液态熔盐堆高精度燃耗算法及钍铀增殖研究

发布时间：2020-11-15 23:23

　　 熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)是六种第四代先进核能系统候选堆型中唯一的液态燃料反应堆,是实现钍铀燃料循环最为理想的堆型。然而,其具有的在线连续添换料等特点,使得液态熔盐堆燃耗计算具有不同于传统固态反应堆的独特性质,主要体现在两个方面:其一是液态熔盐堆的连续在线添料特点给传统的点燃耗模型引入了描述添料率的非齐次项;其二是液态熔盐堆在运行过程中,需要随时调节添料率维持反应堆临界。本课题从最基本的燃耗模型和求解算法出发,研究液态熔盐堆燃耗的特殊性问题,发展了适用于熔盐堆的燃耗模拟方法,并开展了液态熔盐堆的钍铀增殖研究。首先,液态熔盐堆普遍采用闭式燃料循环模式,具有极深的燃耗深度,这对于点燃耗的计算精度提出了更高的要求。对此,本课题基于若干先进的点燃耗算法开发并验证了液态熔盐堆点燃耗程序MODEC。程序实现了包括递归形式的广义线性子链法(TTA)、围道积分有理近似算法(QRAM)以及切比雪夫有理近似算法(CRAM)在内的三类点燃耗算法,基于复杂核素系统,并结合一系列高效的编程技巧,保证了点燃耗计算的高精度和高效性。同时,课题对三种点燃耗算法的计算精度和计算效率进行了比较研究,并对ORIGEN-S开展了详细的误差分析。ORIGEN-S的误差分析表明,除了短寿命核素的平衡浓度假设这一误差来源外,ORIGEN-S对核素的不完全分类导致某些核素处于不完整的燃耗链上,也会带来显著的计算误差。其次,针对液态熔盐堆连续在线添料给点燃耗方程带来的非齐次问题,本课题基于拉普拉斯变换方法,提出了两种新的非齐次燃耗方程求解算法:扩展的围道积分有理近似算法(Ext-QRAM)和扩展的切比雪夫有理近似算法(Ext-CRAM)。与现有的其他非齐次燃耗算法的比较研究表明,新算法很好的保持了QRAM和CRAM的高精度和高效率特点,并且对于不同添料函数有统一的构造方法,面对复杂形式的添料函数时相较于其他非齐次燃耗算法具有更好的适用性。接着,课题基于蒙卡程序SCALE6.1/KENO-VI和点燃耗程序MODEC,研发并验证了液态熔盐堆蒙卡燃耗程序TMCBurnup。程序采用了特殊的蒙卡燃耗耦合流程,实现了对液态熔盐堆在线连续添料维持临界的运行模式的模拟。并且还针对液态熔盐堆从启堆演化到平衡态的整个燃耗计算过程耗时巨大的问题,研发并验证了液态熔盐堆平衡态燃耗快速搜索程序MESA。计算结果表明,MESA只需不到10个蒙卡燃耗迭代步即可搜索到平衡态,与一般蒙卡燃耗程序计算液态熔盐堆平衡态动辄需要上百次蒙卡输运计算相比,MESA极大的节约了计算资源和计算耗时。最后,基于开发的液态熔盐堆燃耗分析工具,开展了熔盐热堆的钍铀增殖性能的优化研究。课题首先以平衡态钍铀增殖性能为基础,对石墨单栅元结构开展优化研究。优化结果表明,具有最优钍铀增殖性能的石墨栅元结构与功率密度和栅元临界水平kinf无关,对应的石墨栅元边长为5 cm,熔盐体积份额为21.5%。其次,基于平衡态钍铀增殖性能,对替换了最优石墨栅元结构的熔盐增殖堆MSBR开展功率密度的优化,结果表明,功率密度在70 MW/m3时,存在极小的平衡态时刻倍增时间35.45年,与MSBR平衡态时刻的43.05年倍增时间相比,优化之后的模型IMSBR具有更好的钍铀增殖性能,并且无论是在初态还是在平衡态均具有负的总温度反应性系数,相对于具有正温度反应性系数的MSBR,IMSBR更能够满足反应堆安全运行要求。接着,对IMSBR开展了过渡态燃耗分析,着重分析了关键重金属核素质量以及增殖性能参数的演化规律。最后,对燃料盐和核废料的放射性进行了分析,为后处理系统以及核废料处置的屏蔽设计提供参数依据。
【学位单位】：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
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL426
【部分图文】：

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｒｅａｃｔｏｒ，?ＶＨＴＲ）、超临界水堆（Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ－Ｗａｔｅｒ?Ｒｅａｃｔｏｒ，?ＳＣＷＲ）、??熔盐堆（Ｍｏｌｔｅｎ－Ｓａｌｔ?Ｒｅａｃｔｏｒ，?ＭＳＲ）。其中，熔盐堆是６种堆型中唯一的液态燃??料反应堆，因此备受关注（图１．１）。??一，??Ｍｏｌｔｅｎ?ｓａｌｔ?Ｒｅａｃｔｏｒ??备－、ｎ?一＿?＞＝??ｔｆＴｇｒａ．?Ｘ；??ｌ?“?—?ｔ?ｉ??ｆｒ?Ｗ＞?－－??ｕ?ｕ?ｕ??Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ?ｄｕｍｐ?ｔａｎｋｓ?ＪＪ?、?』?＾??图１．１络盐堆系统示意图??在熔盐堆中，核燃料以熔融状态的燃料盐形式存在，均匀分布在堆芯中，无??需制备固态的燃料元件。同时，燃料盐还充当冷却剂的作用，通过在堆芯和外回??路之间的循环流动，直接将核热带出堆芯。此外，熔盐堆一般采用的载体熔盐通??常具有较高的熔点和非常高的沸点（如！＞正－：８６？２载体盐的熔点为４５９°Ｃ，而沸点??则高达１４３０°Ｃ），因此反应堆可以运行在高温常压下，不仅具有高的热电转换效??率以及能够提供高温工艺热，还能够避免高压运行存在的潜在事故风险。并且，??２??

盐堆?ＡＲＥ?（ＡｉｒｃｒａｆｔＲｅａｃｔｏｒＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）［ｌ３］。它采用?ＮａＦ－ＺｒＦ４－ＵＦ４?（５３－４１－６?ｍｏｌ％）??作为燃料，以氧化铍（ＢｅＯ）作为慢化剂，运行功率为２．５?ＭＷ，堆芯峰值运行??温度达到８６０°Ｃ?（图１．２）。ＡＲＥ连续运行了?１０００个小时，首次证明了这种采用??液态燃料盐形式的反应堆的可行性［１６］。??ＦＵＥＬ?ＰＵＭＰＩ＞Ｒ．Ｖ￡?ＴＵＲＢＩＮＥ?ＢＬＥＥＤ－ＯＦＦ?Ａ．Ｒ??Ｎａ?ＰＵＭＰ?ＤＲＩＶＥ?ＴＵＲＢＩＮＥ??ＷＥ０?ＯＦＣＡＮＴ，ＵＥＶＥＲＳＥＡＭ?？．?ＮＯＫ?ＴＯ?，ＮＴＥ？ＭＥＣ？ＡＴＥ?ＨＥＡＴ?ＥＸＣＨＡＭＳＥＲ?，ｉ１００＊Ｆ，??ＦＲＯＭ?ＲＥＡＲ?ＷＩＮＧ?ＳＰＡｆｉ?麥?ＥＸＴＥＲＮＡＬ?ＳＨＩＥＬＤ?（ＲＵＢＢＥＲ?ＣＯＮＴＡＩＮＥＲ??Ｅｆｅａｇ?：；；?ＰＩＬＬＥＤ?ＷＩＴＨ?Ｂ０ＲＡＴＥ＆?ＷＡＴＥＲ）??ＭＯＤＩＦＩＥＤ?ＷＲＩＧＨＴ?ＴＵＲＢＯＪＥＴ?Ｘ?ＨＥＬＩＣＡＬ?ＢＡＦＦＬＥ??ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ?ＲＡＴＩＯ?４：ｌ?（ＣＯＲＲＥＣＴＥＤ?ＦＯＲ?ＳＥＡ?ＬＥＶＥＬ）??ＡＩＲ?ＦＬＯＷ?ＳＢＯ?Ｉｂ／ｓｅｅ?（ＣＯＲＲＥＣＴＥＤ?ＦＯＲ?ＳＥＡ?ＬＥＶＥＬ）?广．??ＤＩＡＭＥＴＥＲ?＝?４４?％?ｉｎ．??ＬＥＮＧＴＨ－．４０？．?＾?ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ??ＥＮＧＩＮＥ?ＷＥＩＧＨＴ?－?３４００?ｌｂ?（ＷＩＴＨＯＵＴ?ＲＡＤＩＡＴＯＲ）??ＲＡＯＩＡＴＯＲ?ＷＥＩＧＨＴ?－１５００?ｌｂ?（ＷＩＴＨ?Ｎ？Ｋ）?ＩＮＬＥＴ?ＡＩＲ?＇??图１．２?ＡＲＥ?示意图??从１９６０年代开始

并据此设计了锕系再循环嬗变熔盐堆（Ｍｏｌｔｅｎ?Ｓａｌｔ?Ａｃｔｉｎｉｄｅ?Ｒｅｃｙｃｌｅｒ?＆??Ｔｒａｎｓｍｕｔｅｒ，ＭＯＳＡＲＴ）［２４，２５］。ＭＯＳＡＲＴ是堆芯无石＂墨慢化的快中子谱熔盐堆，设??计热功率为２４００?ＭＷ，堆芯几何结构如图１．５所示。它采用压水堆乏燃料中的超??铀元素作为核燃料并以氟化物的形式溶于ＮａＦ－ＬｉＦ－ＢｅＦ２?（５８－１７－２５?ｍｏｌ％）载体盐??中９在运行过程中，ＭＯＳＡＲＴ能够连续在线添加超铀燃料，既能够维持反应堆??临界运行，同时也可以实现压水堆乏燃料中起铀元素的高效焚烧。??１??燃料盐液位Ｎ八＾反射层??燃料盐出口?■?，?臟层??反射层冷却ｈ?會??Ｉ?ｐ?反射层??支撑环８??，容器??分隨■丨（．ｄｊ??￣?燃料盐入口窗??臟层?＊?１＿??燃料盐入口?＾￣?１１０００ｍｍ??紧急排盐管?＿?１〇??图１．５?ＭＯＳＡＲＴ堆芯几何结构示意图??曰本的熔盐堆研究始于１９８０年代，他们以ＭＳＢＲ为参考堆型，提出了?ＦＵＪＩ??系列小型熔盐堆［２６，２７］。ＦＵＪＩ系列的设计初衷是使得熔盐堆的运行维护尽可能的??简单、易实现，因此，ＦＵＪＩ系列熔盐堆没有复杂的在线化学后处理，也没有采??用一般熔盐堆采取的在线连续添料
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本文编号：2885334