FLiBe熔盐堆中光激中子的影响研究

发布时间：2020-08-01 15:04

【摘要】：缓发中子是反应堆得以控制的关键。通常来说,反应堆中的缓发中子就是裂变产物在衰变过程中所产生的中子,即裂变缓发中子。反应堆中裂变缓发中子绝对份额是由燃料类型所决定的,其有效份额则是由反应堆结构、材料、几何尺寸等共同决定。对于含有氘或者铍的反应堆而言,除上述裂变缓发中子外,裂变产物衰变过程中所释放的高能光子和D或者Be通过(γ,n)反应而产生的中子,即光激缓发中子,也是缓发中子的一部分,同样具有特别重要的意义。由于光激缓发中子的半衰期更长,含有光激缓发中子的反应堆动态惰性可能大很多,甚至光激缓发中子成为影响某些反应堆动态特性的主要因素。近年来,中国科学院上海应用物理研究所着眼于发展第四代先进核能系统,发起并主导了“钍基核能熔盐堆核能系统”先导专项,简称TMSR项目。该项目的近期目标为建造2 MWt钍基液态熔盐堆(简称TMSR-LF1)和10 MWt钍基固态熔盐堆(简称TMSR-SF1)。熔盐堆是近几年国际上重点研究的四代堆型候选之一,其在钍铀燃料循环、经济性、安全性、可持续性、小型化、防核扩散等多方面有显著的优点。依据燃料形态的不同,熔盐堆分为两种,液态燃料熔盐堆和固态燃料熔盐堆。氟锂铍熔盐(LiF-BeF_2)因具有良好的中子物理性能而被诸多熔盐堆设计中广泛使用,如TMSR项目中的TMSR-SF1和TMSR-LF1。由于堆芯中含有大量的铍,考虑到缓发中子的特殊性,针对两种反应堆设计开展熔盐堆中光激中子的研究,分析其对于瞬态特性及其物理启动相关基本实验中的作用,对于确保熔盐堆的安全运行是很有必要的,在熔盐堆的工程实际应用中具有很重要的现实意义。本文首先回顾了熔盐堆的发展历程和现状,介绍了其他实验堆中光激中子相关的研究结果。由于各实验堆的堆芯构造差异较大,在光激缓发中子有效份额这一关键参数的计算过程中采用了不同的近似,光激中子产额有所不同,其作用和影响有一定差异。为充分考虑熔盐堆中光激中子这一特殊项,传统的、完全不考虑裂变过程中光子产生与消亡的中子物理计算模型不再适用,而需要使用中子和光子相互耦合的物理计算模型。本工作参考中子输运方程的建立过程,根据粒子守恒的基本原理,详细推导了更具普适性的中子-光子耦合输运方程,详细介绍了本工作中所使用的程序及版本信息以及数据库。随后,基于微扰理论和中子-光子耦合输运方程,详细推导了更具普适性的中子-光子耦合点堆方程,并给出了各点堆动力学参数的物理定义,并结合当前的反应堆计算软件,介绍了常用的点堆动力学参数求解的方法和各计算法方法所采用的近似。基于中子-光子耦合点堆方程,详细推导了反应堆周期、倒时方程等反应堆实验和控制中的关键基础关系式。本工作中,点堆动力学方程计算相关的部分采用程序MATLAB编程,主要基于MATLAB自带的库函数完成刚性较强的点堆动力学方程的求解。基于上述理论基础,以TMSR项目中的TMSR-SF1的简化模型,开展了点堆动力学参数的计算,重点使用两种不同的方法完成了光激缓发中子的有效份额计算,分析了光激中子对不同的瞬态过程的影响分析,包括临界判断、次临界判断、正反应性引入、负反应性引入,最后完成了光激缓发中子对反应性测量的影响分析,包括两种常用方法,周期法和逆动态方法。最后,基于TMSR-LF1的初期选型方案之一,重点研究了不同功率运行历史后,反应堆中内中子源强度的变化。由于液态燃料为大量的氟锂铍盐和锕系元素的混合,因此与传统的固态燃料反应堆不一样,液态燃料熔盐堆内(α,n)中子源和(γ,n)中子源均需要加以考虑。基于中子源强度,开展了功率运行之后进行无外源再启动的分析,结合燃料盐的流动效应,完成了光激中子和中子源对周期、反应性测量的影响分析。结果表明,对固态熔盐堆而言,当光激缓发中子先驱核达到饱和之后,在使用逆动态法测量反应性时,需要考虑光激缓发中子,否则反应性仪将给出误差较大的测量结果,甚至于错误的测量结果;在测量反应堆的周期时,光激缓发中子的存在会导致等待时间的增加,特别是所需测量的周期为长周期时。对于液体熔盐堆而言,经过较长时间的高功率运行之后,停堆后的一段时间内可以完成无外源再起堆;燃料盐的流动效应导致光激缓发中子有效份额的降低强于裂变缓发中子有效份额的降低;在周期测量时,中子源引起的等待时间增加更为明显,远超过光激缓发中子的作用。因此在实际实验中,应考虑消除中子源本底的方法。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL426
【图文】：

堆芯,概念设计,侧视图,实物

图 1.1ARE 概念设计图（上）、堆芯实物横截面图（下左）和堆芯侧视图（下右）Figures 1.1 ARE conceptual design (up), cutview (down-left) and sideview (down-right)1965 年，橡树岭国家实验室再次建成 8 MWt 液体燃料熔盐堆（MSRE），标志着熔盐堆的研发从军用转向民用。MSRE 的反应堆设计报告（Robertson，1965）中说明 MSRE 使用石墨慢化剂，燃料为 LiF4-BeF2-ZrF4-UF4（65-29.1-5-0.9mole %）,燃料盐同时兼做冷却剂。据 MSRE 运行报告（Haubenreich 和 Engel，1970；Engel 和 Prince，1972 ）记录，于 1968 年 MSRE 用233U 代替235U，成为全球第一个使用233U 燃料运行的反应堆。MSRE 成功运行四年后，由于经费等原因于 1969 年底关闭，但充分证明了液态熔盐堆运行的安全性和稳定性。1970 年代，ORNL 进行了一系列热功率为 2250 MWth 的增殖熔盐堆的设计(MacPherson, 1985)，堆型代号为 Molten Salt Breeder Reactor，简称 MSBR。随后由于冷战时期军事原因（快中子增殖堆的发展较早，且易于增殖核武器使用的钚）

示意图,概念设计,模块化设计,熔盐

第 1 章引言原因（熔盐堆技术与其他所有反应堆技术有较大差异，对后处理技增殖堆的研发重点转向快中子堆，而熔盐热中子增殖堆的研发则被纪 70 年代到 90 年代，欧洲英国、法国、瑞士和日本等先后基于液了钍铀循环、铀钚循环、锕系元素嬗变等多方面的研究，如日本原提出的 mini-FUJI、FUJI-12、FUJI-U3 等系列熔盐堆的概念(Furukaw，法国提出的熔盐热堆 Thorium Molten Salt Reactor，简称 TMSR（006；Merle-Lucotte 等，2007）。这一时期，除氟盐堆外，氯盐堆也关注，其主要原因是氟盐中重金属溶解度更高(Smith 和 Simmons，itte，1992；Delpech 等，2009)。

反应截面,能量阈值,衰变常数

（s-1）235U 衰变常数（s-1）233U 衰变常数（s-1）3 0.0380 0.0126 0.086 0.0133 5 0.1918 0.0337 0.299 0.0301 9 0.1638 0.139 0.252 0.1135 9 0.3431 0.325 0.278 0.2953 6 0.1744 1.13 0.051 0.8537 3 0.0890 2.5 0.034 2.6224 反应性均有一定的能量阈值（Chadwick 等，2012D（γ, n）的能量阈值为 2.23 MeV，9Be（γ, n）的能量的能量阈值为 5.7 MeV，13C（γ, n）的能量阈值为e（γ, n）截面随入射光子的能量变化见图 1.3。

【参考文献】