长寿期铅基堆堆芯物理设计研究

发布时间：2020-06-13 13:03

【摘要】：长寿期小型反应堆具有堆芯体积小便携性强、可以满足长周期换料的特点,既可用于偏远地区、孤立海岛功能供电,也可用于极端气候灾难救援和采矿业供电,因此受到广泛关注。铅基材料作为冷却剂,其优良的性能对反应堆的热工水利性能、化学性能和固有安全特性方面带来优势,因此铅基堆是小型模块化反应堆的重要候选堆型之一。目前国际上针对长寿期小型铅基堆开展了一系列设计研究,但如何通过堆芯物理优化设计实现反应堆长寿期运行下的堆芯最小化,提高反应堆经济性并满足未来分布式能源以及可移动式能源需求,仍有待进一步探索。本文在广泛调研国内外长寿期小型反应堆设计研究的基础上,结合铅基堆物理特性,开展长寿期铅基堆堆芯物理设计研究,具体内容包括:(1)长寿期堆芯设计关键因素影响研究。基于环形流道燃料元件堆芯模型,研究了能谱对堆芯尺寸、初始装料量、燃耗特性等参数的影响,探究不同能量输出(功率×换料周期)需求下堆芯最小化尺寸和能谱范围。研究结果表明,对于不同的能量输出需求,总存在一个最佳的堆芯能谱可使堆芯具有最小的尺寸;当反应堆总能量输出需求≥275 MWt·年时,基于快谱的堆芯方案有利于获得较小的堆芯尺寸;当反应堆总能量输出需求275MWt·年时,基于热谱的堆芯方案可获得较小的堆芯尺寸,且总能量输出需求较小时,能谱越软越有利于减小堆芯尺寸。(2)5MWt长寿期铅基堆堆芯物理设计。基于能谱优化结果设计了热功率为5MW的长寿期小型化铅基堆堆芯物理方案;针对堆芯方案初始反应性大的问题,研究了降低寿期内反应性波动的方法,通过分区布置可燃毒物,实现了寿期内小反应性波动的堆芯优化设计,简化了堆芯反应性控制策略;同时,针对优化方案进行详细的堆芯物理参数分析,并与铅基快堆堆芯方案进行对比,比较发现,设计的铅基热堆堆芯方案具有堆芯尺寸小、燃料装载量少、燃料燃耗深度深,燃料经济性好等优势。本论文相关研究成果可为兆瓦级长寿期小型铅基堆堆芯物理设计提供参考。
【图文】：

反应堆

国内外研究现状逡逑为实现长寿期设计，国内外提出了很多小型铅基堆概念。逡逑（１）俄罗斯长寿期小型铅基堆研宄现状逡逑１）逦ＳＶＢＲ－１００逡逑俄罗斯提出了功率为２８０邋ＭＷｔ邋（热功率），换料周期约为７？８年的小型化铅铋堆【４３—４７］设计ＳＶＢＲ－１００，该反应堆由ＩＰＰＥ（物理与动力工程研宄院）ＢＧＩＤＲＯＰＥＳＳ和Ａｔｏｍｅｎｅｒｇｏｐｒｏｅｋｔ共周设计。和大多数模块化小型堆一ＢＲ－１００采用池式结构，，堆芯、主循环回路和蒸汽发生器整套设备装在主容容器外没有管道和阀门。一回路使用两个循环泵，采用强迫循环。ＳＶＢＲ－１以给无电区域供电也可以提供热能。ＳＶＢＲ－１００的每一个模块可提供５８０工艺蒸汽，或者７０Ｇｋａｌ／ｈ的集中供暖，或者２０００００ｔ／ｄａｙ的海水淡化。逡逑堆芯设计方面，ＳＶＢＲ－１００使用Ｕ0２燃料，燃料富集度平均为１６．７％，堆的总装载量为９２００邋ｋｇ，堆芯活性区高９００邋ｍｍ，堆芯活性区直径为１６４３邋ｍｍ的设计输出热功率约为２８０邋ＭＷ，电功率约为１０１邋ＭＷ。整个堆芯设计为换料，换料周期约为８年。逡逑

核能发电,机组,富集度,活性区

堆芯设计方面，ＳＳＴＡＲ采用不同富集度的铀－超铀核素氮化物燃料，堆芯从逡逑内到外按照燃料富集度共分为５个区域，燃料富集度依次为１．７％、３．５％、１７．２°／。、逡逑１９．０％和２０．７％，如图１．３所示。ＳＳＴＡＲ堆芯活性区高为９７６邋ｍｍ，活性区直径为逡逑１２２０逦反应堆设计输出热功率为４５邋ＭＷ，电功率为２０邋ＭＷ。反应堆可实现逡逑满功率连续运行３０年，但目前仍处于概念设计阶段。逡逑ＴＷＯ邋ＩＮＯＣＦｅＨＯ￡ＫＴ邋ＧＲＯＵＰＳ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑Ｋｔ逦■邋ｌｏｗ邋ＥＮＲＩＣＨＭＥＮＴ邋ＣＣＨＴＩＵＬ逡逑■逦－逦尪00ｎ（ｔｗ0逡逑■ｋ逦ｃｎｒｉｃｈｍｃｈｔ邋ｚｏｎｅｓ）逡逑Ｏｆｔ（ＶＥＭＴＨＲ￡￡邋ＥＮＲＩＣＨＭＥＮＴ逡逑Ｆｉｇｕｒｔ邋６．邋ＳＳＴＡＲ邋Ｏｐｅｎ＞Ｌｉｉｌｔｉｃｅ邋Ｃｏｒｅ邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｋｍ邋（ＡＨ邋Ｆｕｅｌ邋Ｐｉｎｓ邋Ｓｈｏｕｎ）．逡逑８逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL351.1

【参考文献】