ADS散裂靶中子学分析与设计优化

发布时间：2020-08-19 11:27

【摘要】：核能作为一种清洁能源被认为是可以大规模替代化石类能源的主要途径,但快速发展核能也会面临核燃料供应问题及核废料处理问题,根据中国的核电发展计划,到2020年就有15000吨核废料,其中包括大量的长寿命次锕系核素(MA)与长寿命裂变产物(LLFP)等,该问题制约了核能的快速发展。而新型反应堆加速器驱动次临界系统(ADS)具有增殖核燃料、嬗变核废料、固有安全性好等特点,因此有很好的发展前景ADS中的散裂靶为以前其他核反应堆中没有出现过的部件,它连接加速器与反应堆,其中子学性能直接关系到ADS的产能与嬗变效果。为了满足嬗变和向堆芯提供足够强度的中子源(10"-1018n/s量级)的要求,必须输入散裂靶的质子的能量与强度都必须足够大,这一方面对加速器技术提出了很高的要求,另一方面在堆芯功率固定的情况下,加速器的功率越高,则全堆的功耗比例越高,不利于产能。,因此应在保证堆芯所需中子源强的条件下尽可能节约加速器的功率,降低对加速器的需求,也为全堆获得更高的净输出功率。另外,作为加速器与堆芯的连接部件,其运行参数在满足堆芯要求的同时,还应该降低对加速器的影响。因此需要对散裂靶进行优化设计。在充分考虑了次临界堆芯的需求以及加速器的现实可行性的基础上,本文围绕散裂靶进行了三个方面的研究。首先是从中子学角度对高功率ADS散裂靶进行了分析和优化。从安全角度确定了合理的堆芯功率、keff及散裂靶的材料,进而确定了中子源强度,然后从中子产额、中子平均能量等角度优化了质子能量、散裂靶及缓冲区的半径与高度等几个对散裂反应有明显影响的参数,再从能量沉积的角度验证了优化的结果,最后给出了优化结果的中子空间与角度分布,为堆芯设计提供源分布。然后在中子学分析的基础上研究了散裂靶的活化产物对加速器影响的情况,进一步为散裂靶的设计提出建议。模拟了其中的长寿命核素、易扩散的气态核素与挥发性核素,轻核素等的产生情况。然后重点研究了散裂产物中的氢元素通过渗透进入质子管污染真空的过程,考虑了所有可能对结果构成影响的参数。研究发现对高能量大流强的质子流,散裂产物氢元素的渗透对质子管真空的影响不能忽略。最后在散裂靶中子学分析的基础上提出了一种散裂靶内嬗变的想法。因为散裂靶内中子能量高、价值大,因此考虑在靶内添加部分MA进行嬗变的可行性。文中从能量沉积、质子通量密度与中子通量密度以及相关的最大辐照时间、全堆keff的变化、散裂中子产生以及嬗变效果等方面对这种想法进行了验证,最终发现可以不仅可以提高嬗变效果,而且可以简化ADS的工程设计。本论文综合考虑了堆芯的需要与目前加速器的现实可行性对散裂靶的中子学设计进行了优化；另一方面研究了辐照下的散裂靶对加速器的影响,最后针对目前设计提出了优化改进的方案,最后还对简化ADS的设计给出了有吸引力的建议。
【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】：2014
【分类号】：TL503

【参考文献】