗费大量的计算时间。中子平衡方法近期被运用于大型BB堆芯的研究中,该方法综合考虑了中子产生和中子消失的累积效应,可直观地计算燃料实现BB模式的最小需求燃耗和最大理论燃耗等信息,适用于系统的参数化研究。采用0D或1D简化模型模拟Candle堆芯并结合中子平衡方法分析,可在保证计算准确性的同时快速地估算出结果。应用中子平衡方法进行分析时,本文首先对中子平衡方法进行了修正,考虑(n,2n)(n,3n)反应道对中子过剩计算的影响,并通过对比分析铀基和钍基堆芯修正前后中子平衡的差别,分析了(n,2n)(n,3n)反应道的贡献。本文采用1D近似模拟时,计算得知其Monte-Carlo模拟时间仅为Candle全堆芯模拟的~10%,利用此方法可以大幅缩短计算时间。并且,本文从中子平衡角度论证了1D模型描述Candle堆的可行性,并将该方法应用于Candle堆的物理特性分析,估算了Candle堆点火区和增殖区的最优配置。Candle堆点火区几何和燃料富集度影响过渡态的反应性波动,对点火区配置进行优化具有重要意义。本文利用中子平衡方法结合1D模型研究了Candle堆点火区的优化设计。通过估算新装燃料对于中子的需求,以及点火燃料所能提供的过剩中子,在满足系统中子平衡的条件下直接估算了点火区燃料的配置,省去搜索筛选的过程,降低了分析Candle堆的难度。不同的燃料类型(金属、氧化物、碳氧化物等)、冷却剂类型(钠、铅铋合金、氦气和FLiBe熔盐等)、结构材料类型(HT-9钢、碳化硅等)因能谱和寄生吸收等效应会影响其中子经济性,从而影响Candle堆的稳态特性。另外,堆芯几何和燃料配比的变化也会导致Candle堆稳态特性的改变。本文比较分析了铀基堆芯不同燃料类型(U-Zr、UO2、UC0.5O1.5)和冷却剂类型(Na、LBE、He和FLiBe)的1D模型的中子平衡。并进一步研究了氦冷却贫铀堆芯实现Candle燃烧模式的可行性区域,研究中堆芯半径从100 cm到400 cm变化,而燃料体积分数从20%增加到60%。本文还比较分析了钍基堆芯不同燃料类型(Th、ThO2)、冷却剂类型(Na、LBE、He和FLiBe)和结构材料类型(HT-9钢、SiC)的1D模型的中子平衡。并进一步研究了He-SiC-Th燃料实现Candle燃烧模式的可行性区域,研究中堆芯半径从250 cm到400 cm变化,而燃料体积分数从50%增加到80%。研究中还对比分析了铀基和钍基堆芯实现Candle模式的差异,为Candle堆的设计提供参考。
【图文】：

发电量,核反应堆,电力能源,能源

第一章绪论第一章绪论可持续发展的发展球人口的增长和对生活质量要求的提高，，人类对电力能源的需求也电事业的发展，电力能源中核电已发展成为不可或缺的一部分。据机构（International Atomic Energy Agency ，IAEA）发布的一份研究电力能源总发电量已从 1971 年的 6131 TWh 上升到 2013 年的 23322量从 202 TWh 增加至 2472 TWh，核电占总发电量的份额从 3.3%电发电呈现出稳步上升的态势，见图 1.1所示。

堆型,反应堆,核电,碳排放

图 1.2 在运行反应堆堆型分布展归功于核电拥有较其他电力的显著优势。提供较大的装机容量和较便宜的电力能源等重视，世界诸多国家已经或者正在准备对碳的关注。虽然在核电站建造过程中有一定的清洁能源[2]。另外，除了碳排放方面外，从第二便宜能源。近期，IAEA 以及核能咨询）的一份联合报告指出，当碳排放税为 30 美元成为最具有竞争力的能源[3]。发展基础及显著优势，核电在为了几十年仍系统分析研究所（International Institute fo报告指出，到 2100 年核电装机容量需要保持前，根据现有情况，世界核电可预见的增长率有一定的距离，这预示着今后可能需要对核
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL433

【参考文献】