堆内辐照氚增殖剂球床有效热导率分析

氘-氚聚变反应堆中,固态氚增殖剂包层能不断为聚变反应提供氚核素,是实现聚变反应堆商用的关键技术之一。由锂陶瓷小球堆积形成的球床形式的固态氚增殖剂包层具有比表面积大、产氚效率高等优点,是我国重点发展的氚增殖剂包层形式。氚增殖剂球床须能支撑在堆内辐照时的高温环境,这就要求氚增殖剂球床有较好的导热特性。球床的有效热导率在球床设计和辐照过程中的安全分析十分重要,因此在中国先进研究堆（CARR）开展了氚增殖剂球床在堆内辐照环境下的有效热导率测量实验。根据MCNP计算得出的球床发热功率,结合实验测量的球床温度分布反推得到氚增殖剂球床的有效热导率,并与广泛应用于球床有效热导率计算的改进型ZBS模型计算结果以及堆外实验结果进行对比分析,理论值与实验值能较好吻合。     

氚增殖剂球床组件堆内辐照物理热工计算分析

为验证在中国先进研究堆(CARR)内进行国际热核聚变实验堆(ITER)氚增殖包层模块(TBM)辐照实验的可行性和安全性,进行了氚增殖剂球床组件堆内辐照物理及热工计算分析。氚增殖剂包层模块主要是固态氚增殖剂陶瓷球床。本文采用Monte Carlo粒子输运模拟程序对氚增殖剂球床进行堆内建模,计算球床的中子注量率、能量沉积和产额,得到不同功率下球床的中子注量率、发热功率和产氚速率以及球床组件引入反应堆的反应性。根据物理计算得到的组件各部件发热情况建立热工计算一维模型,通过更改反应堆功率得到满足实验要求的工况并采用三维程序进行验证。物理与热工计算分析的结果表明,在反应堆运行功率为20 MW的工况下球床组件各部件的温度均不超过限值。     

堆内辐照在线产氚氦冷陶瓷氚增殖剂包层球床组件热工流体力学计算分析

在研究堆内进行辐照在线产氚试验是ITER计划专项国内配套研究项目之一。本工作主要针对研究堆内辐照氦冷陶瓷氚增殖剂包层（简称陶瓷）球床组件的试验技术要求,评估辐照陶瓷球床组件设计方案的可行性。通过对不同的陶瓷球床组件结构参数和组件在堆内的不同辐照位置,进行热工流体力学设计计算,得到满足要求的入堆辐照陶瓷球床组件设计方案。     

陶瓷球床组件堆内辐照在线产氚物理计算分析

对陶瓷球床组件的堆内辐照情况进行物理计算分析有助于改进辐照装置的设计,完善辐照方案。按照堆内辐照陶瓷球床组件的实验技术要求,采用MCNP程序对陶瓷球床组件在不同孔道内的辐照情况进行了产氚量、产氚速率、发热量等计算。计算结果表明：采用天然丰度⁶Li的陶瓷球床组件在考验孔道内以半功率辐照能满足实验技术要求;如要采用满功率辐照,则需将组件中心位置提升至活性区中平面以上23 cm处。     

氚增殖剂球床稳态传热数值模拟

聚变堆实验包层结构中包含由锂陶瓷小球随机堆积形成的球床。为研究其传热性能,特别是球床有效热导率随温度的变化规律,采用离散单元法模拟了小球在方形容器中的堆积,并使用该模型进行了稳态传热的数值计算。该几何模型中距壁面不同距离处球床局部堆积系数符合经典关系式,验证了其合理性。由数值计算得到的球床有效热导率随球床平均温度的变化规律也能与相关实验测量值较好地吻合。     

聚变堆氚增殖层中子学分析

D-T聚变堆包层的主要功能包括氚增殖、能量转换射层蔽等,包层中子学设计的主要原则是满足聚变堆的氚自持,一般要求包层氚增殖比TBR＞1.1.使用与时间有关的扩散理论和本征函数展开方法,研究不同几何线度、6Li丰度的LI2O、LiPb包层材料14MeV源下的系统通量、氚增殖比影响,及在不同6Li丰度下6Li、7Li造氚随时间变化的规律.计算中使用了30群截面数据,微观数据来自ENDF/B-VI及JEF-2.2.     

固态氚增殖剂研究进展

增殖包层作为实现可控核聚变燃料"自持"的关键,不仅能实现氚的增殖,而且起着能量转换的作用,氚增殖剂是其中最重要的功能材料。本文从材料体系的制备、性能以及改性总结了固态氚增殖剂的发展趋势。同时,基于当前的研究现状对固态氚增殖剂的发展进行了展望。     

堆内测量UO_2燃料元件的有效热导率

有效热导率是芯块热导率和气隙热导率的综合描述。本文推导了有效热导率表达式,测量在不同的反应堆功率下的有效热导率值,获得了当芯块中心温度为632—1988℃时的有效热导率数据。结果表明,有效热导率开始阶段随中心温度升高而升高,然后下降;当芯块中心温度大于1800℃左右时,有效热导率继续随中心温度升高而升高。文中讨论了芯块的形状因子、包壳材料和包壳内壁温度对有效热导率的影响。     

堆内测量UO_2燃料元件的有效热导率

有效热导率是芯块热导率和气隙热导率的综合描述。本文推导了有效热导率表达式,测量在不同的反应堆功率下的有效热导率值,获得了当芯块中心温度为632～1988℃时的有效热导率数据。结果表明,有效热导率开始阶段随中心温度升高而升高,然后下降;当芯块中心温度大于1800℃左右时,有效热导率继续随中心温度升高而升高。文中讨论了芯块的形状因子、包壳材料和包壳内壁温度对有效热导率的影响。     

基于蒙特卡罗方法的固态氚增殖剂聚变中子辐照损伤行为分析

实验包层模块(TBM)是聚变反应堆最重要的组件之一,作用是产氚和能量提取。锂陶瓷具有良好的化学稳定性、热机械性能、产氚性能以及可在更高温度下使用等特点,被认为是聚变堆包层最具吸引力的氚增殖剂材料。中国ITER-TBM设计方案采用了氦冷固态氚增殖剂(HCCB)TBM结构,其聚变环境下的辐照损伤行为可为中国HCCB TBM结构设计提供支持。针对固态氚增殖剂聚变中子辐照损伤问题,利用蒙特卡罗模拟,对比分析了Li_4SiO_4和Li_2TiO_3的中子辐照离位损伤和嬗变气体损伤。结果表明:在相同的服役时间下,Li_4SiO_4比Li_2TiO_3将产生更多的嬗变气体,且在高6 Li丰度情况下,其中子辐照损伤也更严重,会产生更高的损伤剂量和更大的损伤截面。但是,嬗变气体所造成的空位损伤Li_2TiO_3要比Li_4SiO_4严重;对两种陶瓷材料来讲,氦损伤效应均强于氚损伤效应。     

球床沸水堆概念

【美国《核电厂》2002年1～2月刊报道】 俄罗斯、日本和德国科学家对使用小燃料元件(SFE)的球床堆进行了若干实验研究。结果表明,这种核燃料具有独特的内在安全特点,这是因为:陶瓷保护膜为石墨部件和高温(450℃～1600℃)气体(空气和蒸汽)中的燃料提供了保护。 燃料元件 燃料元件很小(直径在2 mm和5 mm之间),包含覆盖有3～4层涂层的UO2球。内层是称为缓冲层的多孔热解碳化物(PYC),为气态裂变产物提供空间。第二层和第三层分别是高密度的PYC和防腐的碳化硅(SiC)。最外一层通常是SiC。 反应堆物理 针对两种情况进行了初步反应堆物理分析…     

聚变堆固体氚增殖材料及其发展

汇集了几种主要的固体氚增殖材料Li_2O,LiAlO_2,Li_2SiO_3,Li_4SiO_4及Li_2ZrO_3的特性参数,讨论了聚变堆氚增殖材料的选择原则。通过一些重要参数的比较,评述了这些材料的发展动向。     

固态陶瓷氚增殖剂释氚实验研究综述

氚自持是氘氚聚变能实现工程应用和稳态运行必须解决的关键问题之一,氚增殖剂是实现氚自持的关键功能材料.锂基陶瓷固有的热稳定性和化学惰性使其在安全性能方面具有独特的优势,被视为非常具有发展前景的氚增殖剂材料.氚增殖剂不仅要求产氚率高,还要将氚尽可能多地从陶瓷增殖剂中释放出来.本文初步梳理了国内外关于固态氚增殖剂主要释氚实验...     

球床式高温气冷堆球流CT探测器辐照光输出稳定性研究

针对长时间实验过程中CsI(Tl)闪烁体探测器的辐照光输出会不断变化的问题,在实现探测器输出暗场的稳定性控制后,对按实际堆芯5∶1比例缩小设计的球流检测系统进行了长达48 h的空载γ射线辐照,并记录了暗场稳定性的控制结果及探测器的辐照光输出。结果表明：各闪烁体探测单元受γ辐照后,辐照光输出先不断上升,达到最大值后再线性下降。分析探测器辐照光输出发现,几何尺寸和物理成分相同的各探测单元彼此间的辐照光输出上升幅度比与辐照损伤均存在差异,但辐照光输出达到最大时对应的累计剂量基本相同,且与初始辐照光输出大小无关。最后提出了对系统辐照光输出的上升和下降阶段分别采用指数校正和线性校正的思路,为球床式高温气冷堆球流检测系统图像重建过程中投影数据的校正提供解决方案。     

球环型产氚聚变堆概念设计研究

该研究基于球环类型的先进氚生产堆概念而设计,是聚变能发展的中间应用。与传统托卡马克氚生产堆不同,该设计利用球形环的先进等离子体物理性能和紧凑的结构特征,尽量利用真空室内的空间安置氚生产包层以减少氚泄露而增加氚增殖率,相应的堆利用因子为 40%。在二维中子学计算的基础上提出了较为完整的初步概念设计。在逐项分析的基础上对设计的风险、不确定性和后备方案也做了概括的解释。为下一步更详细具体的概念设计提供了直接的依据,具有重要的参考价值。     

高温气冷球床堆有效导热系数模型的改进

有效导热系数是高温气冷球床堆热工设计和安全分析程序中的基本参数,ZBS模型广泛应用于球床结构有效导热系数的预测。本文针对ZBS模型中的关键经验型参数——接触面积系数φ进行了分析,通过对不同堆积结构球床有效导热系数的数值分析,获得了12组接触直径比和配位数及其对应的φ值,然后通过多元线性分析获得φ的计算公式。与德国SANA实验结果进行比较,发现改进后的ZBS模型预测能力优于其他模型。改进后的ZBS模型的计算结果与先前实验测量的球床主体区域的有效导热系数吻合也很好。本文研究结果可为高温气冷球床堆的设计和安全分析提供理论支持。     

堆内UO_2芯块热导率的测定

本文叙述堆内UO_2芯块热导率的测定,获得205°～2563℃范围内积分热导∫_(205℃)~TkdT～T的曲线,以及213～2500℃范围内芯块热导率数据,误差足8%。热导率k满足关系式:k=k_1 k_c=1/A BT CTe~(-e/kT),k_1是晶格热导率,k_c是电子热导率,A=7.01厘米°K/瓦,B=0.0189厘米/瓦,C=2.29×10~(-3)瓦/厘米,e=1.48电子伏。     

离子交换树脂堆内辐照实验

本文介绍了反应堆用离子交换树脂的堆内辐照实验。应用堆内测压辐照装置,测量了辐照过程中树脂的气体释放量。在堆外使用同样的装置进行了树脂高温实验,并对气体释放量进行了测定。实验之后,对释放气体的成份均作了定量分析。本实验发现,树脂在高温和高温辐照实验中的分解产物,均与Zr—2合金及1Cr18Ni9Ti不锈钢发生作用,使其表面发黑。不同的是在高温辐照过程中,树脂分解释放出大量氢气,结果,使Zr—2合金产生氢脆现象。而在高温实验中,树脂放出硫化氢,使1Cr18Ni9Ti不锈钢受到严重腐蚀。本实验对气体释放量的测量误差,均小于7％(Vol)。     

球床堆燃料元件球放热分布研究

本文主要研究球床堆燃料元件球放热分布规律及其主要影响因素。在雷诺数9600到55000范围内,研究了单球、不完整的菱形球床及完整的菱形球床中球元件的放热分布。认为:单球局部放热的强弱主要受边界层发展过程的支配。球床中,边界层的发展受到死点的限制,元件球的放热主要受气流交混扰动的影响;随着雷诺数的增加,元件球平均放热系数升高,放热不均匀系数下降。不同的球阵布置对元件球放热分布有明显的影响。     

聚变实验增殖堆氚系统设计研究(英文)

介绍了核工业西南物理研究院聚变实验增殖堆工程概要设计(FEB-E)中的氚系统设计研究。第一部分介绍包层氚增殖区的划分、几何尺寸、装料特征和用蒙特卡罗程序计算得到的液态锂中的氚浓度分布;第二部分描述根据聚变堆氚物理基础构造的氚循环系统,共分成 10 个子系统及它们之间氚的流程图。运用研制的程序SWITRIM 计算了各个子系统中的氚投料量随时间的变化,满功率运行一年后各个子系统中的氚投料量。研究结果表明起动 143 MW 聚变功率 FEB-E 堆所需要的初始氚投料量大约为 319 g。第三部分对不同的运行状态下的氚泄漏问题进行了分析。潜在的氚泄漏危险可能来自于偏滤器系统从等离子体中抽出的气体。得到的结论是提高FEB-E 堆芯等离子体的燃耗份额从而减少氚的通过量对降低氚的泄漏危险是重要的。