基于DRAGON与DONJON的熔盐堆堆芯燃料管理与优化研究
发布时间：2021-08-04 06:32
在满足功率输出以及核电厂安全运行的前提下,为了降低核电厂的单位度电成本,需要确定合理的燃料管理方案。2011年中国科学院上海应用物理研究所承担研究“钍基熔盐堆核能系统”先导专项,主要研究石墨慢化的液态熔盐堆,以及球形组件的氟盐冷却球床高温堆。液态熔盐堆的燃料以液态的形式溶解在熔盐中,燃料盐中各种核素在一回路中均匀混合,具有连续后处理的燃料管理模式;氟盐冷却球床高温堆的燃料组件为具有双重非均匀性的燃料球,其在堆芯内连续移动,并且可以多次通过堆芯,在达到卸料燃耗深度后卸出堆芯。这些特征给熔盐堆的燃料管理计算带来新的挑战,因此开展熔盐堆的燃料管理研究,对于熔盐堆的设计及优化具有重要的学术意义和应用价值。首先,针对液态熔盐堆燃料均匀混合与连续后处理的特征,开发了燃料管理分析程序LMSR并进行了验证。开展了均匀化、连续后处理、加料搜索方面的研究。具体包括:1)针对2 MW液态熔盐堆建立合适的均匀化模型,在使用7群少群结构时,给出不同控制棒组的反应性积分价值、功率分布以及温度反应性系数;2)对六边形组件的液态模块化熔盐堆进行均匀化与燃耗计算,使用等效能谱的方法给出燃料均匀混合有效增殖因子随燃耗的演...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
国内石油开采、销量与进口量（a）；国内天然气开采、销量与进口量（b）
基于DRAGON与DONJON的熔盐堆堆芯燃料管理与优化研究2中，核能机组的装机容量从2010年的1082万千瓦增加到2018年的4466万千瓦，风电机组的装机容量从2010年的2958万千瓦增加到2018年的18426万千瓦，太阳能发电机组的装机容量从2010年的26万千瓦增加到2018年的17463万千瓦。相比较可再生能源普遍具有的间歇性与波动性、依赖于所建地区的气候资源，核能可以保证稳定的功率输出，并且不依赖于所建地区的气候资源，因此更适合作为基础电荷进行部署。图1.2清洁能源装机容量（a）；清洁能源装机容量占比份额（b）Figure1.2(a)Installedcapacityofcleanenergy;(b)Shareofinstalledcapacityofcleanenergy尽管核能具有清洁、功率输出稳定等优势，但是由于核能发生的三次严重事故，即1979年的美国三哩岛事故[3]、1986年前苏联切尔诺贝利事故[4]以及2011年的日本福岛事故[5]，使得核电在公众的信任度降低。除此之外，核能目前存在的核废料处理问题、核燃料的高效利用问题，限制了核能的进一步发展。为了解决核能发展面临的可持续性、安全性、核废料最小化和防核扩散等问题，美国能源部DOE在2000年1月召集阿根廷，巴西，加拿大，法国，日本，韩国，南非，英国共九个国家讨论四代堆在国际间的合作，并在2001年的时候成立了第四代堆论坛（GIF）[6]。GIF对四代堆的目标有四点[7]，分别是：（1）可持续性。包含两个子目标，分别是燃料利用率的提高与核废物最小化；（2）经济性。包含两个子目标，分别是降低燃料循环整个周期的费用，以及建造反应堆时的风险可控，即隔夜成本与建设反应堆的工期可以承受；
第一章7ORNL开展了MSRE（MoltenSaltReactorExperiment）实验堆的研究[27,28]，其主要目的是研究慢化剂石墨寿命与燃料盐组份的关系，并测试不同类型燃料性质，以及提供熔盐堆运行和维护经验。MSRE的设计热功率为8WMt，一回路出口温度为663℃，燃料盐为LiF-BeF2-ZrF4-UF4(65-29-5-1mol%)，慢化剂为石墨，二回路的冷却剂为LiFe-BeF2熔盐，管道及堆芯使用Hastelloy-N合金。在运行过程中，使用氦鼓泡方法去除难溶于熔盐的裂变气体与贵金属，并采用包含U-233、U-235及Pu-239三种裂变燃料的燃料盐。MSRE的成功运行证实了熔盐堆技术的可行性。MSRE整体系统示意图如图1.3所示。图1.3MSRE核能系统示意图Figure1.3schematicdiagramofMSREnuclearpowersystemORNL在MSRE的研究基础上，开展了熔盐增殖堆MSBR(MoltenSaltBreederReactor)的概念设计[29]，目标是研究熔盐堆在实际应用中设备和系统的可靠性。MSBR的设计电功率为1GWe，热功率2250MWth，燃料盐的入口与出口温度分别为566℃与704℃。燃料盐为LiF-BeF2-ThF4-UF4，慢化剂为石墨，二回路冷却剂为NaBF4和NaF熔盐。为了在熔盐堆上实现钍铀循环，除了通过在线连续去除难溶于熔盐的裂变气体与贵金属外，还使用在线燃料处理装置对燃料盐中的Pa-233和镧系元素进行后处理。通过将Pa-233提取到堆外衰变的方式，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SCALE的熔盐堆添料与后处理系统分析程序开发及验证[J]. 余呈刚,邹春燕,伍建辉,蔡翔舟,陈金根. 原子能科学技术. 2018(12)
[2]动态参数直接统计方法在TMSR-SF1中的应用[J]. 朱贵凤,严睿,于世和,康旭忠,冀锐敏,周波,邹杨. 核技术. 2018(05)
[3]正常运行工况熔盐堆主回路衰变热特性研究[J]. 周波,严睿,邹杨,杨璞,于世和,刘亚芬. 核技术. 2018(04)
[4]基于SCALE/TRITON的单流双区熔盐堆燃耗计算方法[J]. 崔德阳,夏少鹏,余呈刚,蔡翔舟,陈金根. 核技术. 2017(08)
[5]压水堆嬗变长寿命裂变产物的弹棒事故安全性研究[J]. 马云帆,吴宏春,曹良志. 原子能科学技术. 2017(03)
[6]基于CITATION-ORIGEN2球床堆平衡态计算程序的实现[J]. 戴明,朱贵凤,戴叶,邹杨,余笑寒. 原子能科学技术. 2017(01)
[7]钍基熔盐堆核能系统中熔盐的蒸馏纯化与分离[J]. 耿俊霞,窦强,王子豪,杨洋,黄卫,付海英,李文新,吴国忠,李晴暖. 核化学与放射化学. 2017(01)
[8]钍基熔盐堆核能系统[J]. 蔡翔舟,戴志敏,徐洪杰. 物理. 2016(09)
[9]Development of a MCNP5 and ORIGEN2 based burnup code for molten salt reactor[J]. Guo-Min Sun,Mao-Song Cheng. Nuclear Science and Techniques. 2016(03)
[10]中国铅基研究反应堆概念设计研究[J]. 吴宜灿,柏云清,宋勇,黄群英,刘超,王明煌,周涛,金鸣,吴庆生,汪建业,蒋洁琼,胡丽琴,李春京,高胜,李亚洲,龙鹏程,赵柱民,郁杰,FDS团队. 核科学与工程. 2014(02)
博士论文
[1]钍基氟盐冷却高温堆燃料球中子学性能优化研究[D]. 房勇汉.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
[2]氟盐冷却球床高温堆钍利用研究[D]. 朱贵凤.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2015
[3]高温气冷反应堆中燃耗测量方法研究和原型研制[D]. 闫威华.清华大学 2013
[4]压水堆核电站堆芯燃料管理与优化研究[D]. 石秀安.清华大学 2007
本文编号：3321196
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
国内石油开采、销量与进口量（a）；国内天然气开采、销量与进口量（b）
基于DRAGON与DONJON的熔盐堆堆芯燃料管理与优化研究2中，核能机组的装机容量从2010年的1082万千瓦增加到2018年的4466万千瓦，风电机组的装机容量从2010年的2958万千瓦增加到2018年的18426万千瓦，太阳能发电机组的装机容量从2010年的26万千瓦增加到2018年的17463万千瓦。相比较可再生能源普遍具有的间歇性与波动性、依赖于所建地区的气候资源，核能可以保证稳定的功率输出，并且不依赖于所建地区的气候资源，因此更适合作为基础电荷进行部署。图1.2清洁能源装机容量（a）；清洁能源装机容量占比份额（b）Figure1.2(a)Installedcapacityofcleanenergy;(b)Shareofinstalledcapacityofcleanenergy尽管核能具有清洁、功率输出稳定等优势，但是由于核能发生的三次严重事故，即1979年的美国三哩岛事故[3]、1986年前苏联切尔诺贝利事故[4]以及2011年的日本福岛事故[5]，使得核电在公众的信任度降低。除此之外，核能目前存在的核废料处理问题、核燃料的高效利用问题，限制了核能的进一步发展。为了解决核能发展面临的可持续性、安全性、核废料最小化和防核扩散等问题，美国能源部DOE在2000年1月召集阿根廷，巴西，加拿大，法国，日本，韩国，南非，英国共九个国家讨论四代堆在国际间的合作，并在2001年的时候成立了第四代堆论坛（GIF）[6]。GIF对四代堆的目标有四点[7]，分别是：（1）可持续性。包含两个子目标，分别是燃料利用率的提高与核废物最小化；（2）经济性。包含两个子目标，分别是降低燃料循环整个周期的费用，以及建造反应堆时的风险可控，即隔夜成本与建设反应堆的工期可以承受；
第一章7ORNL开展了MSRE（MoltenSaltReactorExperiment）实验堆的研究[27,28]，其主要目的是研究慢化剂石墨寿命与燃料盐组份的关系，并测试不同类型燃料性质，以及提供熔盐堆运行和维护经验。MSRE的设计热功率为8WMt，一回路出口温度为663℃，燃料盐为LiF-BeF2-ZrF4-UF4(65-29-5-1mol%)，慢化剂为石墨，二回路的冷却剂为LiFe-BeF2熔盐，管道及堆芯使用Hastelloy-N合金。在运行过程中，使用氦鼓泡方法去除难溶于熔盐的裂变气体与贵金属，并采用包含U-233、U-235及Pu-239三种裂变燃料的燃料盐。MSRE的成功运行证实了熔盐堆技术的可行性。MSRE整体系统示意图如图1.3所示。图1.3MSRE核能系统示意图Figure1.3schematicdiagramofMSREnuclearpowersystemORNL在MSRE的研究基础上，开展了熔盐增殖堆MSBR(MoltenSaltBreederReactor)的概念设计[29]，目标是研究熔盐堆在实际应用中设备和系统的可靠性。MSBR的设计电功率为1GWe，热功率2250MWth，燃料盐的入口与出口温度分别为566℃与704℃。燃料盐为LiF-BeF2-ThF4-UF4，慢化剂为石墨，二回路冷却剂为NaBF4和NaF熔盐。为了在熔盐堆上实现钍铀循环，除了通过在线连续去除难溶于熔盐的裂变气体与贵金属外，还使用在线燃料处理装置对燃料盐中的Pa-233和镧系元素进行后处理。通过将Pa-233提取到堆外衰变的方式，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SCALE的熔盐堆添料与后处理系统分析程序开发及验证[J]. 余呈刚,邹春燕,伍建辉,蔡翔舟,陈金根. 原子能科学技术. 2018(12)
[2]动态参数直接统计方法在TMSR-SF1中的应用[J]. 朱贵凤,严睿,于世和,康旭忠,冀锐敏,周波,邹杨. 核技术. 2018(05)
[3]正常运行工况熔盐堆主回路衰变热特性研究[J]. 周波,严睿,邹杨,杨璞,于世和,刘亚芬. 核技术. 2018(04)
[4]基于SCALE/TRITON的单流双区熔盐堆燃耗计算方法[J]. 崔德阳,夏少鹏,余呈刚,蔡翔舟,陈金根. 核技术. 2017(08)
[5]压水堆嬗变长寿命裂变产物的弹棒事故安全性研究[J]. 马云帆,吴宏春,曹良志. 原子能科学技术. 2017(03)
[6]基于CITATION-ORIGEN2球床堆平衡态计算程序的实现[J]. 戴明,朱贵凤,戴叶,邹杨,余笑寒. 原子能科学技术. 2017(01)
[7]钍基熔盐堆核能系统中熔盐的蒸馏纯化与分离[J]. 耿俊霞,窦强,王子豪,杨洋,黄卫,付海英,李文新,吴国忠,李晴暖. 核化学与放射化学. 2017(01)
[8]钍基熔盐堆核能系统[J]. 蔡翔舟,戴志敏,徐洪杰. 物理. 2016(09)
[9]Development of a MCNP5 and ORIGEN2 based burnup code for molten salt reactor[J]. Guo-Min Sun,Mao-Song Cheng. Nuclear Science and Techniques. 2016(03)
[10]中国铅基研究反应堆概念设计研究[J]. 吴宜灿,柏云清,宋勇,黄群英,刘超,王明煌,周涛,金鸣,吴庆生,汪建业,蒋洁琼,胡丽琴,李春京,高胜,李亚洲,龙鹏程,赵柱民,郁杰,FDS团队. 核科学与工程. 2014(02)
博士论文
[1]钍基氟盐冷却高温堆燃料球中子学性能优化研究[D]. 房勇汉.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
[2]氟盐冷却球床高温堆钍利用研究[D]. 朱贵凤.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2015
[3]高温气冷反应堆中燃耗测量方法研究和原型研制[D]. 闫威华.清华大学 2013
[4]压水堆核电站堆芯燃料管理与优化研究[D]. 石秀安.清华大学 2007
本文编号：3321196
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