氟盐冷却球床高温堆钍利用研究

发布时间：2020-07-05 10:59

【摘要】：核能具有低碳排放量、低污染的特点，为改善气候变化、降低环境污染和缓解能源危机等提供了重要手段。但核能面临着自身可持续发展问题。依目前铀资源的消耗速率，铀资源只能维持核能不到100年的发展。作为一种潜在的核燃料，钍在地球上的储量丰富，易于开采，如果钍燃料能够被大规模应用到核能中，将会促进核能的可持续性发展。钍燃料在压水堆、重水堆、超临界水堆、高温气冷堆和液态熔盐堆内的利用已有大量研究。但目前钍资源并未在商业堆型中被应用起来，原因之一在于：钍是一种可增殖燃料，需要先吸收中子转变成铀（233U），然后进行焚烧产生能量，燃料需要达到较高的燃耗深度（至少80MWd/kgHM）才能提高单位吸收中子下的产能，目前常规压水堆和重水堆由于燃料制造工艺限制尚不能满足高燃耗条件。超临界水堆、超高温气冷堆和液态熔盐堆等都是第四代反应堆，仍处于研发状态：超临界水堆内的燃耗深度较低（在40MWd/kgHM左右），其钍铀循环的可行性仍有待评估；熔盐堆是钍利用最为理想的堆型，但需要解决在线后处理技术相关问题；超高温气冷堆具有高燃耗能力，其钍利用具有一定的可行性，但还需要进一步研究。氟盐冷却球床高温堆（PB-FHR）是基于高温气冷堆和液态熔盐堆技术发展起来的堆型；PB-FHR的燃料采用包覆颗粒燃料（失效温度高、可达燃耗高），冷却剂采用氟化物熔盐（熔点高、沸点高、热容大），另外还借鉴了金属冷却快堆的非能动余热排出技术、先进火电厂的布雷顿循环发电技术等，评估认为PB-FHR商业化在当前技术基础条件下具有极高的可行性。PB-FHR在设计和安全性上具有自己的特点，如：（1）功率可大可小，既可以设计成50MWe级的小型模块化堆，也可以设计成GWe级的大型堆；（2）堆芯出口温度高，功率密度较高（典型的如20-30MWt/m3），热-电转换效率高；（3）较低的运行压力降低了设备的承压要求以及事故状态下放射性物质扩散的风险；（4）事故发展缓慢，具有非能动余热排出系统，安全性大大提高。PB-FHR的中子利用率高，燃料可达高燃耗，在钍利用方面具有一定的潜在可行性，但其钍利用的可行性和模式还需要进一步深入分析。本文开展了PB-FHR钍利用的相关研究工作，包括：（1）考虑到PB-FHR燃料球的流动特点，基于MCNP5和ORIGEN2程序，开发了燃耗计算耦合程序MOBAT和球床堆平衡态燃耗管理程序PBRE。（2）进行了开循环模式（无后处理）下PB-FHR钍利用研究，用以改善铀燃料的利用率；（3）进行了闭循环模式（有后处理）下弥散燃料元件的PB-FHR钍铀自持初步研究，分析其增殖区域和增殖能力，以及堆芯氟盐中子性质。燃耗程序开发主要介绍了以下两个方面：（1）一般燃耗程序MOBAT的耦合原理、耦合方式以及准确性验算。其中，通过常规压水堆组件、钍铀异质结构压水堆组件、燃料球元件等基准题的验算，表明MOBAT达到了SCALE、MCNPX和MCODE等燃耗软件的同等精度，且适用于PB-FHR燃耗计算；（2）球床堆平衡态燃耗程序PBRE的平衡燃耗原理、耦合方式、收敛方法以及基准题验算。PBRE采用单迭代正相关收敛法，节省了计算时间。通过HTR-10模型验算表明，PBRE的计算结果与VSOP基本一致，验证了其准确性。此外，针对闭循环的换料方式，PBRE增加了钍铀自持平衡态燃耗搜索功能。开循环模式下PB-FHR钍利用研究主要内容有：（1）单栅元中子物理分析。主要比较了钍铀混合模型、TRISO燃料核内钍铀分层模型和钍球铀球模型的钍燃料利用情况。结果表明，钍铀混合模型比纯铀燃料的燃耗深度还要低；TRISO燃料核内钍铀分层模型节省了6.8%的铀燃料；钍球铀球模型节省了20%左右的铀燃料。（2）全堆芯中子物理分析。主要比较了钍球铀球分区堆芯、钍球铀球混合堆芯和纯铀球堆芯之间的钍燃料利用情况。钍球铀球分区堆芯可节省20%的铀燃料，但径向功率峰因子达到1.8；钍球铀球混合堆芯可节省10%的铀燃料，径向功率峰因子为1.48；纯铀球混合流动作为其他堆芯比较的参考值，铀球的卸料燃耗深度为220MWd/kgU。（3）钍球铀球分区堆芯热工水力初步分析。采用单通道模型和一维传热模型，计算结果表明，如果限制正常工况下燃料最高温度为1300°C，22.5MW/m3的堆芯平均功率密度对应3cm直径燃料球；6.2MW/m3的堆芯平均功率密度对应6cm直径燃料球。设置燃料球破损率限制为2E-4，计算分析表明，可通过减少铀球的燃料核直径（250μm半径）、增加SiC层厚度等方式提高铀球的燃耗深度（180MWd/kgU）。钍球的最大挑战在于其高的快中子注量和长时间辐照（会导致SiC材料的性能大大降低），推荐钍球燃耗深度为100MWd/kgHM。闭循环下弥散燃料颗粒PB-FHR钍铀自持的主要内容有：（1）燃料元件的选取。基于TRISO结构的PB-FHR堆芯燃料装载量少（球内燃料体积最大占5%左右）、慢化能力强，计算认为其不具有钍铀增殖能力；而弥散颗粒燃料元件内燃料体积可以达到50%，SiC基质具有弱的慢化能力，初步计算认为其具有很高的钍铀增殖能力。（2）弥散燃料颗粒PB-FHR的自持特性和氟盐中子特性。计算表明，燃料占燃料球的体积比在20%-60%区间其自持且排空系数为负；其最大自持燃深度超过200MWd/kgHM。堆芯功率密度对改进型PB-FHR自持燃耗深度有很大的影响，当堆芯功率密度从10上升到30MW/m3时，自持卸料燃耗深度下降了30MWd/kgHM。此外，氟盐在快谱下具有与热谱下不同的中子性质，在快谱下，6Li和7Li的中子吸收很少，可以允许99.95%的7Li富集度，且实际达到平衡时，6Li的浓度在1000ppm左右；在快谱下，单位电功率下的3H产量只有30-40g/GW/year，比热堆中的少很多。（3）热工水力初步分析。计算认为采用6cm直径球，堆芯平均功率密度需小于20MW/m3，采用3cm直径燃料球，堆芯平均功率密度可以达到60MW/m3。改进型PB-FHR的最大挑战来源于燃料球的长时间辐照，通过提升堆芯功率密度可以降低辐照时间，但是相应地降低了其燃耗深度。改进型PB-FHR在燃料制造和后处理方面的技术可行性需要进行深入研究。
【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】：2015
【分类号】：TL352
【图文】：

世界能源,历史趋势,来源,化石能源

/年的平均速度增长（图 1.1），相比同时期的人口增长（能源消耗差异很大，人均能源消费较大的区域主要是北美消耗是远东（中日韩等）的 10 倍左右，是中东和南亚的经济体区域仍然旺盛。因此 IAEA 预测世界能源需求仍然主要由化石能源（包括煤炭、石油和天然气）组成，其我国化石能源甚至高达 90%以上。而化石能源属于不可再估计[2]，全世界最终可开采石油储量约 3 万亿桶，世界煤，世界天然气储量约 177 万亿立方米，按照目前的消费00-200 年后枯竭。此外，化石燃料对环境造成了严重的影2的排放导致全球气候变暖，威胁全球生态；煤炭燃烧中颗粒是造成大气污染的主要来源，酸雨、雾霾等气候现象及健康。因此，以化石能源为主的能源结构急需转型。

勘探成本,来源,历史上,铀资源

Australia 1,706,100 29%Kazakhstan 679,300 12%Russian Fed 505,900 9%Canada 493,900 8%Niger 404,900 7%Namibia 382,800 6%South Africa 338,100 6%Brazil 276,100 5%USA 207,400 4%China 199,100 4%Mongolia 141,500 2%Ukraine 117,700 2%Uzbekistan 91,300 2%Botswana 68,800 1%Tanzania 58,500 1%Jordan 33,800 1%Other 191,500 3%World total 5,902,500

【参考文献】