加速器驱动的次临界系统快堆次锕系核素非均匀布置堆芯的中子学研究

运用MCNP与ORIGEN2耦合计算程序COUPLE，对加速器驱动的次临界系统（ADS）钠冷金属燃料快堆堆芯进行稳态与燃耗计算，比较分析次锕系核素（MA）非均匀布置堆芯与均匀布置堆芯在MA嬗变效果与反应性参数方面的差异。计算结果表明，对比均匀布置，非均匀布置具有更高的MA嬗变率与嬗变支持比，在反应性参数方面导致多普勒效应与有效缓发中子分额降低，钠空泡效应增大，在堆芯功率分布与加速器束流功率方面没有明显变化。     

小型模块化增殖焚烧快堆MA嬗变性能分析

次锕系核素(Minor Actinides,MA)作为长寿命高放射性核废料,在乏燃料放射性中占据主导位置。乏燃料最小化是保证核能可持续发展的重要环节,而嬗变是安全处置乏燃料的有效途径。小型模块化增殖焚烧(Breed and Burn,BB)快堆的中子经济性较好,燃烧寿期长,装料方式灵活多样,可用于增殖产生易裂变核燃料、嬗变长寿命核废料,从而解决核电发展中前端核燃料供给和后端乏燃料处理问题。本文分析对比了U3-MA和U5-MA燃料装载模式的临界、燃耗和安全性能,并系统研究了两种装料模式在BB快堆上嬗变MA的性能。结果表明:两种装料方式均能达到较好的嬗变性能,且MA的添加还能使反应堆寿期更长,堆芯中子经济性更高;此外,从安全性能上来看,添加MA对钍铀燃料循环的缓发中子份额影响较弱,但是对其燃料多普勒系数影响较强,这为后续钍铀、铀钚燃料循环选取合理的MA装载份额提供了参考依据。     

加速器驱动钠冷金属燃料快堆次锕系核素嬗变特性研究

分析加速器驱动系统(ADS)钠冷金属燃料快堆重金属燃料不同核素对堆芯有效增殖系数(Keff)的影响,给出了燃料成分的确定方法,详细分析次锕系核素(MA)嬗变特性.运用耦合了MCNP4c3与ORJGEN2的三维燃耗程序COUPLE对堆芯进行稳态与燃耗计算.结果分析表明,调节燃料中239Pu的质量比例并使其在燃耗过程中保持稳定是使Keff达到设计值并在燃耗过程中保持稳定的有效手段.散裂中子引起堆芯内区较外区更硬的中子能谱,有利于提高MA的裂变截面与裂变吸收比.全堆MA嬗变支持比为8.3,具有较好的嬗变效果.由于堆芯内区的高通量,堆芯内外区的嬗变率有明显差异,将MA集中布置于内区有利于减少装料量,改善总体嬗变效果.     

钠冷氧化物燃料快堆嬗变MA研究

研究了次量锕系核素(MA)在钠冷氧化物燃料快堆中嬗变的基本物理特性。结果表明,MA核素加入堆芯燃料中后对堆芯动态参数和反应性反馈会产生显著的影响,如:βeff会有所减小、多普勒负反馈会显著减弱以及钠空泡反应性正反馈会显著增强。添加MA所带来的收益是燃耗反应性损失减小,且一定量的MA被嬗变掉,同时MA裂变也有相应的能量产出。MA嬗变的本质在于MA的焚毁,MA的焚毁比消耗与其所占全堆的裂变份额(包括由其转换的238Pu的裂变)成正比,为此相同MA裂变份额下的堆芯安全参数成为MA嬗变快堆设计的关键点。研究表明,堆芯小型化能够有效地减小堆芯的钠空泡反应性正反馈,同时对MA的焚毁比消耗影响较小。     

加速器驱动的10 MW次临界反应堆物理方案研究

加速器驱动的次临界系统（ADS）是未来最有可能实现工业化嬗变核废料的装置。通过设计1个10 MW的ADS物理方案,研究ADS的嬗变能力。采用MCNPX和ORIGEN的耦合程序,利用基于ENDF6.8处理所得的6个温度（300、600、900、1 200、1 500、1 800 K）下连续能量核数据库,计算得到ADS随燃耗时间变化的有效增殖因数k_eff、功率峰因子和质子束流强度。同时通过计算给出了该设计方案下ADS燃料多普勒系数、冷却剂空泡系数和有效缓发中子份额,利用这些物理量研究了该ADS方案的安全特性,并通过燃耗计算研究了ADS的嬗变能力。结果表明,在1 000 d燃耗时长内,k_eff和质子流强随时间的波动较小,燃料燃耗深度较浅,系统可提升功率运行,在假想事故下系统能保持次临界状态。系统嬗变支持比约为8。     

聚变-裂变混合能源堆一维计算模型燃耗分析

聚变-裂变混合能源堆包括聚变中子源和以天然铀为燃料、水为冷却剂的次临界包层,主要目标是生产电力。利用输运燃耗耦合程序系统MCORGS计算了混合能源堆一维模型的燃耗,给出了中子有效增殖因数k_eff、能量放大倍数M、氚增殖比TBR等物理量随时间的变化。通过分析能谱和重要核素随燃耗时间的变化,说明混合能源堆与核燃料增殖、核废料嬗变混合堆的不同特点。本文给出的结果可作为混合堆中子输运、燃耗分析程序校验的参考数据,为混合堆概念研究提供了基础数据。     

加速器驱动系统的燃料选择

对装载不同增殖材料的现实加速器驱动系统(ADS)的安全及嬗变超铀核素特性进行研究。分别 以(U,TRU)O2和(Th,TRU)O2作为堆芯燃料,先用LAHET和MCNP程序对ADS进行稳态模拟计 算,再耦合MCNP和ORIGEN2程序计算燃耗过程中的核素密度变化。结果显示,装载钍基燃料的 ADS对超铀核素的嬗变效果较好,且在燃耗过程中其反应性和质子流强波动较小;装载铀基燃料的 ADS则具有更安全的多普勒效应和缓发中子有效份额。总体来看,如果需要堆长时间安全嬗变超铀核 素,装载钍基燃料会取得更好的效果。     

连续能量蒙卡共轭加权的堆芯缓发中子有效份额计算

缓发中子有效份额是反应堆物理计算的一项重要参数,本文开展了基于连续能量蒙卡共轭加权的堆芯缓发中子有效份额的计算模型研究,主要物理模型有:瞬发法、能谱替换法、缓发中子有效记录法、直接法、迭代裂变概率法等几种方法。验证工作在多个基准题、高通量工程试验堆和核电站堆芯上完成,从结果看来,基于迭代裂变概率的缓发中子理论模型和实验结果符合得比较好,其他几种方法的精确度各不相同。另外,还得到了基于六组缓发中子有效份额、多核素和多栅元的缓发中子有效份额分布计算结果,给出了基于全堆芯细致分布的缓发中子有效份额分布。从方法上克服了原来确定论计算中,由于采用均匀化方法而不能给出按核素和栅元分布的不足。     

可增殖快谱超临界水冷堆物理初步设计计算

建立改进型快谱超临界水冷堆(SCFR-M)堆芯模型,探讨点火区燃料棒直径和增殖区水棒直径对堆芯转换比的影响,得到合理的燃料组件设计形式。设计并计算6种不同堆芯布置的反应堆增殖特性和空泡反应性,并分析燃料中235U和239Pu成分对堆芯转换比和空泡系数的影响,提高了转换比;研究燃料成分对堆芯转换比的影响。结果表明:减小氢原子数与重金属原子数之比(H/HM),增加堆芯增殖燃料组件数目并采用合理布置可满足堆芯负空泡反应系数,且可以提高堆芯转换比;降低燃料中Pu同位素质量分数可以使堆芯转换比大幅增加,同时使堆芯的空泡反应性系数负值更大;当点火燃料组件采用Pu同位素质量分数为20.8%的MOX燃料,增殖燃料组件采用0.2%富集度235U的贫铀燃料,6号设计方案可以使堆芯的初始转换比达到1.03128,且空泡反应性系数为负,初步达到超临界水冷快堆的增殖要求。进一步对堆芯的缓发中子有效份额、能谱、中子注量率、功率分布进行计算,分析研究增殖堆芯的物理特性。     

西安脉冲堆中子价值计算与分析

中子价值是反应堆中的重要参数,其物理意义是中子对反应堆功率的贡献大小。首先采用栅元程序WIMS,计算了西安脉冲堆各栅元的6群群常数,然后采用堆芯扩散程序CITATION,计算西安脉冲堆的中子价值分布。采用连续能量点的蒙特卡罗程序MCNP,对CITATION扩散计算的正确性进行了验证。分析了西安脉冲堆的中子价值随空间和能量的变化,以及中子价值对动态参数缓发中子有效份额和中子代时间的影响。结果表明:在燃料栅元中,中子价值随能量的增加而降低,在控制棒和水栅元中,中子价值随能量的增加而增加。缓发中子有效份额大于缓发中子份额的主要原因是燃料栅元中缓发中子的中子价值较瞬发中子的大。中子代时间小于瞬发中子寿命的主要原因是燃料栅元中的中子价值较其他栅元中的大。     

熔盐快堆缓发中子先驱核湍流输运效应

针对熔盐快堆中子物理与水力强耦合的特点,使用开发的熔盐堆三维多物理耦合程序TMSR3D,分析了稳态情况下锕系元素再循环嬗变熔盐堆(MOSART)缓发中子先驱核守恒方程中湍流扩散项对熔盐快堆堆芯物理参数的影响。结果表明:在稳态情况下,湍流扩散项对堆芯有效增殖因数影响很小,对堆芯快中子和热中子通量密度的影响也很小,但湍流扩散项对堆芯缓发中子先驱核分布的影响大,且影响程度与具体的湍流运动黏度分布、湍流施密特数和不同的缓发中子先驱核群相关。     

缓发中子有效份额的计算方法

本文讲述了用多群能谱程序和少群临界程序计算缓发中子有效份额的计算方法,并给出一个动力堆和一个零功率堆的计算结果。一、定义缓发中子份额的多少对堆的动态特性有很大的影响。由于缓发中子的能量比瞬发中子低,一个缓发中子与一个瞬发中子在增殖过程中起的作用就不一样,这种差别在点堆     

Am装载对加速器驱动次临界系统瞬态过程的影响分析

加速器驱动次临界系统(ADS)由于外中子源驱动的特点带来大安全裕量,其被广泛设计用于嬗变次锕系(MA)核素。堆芯装载MA核素会减弱燃料的负多普勒效应、增加冷却剂的正温度系数并减小有效缓发中子份额,从而影响系统对扰动的瞬态响应,其中Am同位素的影响尤为重要。本文基于装载金属燃料的ADS嬗变方案,分析了不同Am装载份额条件下系统对于束流过功率和无保护瞬态过功率事故的瞬态过程,发现在深次临界状态下Am装载量对ADS的瞬态过程影响较小,说明ADS具有良好的安全特性,适宜高MA份额燃料的装载。     

MA含量对ADS堆芯动力学参数的影响研究

有效缓发中子份额（β_eff）、平均中子代时间（Λ）和反应性反馈系数（α）是核反应堆动力学中至关重要的参数。本文采用蒙特卡罗方法计算了加速器驱动的次临界系统（ADS）堆芯的动力学参数,并分析了次锕系核素（MA）装载量对这些参数的影响。通过在燃料中添加不同含量的MA,来研究其对ADS堆芯动力学参数的影响。结果表明,当MA在燃料中的含量从0%增加到5%时,β_eff和Λ的值分别降低了18%和31%,多普勒反馈系数平均值α^-D由-0.56 pcm/K变化到-0.36 pcm/K,冷却剂反馈系数平均值α^-C由-2.11 pcm/K变化到-1.73 pcm/K。     

行波堆燃烧机理研究

本文介绍了行波堆(TWR)燃烧原理的数学模型和数值解法,特别针对行波堆平衡态燃耗方程推导和求解以及行波燃烧速度的求解作了详细分析.通过对某1000 MW行波堆堆芯平衡态物理热工耦合计算分析,证明了行波堆原理的可行性和高效的核燃料利用能力,以及优异的堆芯综合性能.     

西安脉冲堆燃耗对中子代时间的影响研究

本文研究了计算反应堆中子代时间(Λ)的瞬发中子通量密度衰减法,基于反应堆仅释放瞬发中子的假设条件,研究了瞬发中子动力学方程,将Λ的计算转变为α本征值的计算问题,采用MCNP程序模拟瞬发中子通量密度的衰减特性以拟合出α值。该方法避免了抽样计算中子价值函数的复杂问题,实现相对容易。并根据西安脉冲堆(XAPR)堆芯三维燃耗分布拟合出不同燃耗深度下瞬发中子通量密度衰减系数α,计算出堆芯中子代时间。结果表明:随着XAPR堆芯燃耗的加深,中子代时间呈增大趋势,从新堆芯到第一循环末(120EFPD),Λ增大幅度为8.93%。     

长寿命小型自然循环铅基快堆燃料选型

针对铅基快堆长寿命、小型化、自然循环的设计目标,构建铅基快堆堆芯模型并开展燃料选型研究,选取U-Pu、Th-U循环燃料及氧化物、氮化物、碳化物、金属燃料,分析比较了不同燃料的物性参数、在不同能谱条件下的堆芯物理特性。结果表明:在偏软能谱中,Th基燃料堆芯增殖能力更强,反应性系数负值更大,热工安全裕量更大、裂变产物容留能力更强;PuN-ThN燃料堆芯燃耗特性最佳,可在较疏松栅格条件下获得较强增殖能力,减少燃料装载量,确保固有安全性,兼顾堆芯长寿命、小型化、自然循环设计要求;但堆芯有效缓发中子份额较小,不利于反应性控制。     

长寿命小型自然循环铅基快堆燃料选型

针对铅基快堆长寿命、小型化、自然循环的设计目标,构建铅基快堆堆芯模型并开展燃料选型研究,选取U-Pu、Th-U循环燃料及氧化物、氮化物、碳化物、金属燃料,分析比较了不同燃料的物性参数、在不同能谱条件下的堆芯物理特性。结果表明：在偏软能谱中,Th基燃料堆芯增殖能力更强,反应性系数负值更大,热工安全裕量更大、裂变产物容留能力更强;PuN-ThN燃料堆芯燃耗特性最佳,可在较疏松栅格条件下获得较强增殖能力,减少燃料装载量,确保固有安全性,兼顾堆芯长寿命、小型化、自然循环设计要求;但堆芯有效缓发中子份额较小,不利于反应性控制。     

径向倒料式驻波堆堆芯概念设计

本工作在综合分析日本CANDLE堆和美国TerraPower公司设计的TP-1堆的基础上,提出沿径向倒料的驻波堆堆芯设计初步方案,通过高、低富集度组件在堆芯的混合布置展平功率,降低了堆芯的功率峰因子和组件的最大燃耗深度。通过倒换料,实现了增殖 燃耗波的传递。为能有效地利用行波堆增殖产生的易裂变核素,采用更换包壳的新技术,实现核燃料的持续利用。     

行波堆堆芯方案设计研究

本文对行波堆燃料组件、堆芯中子学和热工水力方案进行了设计优化,分析了行波堆堆芯方案的主要性能参数。结果表明,优化后的堆芯方案具有明显的增殖焚烧特性,堆芯最大线功率小于500 W/cm,峰值燃耗水平低于30%,燃料中心最高温度低于熔点。该设计方案一方面充分兼顾了现实工艺水平,另一方面实现了行波堆的基本特点。该方案的设计优化指出了典型行波堆设计的初步方向。