球床氟盐冷却高温堆堆芯燃料管理研究

发布时间：2017-12-22 22:07

  本文关键词：球床氟盐冷却高温堆堆芯燃料管理研究　出处：《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：能源保障和气候变化是核能发展的主要原因,但核能发展又具有高成本、安全性、核废料和核扩散等风险。为了最小化核能发展的风险,氟盐冷却高温堆(FHR)是被提出的新堆型之一,并迅速得到发展。FHR通过10多年的发展,已逐渐由多种多样的预概念设计走向球床氟盐冷却高温堆(PB-FHR)基准设计。受限于球床堆有限的发展,其基于确定论的球床堆燃料管理软件流通不广,常规商业化的压水堆燃料管理软件并不适用于球床堆,而常用的粒子输运蒙特卡罗软件能高精度地提供球床堆中子学求解,所以目前PB-FHR的堆芯燃料管理研究主要以蒙特卡罗软件耦合燃耗软件进行球床堆平衡态搜索,其求解效应极低。确定论方法能高效地进行中子通量分布求解,而利用确定论方法进行PB-FHR的中子物理计算工作目前还处于研究阶段。基于确定论方法的球床堆堆芯燃料管理计算与常规压水堆的相比,存在几何构建、双重非均匀性处理、燃料节块间泄漏效应、控制棒计算及历史效应非常明显的燃耗计算等问题。本文介绍了中子物理数值计算两类方法,即蒙特卡罗统计方法和确定论方法。蒙特卡罗方法解通常会被选为参考解,而对于确定论方法,针对上述问题,本研究通过引入等效方法使其适用于PB-FHR燃料管理计算:(1)本文采用基于碰撞概率法的确定论软件计算了球床氟盐冷却高温堆球栅元的无穷增殖因数,少群均匀化总截面、俘获截面和裂变截面,能谱及能谱指数,并使用连续能量蒙特卡罗软件验证与分析。使用基于碰撞概率法的共振处理程序直接求解具有微结构栅元的共振能区超精细群慢化方程,很好的处理了球床氟盐冷却高温堆的球型燃料元件所构成的双重非均匀系统。1000K下可分辨共振能区的均匀化有效俘获截面与参考解仅偏低0.08%,TRISO异质结构的存在可降低该截面20%,增大无穷增殖因数达7%。结果表明本文所采用方法计算结果与参考结果吻合良好,该方法适用于对PB-FHR进行少群截面加工,且双重非均匀性对于PB-FHR球栅元计算具有明显影响。(2)本文研究了谱修正方法,它是一套基础的考虑节块间泄漏影响的少群截面加工方案。无论采用本征值模式或固定源模式迭代策略,谱修正方法能达到体积通量权重方法的精度,不需要事先提供输运参考解,且适用于多维堆芯模型。固定源模式迭代策略较本征值模式具有更好的适应性,比如含有钍区的模型。(3)PB-FHR的控制棒位于侧反射层内,存在无裂变中子源且受堆芯泄漏谱强烈影响的强收体区域扩散计算难题,为此本文提出两种计算模型:谱修正-黑体材料模型和谱修正-超级均匀化(SPH)模型。计算结果表明,两种方法所计算的控制棒价值及通量分布都能逼近输运参考解,并且谱修正-SPH模型较常规SPH方法能更好的处理棒间干涉效应。(4)本文阐述了不同于压水堆燃耗计算的PB-FHR燃耗计算需求。常规的栅元燃耗计算很难考虑球床堆在线换料方案下显著的燃耗历史效应,本文将中子通量计算与点燃耗计算耦合,实现燃料球栅元在给定均匀化单群截面、通量和时间步长下进行点燃耗计算。耦合计算的无穷增殖因数及一些重要锕系核素随燃耗变化的曲线与基于蒙特卡罗方法的燃耗程序MOBAT计算结果符合良好,说明耦合计算方法的准确性。球床堆燃料管理策略为在线换料方案,燃料球以颗粒流形式通过堆芯。在研究了PB-FHR中子物理等效方法的基础上,本文选取分配系数方法来描述在线倒料策略,并开发了基于确定论方法的球床堆平衡态搜索程序COBBLE,用于PB-FHR燃料管理研究。本文选取简化的球床模块高温气冷堆(PBMR)进行建模,计算其功率分布及燃耗分布,并使用基于蒙特卡罗方法的球床堆燃耗分析程序PBRE进行了验证与分析。结果表明,COBBLE程序适用于球床堆的平衡态燃耗计算。基于开发的程序COBBLE,开展了固态燃料钍基熔盐实验堆(TMSR-SF1)在线换料方案下的燃料管理初步研究,分析了单区再循环随机倒料策略、内区石墨球外区再循环随机倒料策略、再循环倒料燃耗分区策略对平衡态堆芯最大功率密度的影响。再循环倒料燃耗分区策略下,如果TMSR-SF1采用“外内方案”,即低燃耗球分布在外区而高燃耗球分布在内区,一定程度上会影响燃料利用率,但能有效的展平功率,压低功率峰因子,随外区占比增大最大功率密度先减小再增大,外区占比为80%时有最小值,该值比不分区策略降低7.8%。然后,为了研究PB-FHR堆型如何利用钍球提高燃料利用率,本文提出了反应性比较方法来分析有效卸料燃耗深度与钍球通过次数、钍球钍装载量、钍区比例的关系,并选择TMSR-SF1模型为研究对象。结果表明,只有当全铀模型下铀球卸料燃耗达到较高燃耗、钍球具有一定燃耗时才能实现铀钍分区倒料策略下利用钍球提高燃料利用率,并且增加钍球钍装载量能明显有利于提高燃料利用率,有效卸料燃耗将随外区钍比例增大呈现先增大再减少的规律。
【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】：2017
【分类号】：TL42

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