气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆中子学特性分析研究

发布时间：2020-11-12 07:27

　　 行波堆通过点火区裂变中子驱动增殖区的238U转换和裂变,理论上可以利用增殖燃烧波的移动,将堆内装载的238U高效利用,是裂变能应用的一种理想途径。在传统的行波堆中,为了维持增殖燃烧波的行进,燃料组件需要承受的辐照远超过目前材料的允许限值,导致其实现难度较大。利用外中子源的驱动,可以在一定程度上降低材料的辐照,实现行波堆的功能,从而实现高燃料利用率和次临界固有安全性的兼顾,对核能的可持续发展有重要意义。本文提出了基于气动磁镜聚变中子源的次临界行波堆物理方案,通过中子源位置的主动调节,推动增殖燃烧波的行进,实现行波堆的功能。本文主要开展的研究工作具体包括:提出了一种利用气动磁镜聚变中子源驱动次临界行波堆堆芯设计方法。通过调节磁场强度分布和中性束注入位置实现中子源的主动调节,可用于驱动次临界行波堆,实现了行波堆的功能。在此基础上,阐述了气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆的基本组成、物理原理以及中子学特点。开展了次临界铅基行波堆中子学设计与优化。基于设计原则与目标,以铅冷行波堆为参考方案,利用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC和混合评价核数据库HENDL为研究手段,开展不同堆芯关键参数对堆芯性能影响分析。研究结果表明,采用富集度12%的U-10%Zr金属燃料,208Pb作为冷却剂和反射层时,次临界行波堆堆芯具有较优的性能。当中子源初始位置位于20-100 cm,移动速率为5 cm/a时,其与次临界行波堆的增殖燃烧波速度匹配后性能最佳。开展了次临界铅基行波堆中子学瞬态安全分析。通过数值模拟的方式,针对气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆堆芯开展中子学瞬态安全分析,重点关注次临界堆芯反应性引入和外中子源扰动两个方面。研究结果表明:扰动后经一定时间运行后,系统源强需求、堆芯有效增殖因数keff、中子通量分布、功率分布和易裂变核素核子密度分布等参数都可以再次回到稳定状态,相比较于扰动前,扰动引入之后的参数基本保持一致。综上,本文提出一种气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆堆芯设计方案,开展了次临界铅基行波堆中子学优化与分析,完成了气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆中子学概念设计方案,在此基础上,并开展了气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆中子学瞬态安全分析,为次临界行波堆堆芯安全设计与分析提供参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL351.1
【部分图文】：

报告显示：到２０１８年５月，全球在运的核电机组总量为４５０台，总装机容量超??过了?３．９３亿千瓦，在建核电机组５７台，总计装机容量达５８５３．５万千瓦⑴，其中??中国、俄罗斯和印度等国核电发展速度非常明显，如图丨．１和图１．２所示。??图ｉ．ｉ世界核电站分布图??１??

基于气动磁镜ＧＤＴ?（Ｇａｓ?Ｄｙｎａｍｉｃ?Ｔｒａｐ）的聚变装置是理想的行波堆驱动中??子源。ＧＤＴ的原理是磁镜较低温度的等离子体中平面位置注入高能中性束粒子，??与靶等离子体作用形成的快离子。图１．４给出了气动磁镜结构示意图。由于磁矩??守恒，快离子会在磁镜中来回反射，并在磁镜两端折返点区域聚集进而发生聚变??反应，由此形成两个轴对称的高通量中子区。同时其聚变等离子体区域可以沿轴??向自由调整，在无需对装置进行改造的情况下，通过调节磁场实现高通量中子区??５??

了一种完全自动的裂变反应堆，其核燃料增殖燃烧波被点燃后在堆芯轴向缓慢传??播。这种反应堆只需要天然铀、贫铀或钍作为核燃料，不需要进行浓缩或后处理。??图１．５给ｉ了以钍为燃料的堆芯几何布局。??〈＼＼＼?＼＼＞、巧??Ｔｈ?＋１０％?Ｕ２３３?（ｍｅｔａｌ）?ｇｍ／ｃｃ］?／??／?［ｐ＝１２．４?ｇｍｙｃｃ）?／）?／?／?／?／?／?／?／?．／—）??图１．５钍基行波堆模型??此后许多研宄人员对这种新型反应堆进行了分析研宄。Ｖａｎ?Ｄａｍｌ２３＿２５ｊ基于一??维扩散方程得到了一个精确的孤波解，该方程具有给定的抛物线燃耗函数和二次??幂反馈项。ＳｅｉｆｒｉｔｚＰＴ基于在一维扩散模型，通过对燃耗方程进行简化并忽略反馈??项，得到了孤波解。Ｆｏｍｉｎ等人１２８？１通过耦合瞬态扩散模型和燃耗方程，解决了??燃烧波的起动和传播问题，并证明了自发的增殖燃烧波的可行性。ＣｈｅｎＸｕｅｎｏｎｇ??等人％＿３３１通过耦合单群扩散方程和近似处理的燃耗方程，对行波堆燃烧机理进行??研究，并得到了行波堆燃烧的孤波解。??日本东京工业大学Ｓｅｋｉｍｏｔｏ及其研宄团队对行波堆进行了深入的数值研究??１３４４吣其研宄结果表明，燃料核素密度、中子通量和功率密度的分布将以相同的??恒定速度运动并且其形状没有任何变化
【参考文献】

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本文编号：2880455