医院中子照射器反应堆实验研究

医院中子照射器是专用于硼中子俘获治疗的核装置,所用反应堆功率为30 kW,采用~(235)U富集度为12.5%的UO_2为燃料,金属铍反射层,轻水为慢化剂和冷却剂.堆芯产生的热量靠自然循环冷却.在反应堆堆芯相对两侧分别设置了热中子束流和超热中子束流,用于治疗患者.在微堆零功率实验装置上,完成了临界质量、控制棒效率、上铍反射层效率及其它部件反应性的测量,确定了最终燃料元件的装载,为工程物理启动提供实验数据.     

环形燃料零功率物理实验装置设计

正环形燃料零功率物理实验装置是一座立式小型多功能临界装置,以轻水作为慢化剂和反射层,以镉作为安全棒、调节棒材料,临界装置的三维结构如图1所示。临界装置堆芯将采用栅距为23.6mm的方形栅格排布,将~(235)U富集度为4.95%的UO_2环形燃料元件(F型)与含Gd_2O_3分别为5%(G1型)、8%(G2型)和10%(G3型)的3种Gd_2O_3-UO_2混合环形燃料元件排列于内部,将~(235)U富集度为3%的UO_2实心燃料元件(C型)排列在外部,其余棒位     

组件型熔盐堆燃料组件的设计研究

熔盐堆是第四代核反应堆的六种构型之一,具有良好的经济性和固有安全性。以球形包覆颗粒燃料元件为基本单元设计了可用于熔盐冷却高温堆的燃料组件,并在此燃料组件模型下构建了组件型熔盐堆堆芯,研究了组件容器材料的种类、密度、厚度以及球形燃料元件中包覆颗粒填充率、FLi Be熔盐中7Li富集度对无限介质增殖因数K_(inf)、冷却剂反应性温度系数(Reactivity Temperature Coefficient,RTC)、排空反应性(Void Reactivity,VR)的影响。结果表明,作为组件材料,碳材料明显优于碳化硅材料;提高包覆颗粒(Tristructural Isotropic,TRISO)填充率、7Li富集度有利于提高堆芯的中子经济性和安全性。     

FLi/FLiBe盐中7Li富集度对熔盐快堆钍铀转换性能的影响研究

锂(Li)元素是液态熔盐堆中冷却剂熔盐的重要组成成分,由于6Li相对~7Li具有较大的中子吸收截面,其在冷却剂熔盐中的摩尔含量会影响液态熔盐堆的钍铀转换性能,因此研究~7Li富集度对液态熔盐堆钍铀转换性能的影响十分必要。基于熔盐快堆(Molten Salt Fast Reactor,MSFR)的堆芯结构,分别采用FLi和FLiBe两种不同的冷却剂熔盐,选取范围在99.5%～99.995%的一系列~7Li富集度,借助熔盐堆后处理程序MSR-RS(Molten Salt Reactor Reprocessing Sequence),针对能谱、233U初装量、钍铀转换比、233U净产量和倍增时间、Li的演化以及氚产量等一系列参数进行分析。研究结果表明:在MSFR的堆芯中,较FLiBe而言,采用FLi作载体盐能够获得更好的钍铀转换性能;当~7Li富集度由99.995%变为99.9%时,堆芯钍铀转换比降低约1.6%,氚产量增加约8%。综合考虑燃料制造成本和钍铀转换性能等因素,对于分别采用FLi和FLiBe作载体盐的熔盐快堆MSFR,推荐的~7Li富集度都为99.9%。     

熔盐堆有效缓发中子份额β_(eff)的计算及分析

有效缓发中子份额(β_(eff))是研究反应堆动态特性的重要参数。在熔盐堆(MSR)中,采用液体燃料,导致β_(eff)的计算与传统的采用固体燃料反应堆的计算方法不同。本文研究了MSRβ_(eff)的计算方法,并对嬗变熔盐堆(MOSART)的β_(eff)进行了计算,并分析了熔盐在堆外流动时间和熔盐入口速度对β_(eff)的影响。计算结果表明:固定堆芯入口速度,熔盐在堆芯外流动的时间增加,β_(eff)会减小;固定熔盐在堆芯外流动时间,熔盐在堆芯入口速度增大,β_(eff)会减小。     

微型反应堆燃料低浓化可行性初步研究

应用蒙特卡罗计算程序,模拟计算山东微堆的堆芯参数,包括keff、βeff、控制棒价值、上铍效率、内辐照中子通量以及停堆深度,计算结果与实验结果基本一致.保持微堆堆芯尺寸不变,采用低富集度UO2芯体燃料棒替换原来的高浓铀燃料棒,计算不同235U富集度下微堆的有效倍增系数keff,据此确定满足要求的UO2富集度为12.5%.在此基础上计算了富集度为12.5%的低浓堆芯参数,并与高浓堆芯参数进行了比较.结果表明,微堆燃料低浓化是可行的.     

使用离散钍铀燃料组件的CANDU6堆物理特性初步研究

为研究钍铀燃料在CANDU6堆中的应用，采用DRAGON/DONJON程序，对使用离散型钍铀燃料37棒束组件的CANDU6堆进行时均堆芯分析。结果表明，组件采用235U富集度为2.5%的铀棒以及第1、2、3圈布置钍棒的37棒束组件，堆芯在8棒束换料、3个燃耗分区的方案下，组件的冷却剂空泡反应性较使用天然铀的37棒束组件（NU-37组件）与采用混合钍铀元件棒的37棒束组件更负；堆芯最大时均通道/棒束功率满足小于6700?kW/860?kW的限值；燃料转化能力比采用NU-37组件时更高；卸料燃耗可到达13400?MW·d/t(U)。研究表明，所设计的离散型钍铀燃料37棒束组件可用于现有CANDU6堆芯，且无需对堆芯结构及控制机构作重大改造；燃料组件和堆芯设计方案可为钍铀燃料在CANDU6堆芯的应用提供参考。      

次锕系核素在铅冷快堆中的嬗变性能

乏燃料中大部分次锕系(minor actinides,MA)核素半衰期较长,对环境具有长期放射性危害。分离-嬗变技术将次锕系核素从高放废液中分离出来,并通过反应堆嬗变为短寿命或稳定核素,从而消除其放射性危害。为研究次锕系核素与燃料均匀混合、制成嬗变棒和做燃料芯块镀层装载方式下在铅冷快堆中的嬗变特性,采用MCNP和SCALE程序进行模拟计算。结果表明,三种方式下~(237 )Np、~(241 )Am、~(243 )Am和混合次锕系核素使有效增殖因数k_(eff)降低,而~(244 )Cm和~(245 )Cm使k_(eff)升高,且~(245 )Cm可使k_(eff)大幅度增加。不同质量的混合次锕系核素装载后,三种方式下堆芯k_(eff)都随装载量的增加而降低,降低幅度由小到大分别为嬗变棒、均匀混合和镀层。不同次锕系核素装载量以均匀混合方式在堆芯经过550d辐照后,~(237 )Np、~(241 )Am和~(243 )Am嬗变率均为正值,其中~(241 )Am嬗变率最大,而~(244 )Cm和~(245 )Cm嬗变率均为负值,~(245 )Cm增加明显,总的次锕系核素嬗变率为14%,可为次锕系核素在铅冷快堆中嬗变性能评价提供参考。     

铅冷行波堆堆芯物理设计及中子学特性分析

行波堆是一种先进的核能系统,可以通过堆内易裂变核素和可转换核素的优化布置,在寿期内能够保持易裂变核素的总量恒定从而维持堆芯有效增殖因子稳定。铅基材料作为冷却剂不仅具有优良的热工性能和化学安全特性,而且具有更低的中子慢化能力和更小的俘获截面,尤其是208Pb,因此采用208Pb冷却的行波堆具有更优的物理性能。本文提出了一种208Pb冷却的行波堆堆芯初步设计方案,并使用Super MC程序对方案进行计算和分析,其有效增殖因子(keff)在寿期内变化较小,稳态时为1.02左右,功率分布曲线随时间沿着轴向移动。其次,基于该堆芯设计方案,研究了不同点火区长度和富集度以及反射层材料对铅冷行波堆堆芯性能的影响。结果表明,点火区长度和富集度对铅冷行波堆稳态有效增殖因子无明显影响,但对功率分布影响较大;反射层材料对堆芯影响较大,208Pb作为反射层时,稳态时堆芯有效增殖因子最大,堆芯物理性能最佳。     

铅冷小堆堆芯初步设计

铅及铅基材料作为反应堆冷却剂,有着优良的中子学性能和热工性能。欧盟、俄罗斯、美国、韩国、日本、中国等国家均投入了大量的人力和物力研发铅冷快堆。本文旨在提出一种铅冷小堆堆芯初步设计方案。本文使用西安交通大学研发的快中子反应堆中子学计算分析软件包SARAX进行堆芯中子输运、燃耗、反应性系数和动力学参数等中子学计算分析。为了满足紧凑型、轻量化的特点,选择了高富集度的燃料;为了展平功率,选用了两种富集度的燃料组件。采用一组控制棒组件和一组停堆棒组件控制反应性,控制棒选用对快区和热区中子具有良好吸收能力的B_4C作为中子吸收体,在紧急停堆棒中增加了高密度中子吸收体材料钨,以实现堆芯的反应性控制以及紧急停堆需求。对堆芯中子学参数的计算结果分析表明:堆芯能满足6EFPY的寿期长度的要求,在整个寿期内k_(eff)下降0.014 4,波动较小;在寿期内实现了锕系元素的减少和~(239)Pu的明显增加。在整个循环内,冷却剂密度系数、冷却剂空泡价值和膨胀系数等重要反应性反馈系数均为负;设计的控制棒以及安全棒组件能够提供足够的控制价值;在整个寿期内,堆芯满功率运行时,最高包壳表面温度、最高燃料中心温度、线功率密度等参数没有超过限值,并留有充足的设计裕量。表明本初步设计在整个寿期内的主要中子学参数满足安全要求。