模块化铅冷快堆M~2LFR-1000堆芯初步设计与燃料添加MA核素研究

发布时间：2020-05-15 18:46

【摘要】：在保证反应堆安全性、经济性的基础上,铀资源的充分利用和高放废物的最小化成为限制核能大规模可持续发展的主要因素。而铅冷快堆较硬的中子能谱可使其获得优良的中子经济性,实现核燃料的增殖与嬗变,有利于核能的可持续发展,并且其冷却剂Pb化学惰性好、热工特性优良,可提高堆芯的安全性。鉴于铅冷快堆的诸多优势,中国科学技术大学提出一种具有工业应用价值的中型模块化铅冷快堆M2LFR-1000方案。M2LFR-1000反应堆在设计上基于现实可行的技术,着重突出模块化设计,使M2LFR-1000成为可实现燃料闭式循环的堆型,并在经济性和安全性方面具有一定的竞争力。本文利用MCNP程序和SRAC/COREBN2006程序进行了堆芯物理设计,并在其满足设计要求的基础上,开展堆芯添加次锕系核素MA的研究。首先,在M2LFR-1000反应堆顶层设计框架下给出了堆芯物理设计准则,完成了堆芯燃料棒、燃料组件、控制组件、哑组件的设计和材料选择,并给出了堆芯初步布置。整个堆芯将355个燃料组件分为内外两区,将24个控制组件分为调节棒组和安全棒组,堆芯燃料区外部包含132个哑组件起屏蔽反射作用。其次,对M2LFR-1000堆芯进行了初步计算,并对初始设计不合理的方面进行了优化,调整了控制组件、燃料组件的分配和布置。优化后的堆芯包含163个内区燃料组件、192个外区燃料组件,12个调节棒组件和12个安全棒组件分散布置于堆芯。在优化堆芯的基础上进行了堆芯物理参数的研究,包括基本参数、动态参数以及控制系统分析,其中,换料周期达到30个月、周期内径向组件功率峰因子为1.24、堆芯反应性系数具有良好的固有安全性、控制系统满足反应性控制需求并留有一定裕度,堆芯各物理参数达到了设计准则的要求。最后,在M2LFR-1000堆芯满足设计要求的基础上,开展堆芯燃料添加MA核素的研究。一方面,研究了添加MA核素对堆芯物理参数的影响,其中MA核素可降低燃耗反应性损失,当其添加份额分别为2.5%、5.0%、7.5%、10%时,30个月内的反应性损失由2052pcm下降为1397pcm、866pcm、416pcm、97pcm,对提高堆芯换料周期具有潜在价值。而MA核素会对反应性系数、中子动力学参数、控制系统价值等带来负面影响,为保证堆芯安全,MA核素的添加量不应超过5.0%。另一方面,对MA核素在堆芯内的嬗变效果进行了评估,堆芯具有良好的嬗变能力。例如,当MA核素在MOX燃料中的添加份额为5.0%时,堆芯的嬗变率RMA、比消耗CMA和支持比SMA分别为12.2%、74.6 kg.(GWt·a)-1、10.7,由于核素特性不同,MA核素中的243Cm、244Cm、245Cm出现积累现象,其积累率分别为58.7%、16.1%、104.5%。综上所述,M2LFR-1000堆芯设计满足堆芯物理设计准则,并留有一定的裕度;添加少量MA不会影响堆芯的安全运行,并在提高堆芯换料周期方面具有潜在价值;堆芯具有良好的嬗变能力,在提高铀资源利用率和减少MA存量方面具有重要意义。
【图文】：

Ｖｅｓｓｅｌ逦Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ逡逑图１．１欧洲铅冷快堆ＥＬＦＲ总体布置图⑴］逡逑欧洲铅冷快堆ＥＬＦＲ为工业示范堆［９］，设计来源于欧洲铅冷快堆ＥＬＳＹ［１（）］，逡逑ＥＬＦＲ设计功率１５００ＭＷｔｈ，发电效率达到４０％，堆芯采用ＭＯＸ燃料，但目前逡逑仍处于设计状态，其总体布置如图１．１所示［１１］。为最终实现ＥＬＦＲ的建造，欧盟逡逑还通过一系列研宄框架制定了多个铅冷快堆研宄项目，例如：欧洲教育训练堆逡逑ＥＬＥＣＴＲＡ，邋０．５ＭＷｔｈ［１２］；可运行在临界或次临界状态的ＡＤＳ验证堆ＭＹＲＲＨＡ，逡逑１００ＭＷｔｈ［】３］；铅冷原型示范堆ＡＬＦＲＥＤ，邋３００ＭＷｔｈ［１４］。此外，德国、意大利、比逡逑利时等国还开展了邋３０多个的铅／铅铋回路的实验与理论研宄［１５—１７］。逡逑－逦１邋４邋Ｆ７Ｑ逡逑於＊邋Qi，、逦ＩＩＩ邋§邋｜邋Ｔｊ邋｜邋楩逡逑４？Ｈｉ－逡逑：迦４』逡逑？邋｜ｐ！邋＇邋网}0９？Ｓ灥ａｓ娜娜．公悘逡逑“＇邋＾＾Ｓ５ｉＳｉ５ｉＢＳＢＳ５Ｓ５ｊＳＳＳＳＳｊＳＳＳＳＳＳＳＳＳＢＳｉｉｉｉ＾ｉＢ５５ＳｉｉＳＳｉＢＳ＆ＢｉＢｉＢＳＳＳ５ｉｉｉ＾＾＾＾逡逑图１．２俄罗斯ＢＲＥＳＴ－ＯＤ－３００总体布置图［８］逡逑俄罗斯在运行铅冷快堆方面具有远超其他国家的经验

欧洲铅冷快堆ＥＬＦＲ为工业示范堆［９］，设计来源于欧洲铅冷快堆ＥＬＳＹ［１（）］，逡逑ＥＬＦＲ设计功率１５００ＭＷｔｈ，发电效率达到４０％，堆芯采用ＭＯＸ燃料，但目前逡逑仍处于设计状态，其总体布置如图１．１所示［１１］。为最终实现ＥＬＦＲ的建造，欧盟逡逑还通过一系列研宄框架制定了多个铅冷快堆研宄项目，，例如：欧洲教育训练堆逡逑ＥＬＥＣＴＲＡ，邋０．５ＭＷｔｈ［１２］；可运行在临界或次临界状态的ＡＤＳ验证堆ＭＹＲＲＨＡ，逡逑１００ＭＷｔｈ［】３］；铅冷原型示范堆ＡＬＦＲＥＤ，邋３００ＭＷｔｈ［１４］。此外，德国、意大利、比逡逑利时等国还开展了邋３０多个的铅／铅铋回路的实验与理论研宄［１５—１７］。逡逑－逦１邋４邋Ｆ７Ｑ逡逑於＊邋Qi，、逦ＩＩＩ邋§邋｜邋Ｔｊ邋｜邋楩逡逑４？Ｈｉ－逡逑：迦４』逡逑？邋｜ｐ！邋＇邋网}0９？Ｓ灥ａｓ娜娜．公悘逡逑“＇邋＾＾Ｓ５ｉＳｉ５ｉＢＳＢＳ５Ｓ５ｊＳＳＳＳＳｊＳＳＳＳＳＳＳＳＳＢＳｉｉｉｉ＾ｉＢ５５ＳｉｉＳＳｉＢＳ＆ＢｉＢｉＢＳＳＳ５ｉｉｉ＾＾＾＾逡逑图１．２俄罗斯ＢＲＥＳＴ－ＯＤ－３００总体布置图［８］逡逑俄罗斯在运行铅冷快堆方面具有远超其他国家的经验，对推进其研宄具有极逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL351.1

【参考文献】

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本文编号：2665475