基于MCNP5和ORIGEN2.1的熔盐堆燃料管理程序开发与应用研究

发布时间：2020-08-08 02:39

【摘要】：熔盐堆采用液态熔盐作为燃料和冷却剂,是六种第四代先进核能系统之一,也是唯一采用液态燃料设计的先进反应堆系统,具有经济性好、固有安全性高、能够防核扩散等诸多优点,拥有良好的发展和应用前景。目前各国都积极开展熔盐堆研究,熔盐堆燃耗分析和燃料管理是一项重要的研究内容。一方面,液态燃料熔盐堆中的液态燃料熔盐在反应堆的一回路内循环流动;另一方面,可以进行在线添料和在线处理的操作。现有的针对传统固态燃料核反应堆的燃耗分析与燃料管理程序未考虑这些熔盐堆特性,无法适用于液态燃料熔盐堆的燃耗计算和燃料管理策略研究。因此,开发一个能够适用于液态燃料熔盐堆的燃耗分析和燃料管理程序并开展燃料管理策略及其燃耗特性研究,对于熔盐堆的工程设计、运行控制和安全分析都具有重要的理论意义和工程价值。本文基于蒙特卡罗中子输运程序MCNP5和点燃耗计算程序ORIGEN2进行熔盐堆燃耗分析和燃料管理程序开发。首先对MCNP5和ORIGEN2进行了简单介绍,然后针对程序开发中涉及到的重要物理参数的计算方法、重要物理问题的处理方式、耦合程序的结构流程及数据在程序中的保存与传递方式、耦合程序各个主要功能模块的具体实现方法和耦合程序针对液态燃料熔盐堆燃料流动及在线添料和在线处理功能的特殊处理等进行了系统介绍。根据这些理论和计算方法,完成了ARIES燃料管理程序的开发。然后,通过一个压水堆单燃料芯块栅元的燃耗基准题、一个快堆基准题和一个高燃耗深度的压水堆单燃料芯块栅元燃耗算例对其开展了基准题和算例的验证。验证结果表明,开发的ARIES燃料管理程序采用的模型和使用的方法是有效的、正确的,耦合程序能够适用于液态燃料熔盐堆燃耗计算和燃料管理策略研究。最后将ARIES燃料管理程序应用于一个小型模块化熔盐快堆和一个大型熔盐快堆的燃耗计算及燃料管理方案研究。结果显示,ARIES燃料管理程序的计算结果能够充分反映熔盐堆的燃料流动和在线添料与在线处理的特性。ARIES燃料管理程序有望在今后的革新型液态燃料熔盐堆和液态燃料熔盐实验堆物理设计中发挥重要作用。
【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】：2016
【分类号】：TL426
【图文】：

堆芯,堆芯容器,石墨,矩阵和

第一章绪论/排放系统及散热系统构成。堆芯采用单区结构，液态 LiF-BeF2-Z-BeF2-ZrF4-UF4-PuF3作为燃料，二回路冷却熔盐采用 LiF-Be%），慢化材料选用石墨，Hastelloy-N 合金作为结构材料。堆芯结示，堆芯采用 513 个侧面开槽的石墨组件，石墨总体积为 1.95 m3，一共有 1140 个。MSRE 设计和运行重要时间节点如表 1-1 所示[20

示意图,总流程,示意图,熔盐

U 首次达到设计满功率 8MWth图 1-2 MSRE 系统总流程示意图图 1-2 为 MSRE 系统总流程图。一回路熔盐流速 75.7L/s，堆芯入口处燃料盐温度为 632℃，出口温度为 654℃；二回路熔盐流速 53.6L/s，冷却盐在热交换器的入口温度为 546℃，出口温度为 579℃。一回路与二回路都配备了熔盐紧急排放系统，两个回路通过冷冻阀与相应回路隔绝；一旦有事故发生，熔盐将被排到排放罐中以确保堆芯安全。235U 燃料零功率实验包括了235U 燃料的初始临界浓度实验、温度与压力反应性效应实验、控制棒刻度实验以及动力学测试实验等。通过这些实验揭示了反应堆系统中基本的原子核特性，为熔盐堆的建立提供了有利依据，为核反应堆运行性能提供了评价基准，也为 ORNL 预测 MSRE 特性的计算模型提供评价。MSRE 的总结基本结论如下：在 MSRE 运行条件下测得的燃料浓度不确定性范围内

示意图,增殖堆,熔盐,单流体

第一章绪论了很好的建议，ORNL 参考这些建设性建议，最终形成了 MSBR2]，MSBR 的结构示意图如图 1-3 所示。MSBR 堆芯的石墨棒矩阵具结构，这样的布置方便石墨替换、有利于实现堆芯分区。另外，为用率，在堆芯的不同区域采用不同大小的熔盐通道，具有不同的比。在堆芯底部、顶部和外环，熔盐/石墨体积比较大，形成欠慢化区减少中子泄漏，有利于钍的增殖，可以实现类似增殖包层的功能。M盐燃料7LiF-BeF2-ThF4-UF4的熔点为 498.8℃。在反应堆堆芯，燃上流经堆芯，堆芯熔盐入口温度为 566℃，出口温度达到 704℃。熔盐采用的是 NaBF4-NaF，热交换器二次侧的入口温度为 454℃，621℃。通过二回路蒸汽发生器将能量输送到超临界汽轮发电机，热44%。整个系统中与熔盐接触的结构设备材料都采用 Hastelloy-N 合

【参考文献】