启明星二号快热耦合铅堆装置的典型动力学过程研究

发布时间：2020-06-27 02:06

【摘要】：加速器驱动次临界系统(ADS)由加速器提供中高能质子,通过轰击散裂靶产生散裂中子驱动和维持次临界反应堆系统稳定的运行。次临界堆芯的固有安全特性和浅层次临界水平下能量放大的特征使得ADS系统在核废料嬗变和特殊燃料下产能方面具有潜在的应用价值。国内外针对ADS系统开展了广泛的研究,其中欧洲与中国的研究已进入工程化研究的阶段。相比临界反应堆系统,次临界的ADS系统在中子学特性方面存在着很多特殊性,其中ADS的中子动力学行为因外中子源项的引入和堆芯次临界特性,使其与临界状态下的动力学行为具有较大的差异,这种差异是ADS系统在启动、运行、控制和停堆的方案制订,瞬态响应特性,关键参数的实验技术等多方面内容研究的出发点。在ADS中子动力学行为的研究中,欧美、日本等国家开发了多款时空动力学分析程序用于模拟研究,此外在MUSE、YALINA、VENUS-F、KUCA等ADS零功率装置上开展了丰富的实验研究。国内近几年也开发了几款时空动力学程序,并建设了ADS零功率实验装置启明星二号,为进一步对ADS系统动力学行为的深入研究提供了良好的基础。本论文研究工作旨在实现如下目标:1.建立实体装置的时空动力学模拟研究方法;2.掌握外源驱动次临界堆芯的中子时空动力学特性;3.研究动力学行为对关键参数测量技术的影响;4.评估时空动力学模拟方法的可靠性。研究工作以中国科学院与中国原子能科学研究院共建的ADS零功率实验装置启明星二号中的铅堆装置为研究对象,对其典型的动力学过程进行了模拟研究和实验研究。基于西安交通大学开发的ADS瞬态分析程序DAISY对铅堆装置进行了确定论三维时空动力学的模拟研究。研究工作通过分析铅堆装置空间能谱特性进行区域划分,基于精细堆芯结构使用蒙特卡罗方法制作了较为准确的群常数和动力学参数,实现了复杂堆芯装置的确定论模型的建立。后续的稳态分析获得的有效增殖因子、控制体价值、中子通量空间分布、中子通量能群分布等关键参数与实验结果或蒙卡模拟结果符合较好,说明建立的确定论模型可准确可靠的还原装置的中子学特征。基于确定论模型,对铅堆装置在临界状态和次临界状态下的典型动力学过程进行了模拟,并结合模拟结果对主要反应性测量技术进行了评估。模拟研究掌握了临界状态提棒升功率过程和落棒降功率过程的动力学特性,外源驱动次临界系统中断源过程、Beam-Trip过程、不同控制体反应性引入过程的时空动力学特性。除上述特性,还获得如下重要结论:1.动力学响应的时空差异对周期法测量反应性无明显影响,时空差异将导致落棒法测量反应性价值时出现明显差异。计数器2获得的2号安全棒价值偏大近13%,位置1处得到的棒价值偏大近37%。2.如能准确的测量断源过程中的动力学行为,在深层次临界下,有望得到比实际反应性偏大600pcm左右的实验结果,属于工程可接受范围。3.BeamTrip实验测量反应性的两种方法中,瞬发中子衰减常数法受时空动力学效应影响较难确认合适的拟合函数,比值法测量简单且结果更为精确。同时给出了比值法取值时刻选取方法和时空效应引发的差异,可用于结果的修正。4.通过反应性引入过程的时空动力学响应行为,给出了采用改进源倍增法测量反应性的修正因子,同时评估了改进源倍增法在反应性监测过程中的适用性,结果显示当堆芯有效增殖因子≤0.97时,缓发中子项影响较小,可用改进源倍增法进行反应性的监测。在启明星二号铅堆装置上,针对外源驱动次临界状态下,外源跳出过程和反应性引入过程开展了初步的实验研究。通过实验的方法掌握了有源次临界状态下动力学的响应行为。对比实验结果和模拟结果得到如下重要结论:1.跳源实验的结果与模拟结果符合较好,说明确定论方法模拟源效应引发的动力学过程的可靠性。2.反应性引入实验的响应行为与模拟结果呈现一致规律,说明确定论程序可定性的反应动力学响应行为。但受确定论方法的限制,具体变化幅度和空间特性方面存在着一定的差异。建议后续在较深次临界水平下,将外源放置在活性区中心附近开展实验研究,以进一步的准确性和可靠性评估。论文建立了可靠的铅堆装置确定论分析模型,建模方法可为后续相关工作提供参考。通过模拟和实验研究详细的掌握了外源驱动次临界堆芯的时空动力学响应行为,并对次临界装置反应性测量的几类主要方法进行了评估,可为后续的铅堆实验的开展,ADS设计分析工作提供了重要参考数据。初步评估了确定论程序和方法的可靠性,对Ci ADS的工程阶段的核设计工作提供了支持。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL38
【图文】：

第 2 章 启明星二号铅堆装置的确定论模型第2章 启明星二号铅堆装置的确定论模型总结启明星一号次临界实验装置的不足，结合中国 AD科学院 A 类先导专项“未来先进核裂变能—ADS 嬗变系院与中国原子能研究院启动了二期零功率装置“启明星置具有如下特色：（1）可在临界模式和次临界模式下运应性价值等堆芯参数的确认提供多种实验途径；（2）中心，为靶堆耦合效应、靶区材料价值的研究提供了较大空分别设置了热谱特征的水堆和快热耦合特征的铅堆，为验方法研究、物理特性研究提供了丰富的平台。

明星二号铅堆装置介绍明星二号铅堆装置为快热耦合的临界装置[99,100 ,101]，其俯视图和和图 2.3。堆芯燃料棒采用环状同心圆布置，按照燃料与活性区分为三个燃料区：燃料区 I，采用富集度为 90%的金属铀为燃料体，占据最内层 4 圈位置，提供 101 个棒位布置燃料；燃料区 II 20%的粉末状 U3O8为燃料，铅为活性区基体，在第 5 圈至第 1个棒位；燃料区 III，采用富集度为 20%的粉末状 U3O8为燃料，基体在最外侧三圈提供 380 个燃料棒位。燃料区 I 和燃料区 II 具区 III 具有热谱特征，受中子自由程的限制，燃料区 III 中的热过程中对燃料区 I 的能谱扰动较小，保证了燃料区 I 中的快谱特可在满足临界和次临界布料需求的同时，堆芯范围内探测器和样更加灵活，可满足中子学特性实验研究的需求。

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本文编号：2731191