球形燃料元件中包覆颗粒的分布效应研究

在球形燃料元件中,包覆颗粒的填充因子低于10%,分布具有很大的随机性。本文利用MATLAB程序实现了4种填充的建模方式,即体积等效规则填充、扰动的规则填充、随机的规则填充和完全随机填充模拟燃料球中包覆颗粒的分布。基于固态燃料钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor with Solid Fuel,TMSR-SF1)设计中选用的包覆颗粒燃料参数,使用蒙特卡罗程序MCNP6 1.0和ENDF/B VII.0数据库进行了全反射边界条件下的单燃料球临界计算,精确量化了不同的建模方式引起的中子物理特性参数的差异。计算表明,这4种建模方式形成了不同的包覆颗粒聚集程度。包覆颗粒的聚集会导致丹可夫效应的增强,从而增大了中子被燃料吸收的概率,无限增殖因数随之增大,燃料温度系数随之减小。     

球床型氟盐冷却高温堆的初步中子学分析

为分析球床型氟盐冷却高温堆(PB-FHR)堆芯的关键中子学参数,建立了显式随机模型,基于随机填充方法计算了燃料球石墨基质内所有三层各向同性包覆颗粒(TRISO)颗粒的空间坐标,并采用离散元方法计算出堆芯活性区内全部燃料球的空间坐标。最后采用蒙特卡罗程序开展中子输运计算,分析燃料颗粒随机分布对堆芯中子学参数的影响。研究结果表明,TRISO颗粒的随机分布对栅元增殖系数、栅元群截面、活性区燃料球功率的影响较小,本文研究可为简化PB-FHR设计提供理论依据。     

随机球床模拟方法对氟盐冷却高温堆中子学参数的影响分析

氟盐冷却高温堆（FHR）采用氟盐冷却球形燃料元件,其中子物理计算面临双重不均匀性问题：燃料球在堆芯内的随机排布和包覆燃料颗粒在燃料球中的随机排布。此问题是该堆型设计中面临的主要挑战之一。本文基于MCNP程序和固态燃料钍基熔盐堆（TMSR-SF1）模型完成了不同燃料球床与燃料球描述对关键中子学参数（如k_eff、堆芯能谱、控制棒价值和温度系数等）的影响分析。燃料球床描述使用随机序列添加（RSA）方法建立了随机球床模型与体心立方（BCC）结构的等效规则模型。包覆燃料颗粒描述则基于简立方（SC）等效模型利用MCNP程序中的URAN卡实现随机扰动。结果表明,包覆燃料颗粒随机分布的影响远小于燃料球随机分布的影响;尽管具有相同的总堆积密度,等效规则模型相比于随机球床模型会增加堆芯中子的泄漏,低估冷态满装载反应性约0.5%,高估控制棒价值约5%。     

高温气冷堆新燃料元件运输容器临界安全分析

采用基于蒙特卡罗方法的MCNP5程序对高温气冷堆所用的球形燃料元件进行描述;根据包覆燃料颗粒在燃料球内的分布性质构建了8种不同模型,并研究不同模型对有效增殖因子（keff）和计算时间的影响,获得了临界计算问题中最优的燃料球模型;运用MCNP5描述燃料球运输容器,并研究了容器中子吸收板厚度、外容器壁厚、缓冲层材料、反射层材料、容器形状、容器结构缺失和水密度等影响运输容器临界安全的因素。结果表明,所研究的高温气冷堆新燃料元件运输容器在正常运输条件下和事故运输条件下均处于临界安全状态,其临界安全指数（CSI）可定为0。      

固态钍基熔盐堆堆芯物理参数计算

针对中国科学院设计的2 MW固态钍基熔盐堆(TMSR-SF)堆芯,采用蒙特卡罗程序MCNP精确描述堆芯TRISO包覆燃料颗粒、燃料球排布,建立了包含燃料元件、熔盐冷却剂、石墨反射层、中心石墨通道、控制棒及反射层通道的三维全堆芯模型,计算了TMSR-SF初始有效增殖因数、中子能谱、功率分布、控制系统价值、停堆裕量、反应性系数、中子动力学参数等堆芯物理参数,为TMSR-SF的物理优化及热工安全分析提供必要的参数。     

核数据对球床式高温气冷堆燃料元件中子学特性的影响

球床式高温气冷堆采用了球形燃料元件,燃料区域由石墨基体和弥散在其中的包覆燃料颗粒构成,其外有与石墨基体相同材料的包壳;燃料球堆叠成填充率约为0.61的球床式堆芯活性区。在堆芯物理计算中,必须考虑其特殊的双重非均匀性结构对共振计算的影响。此外,由于石墨起到了中子慢化和结构材料的重要作用,其截面参数的准确性对共振计算和临界计算均有很大影响。本文采用蒙特卡罗中子输运计算程序SCALE/KENO-Ⅵ和Serpent-2,对比分析了ENDF/B Ⅶ.0和ENDF/B Ⅶ.1版本核数据库对不同燃料模型的有效增殖因数(keff)及反应率的影响,并进一步比较了不同双重非均匀性处理方法对计算结果的影响。结果表明,由于石墨吸收率增大,使用ENDF/B Ⅶ.1版本核数据库所得keff小于使用ENDF/B Ⅶ.0版本核数据库的结果,且计算模型中石墨材料越多,计算结果相差越大:对于包覆颗粒模型差别约为200pcm,对于燃料元件约为700pcm,对于堆芯单元约为1 600pcm。SCALE/KENO-Ⅵ程序使用DOUBLEHET模型进行多群蒙特卡罗计算所得结果与连续能量模型计算结果吻合良好,且计算效率高,对燃料球模型而言可节省约85%的计算时间。     

包覆燃料颗粒尺寸及其标准偏差对失效概率的影响

三结构同向性型(Tristructural isotropic,TRISO)包覆燃料颗粒是目前高温气冷堆和固态燃料熔盐堆采用的燃料元件。TRISO包覆燃料颗粒破损会导致裂变产物不可接受的释放,由此影响反应堆的安全运行。基于TRISO包覆燃料颗粒压力壳式破损模型,分析了TRISO包覆燃料颗粒核芯和各包覆层的尺寸对失效概率的影响,研究了TRISO包覆燃料颗粒核芯半径、疏松热解碳(Buffer)层厚度和碳化硅(Si C)层厚度的合理设计范围。同时,利用随机抽样统计的方法分析了TRISO包覆燃料颗粒核芯半径分布和各包覆层厚度分布对颗粒失效概率的影响。研究发现,降低Buffer层厚度分布的标准差至16μm可以使TRISO包覆燃料颗粒的失效概率降低一个数量级。     

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。     

包覆燃料颗粒几何参数统计规律对破损率的影响

将包覆燃料颗粒的碳化硅包覆层看作模型中的承压壳,利用蒙特卡罗方法,将颗粒几何参数的统计分布应用到压力壳式模型,考虑颗粒包覆层几何参数的统计规律对破损率的影响。研究结果表明,包覆燃料颗粒核芯半径、疏松层厚度、内致密热解炭层厚度以及碳化硅层厚度等参数对破损率有较为明显的影响;其中,核芯半径和疏松层厚度是影响破损率相对关键的因素。     

包覆工艺对微球形燃料相弥散燃料混合均匀性的影响

针对微球形燃料相颗粒与基体粉末的流动性相差较大、难于混合均匀,建立了一种微球的包覆工艺,并研究了包覆工艺对混合均匀性的影响。采用直径约为100μm的不锈钢微球代替燃料微球,研究结果表明,在微球表面物理包覆一层基体粉末,可增加颗粒表面粗糙度,降低两组元粉末的密度差及颗粒沉降的距离,包覆层还能使颗粒间保持一定的间距,微观上形成连续的基体网络,减少甚至避免发生偏聚,有效地改善了混合均匀性。包覆工艺的最佳参数为:保温温度,76℃;保温时间,6min;黏结剂添加量,1%;粉末粒径,小于25μm。该方法可用于改善(U-Mo)-Al、(U-Mo)-Zr等微球形燃料相弥散燃料的混合均匀性。     

球床高温气冷堆卸料燃耗阈值对平均卸料燃耗的影响

基于蒙特卡罗方法开发了球床高温气冷堆燃料球运行历史模拟程序,分析不同卸料燃耗阈值对平均卸料燃耗、卸料燃耗分布的影响,并分析了不同球流速度模型下的差别。结果表明,卸料燃耗阈值对于平均卸料燃耗、卸料燃耗分布很大程度上受到各流道燃料增量的特性的影响。     

高温气冷堆不确定性分析的新进展

球床高温气冷堆由于采用流动球床堆芯和燃料多次通过的运行方式,不能直接套用轻水堆中一般采用的“系统分解,逐级传递”的分析思路,其不确定性的传播和分析具有特殊性。清华大学核能与新能源技术研究院基于高温气冷堆的设计分析经验,开展了高温堆的不确定性研究,并取得了一些进展。目前高温气冷堆已建立起完整的不确定性分析计算框架。在此框架内,基于VSOP程序,开发能反映球床高温气冷堆实际运行特点的不确定性分析程序VSOP-UAM,实现了核数据不确定性隐式效应和显式效应的完整分析。然后使用SCALE/TSUNAMI-3D和VSOP-UAM程序,建立燃料球、堆芯单元、初装堆芯和平衡堆芯的分析模型,量化了核数据的不确定性对各种模型关键参数的影响。此外,还量化了球流混流效应、燃料富集度、燃料孔隙率这些球床堆芯参数的不确定性对堆芯有效增殖因数k_eff和功率分布的影响。从计算结果可看出,高温气冷堆的不确定性分析显示出了有别于传统轻水堆的结果。     

球床式高温气冷堆MOX燃料循环优化

与压水堆相比,球床式高温气冷堆能在堆芯结构不做明显改变的情况下采用全堆芯装载混合氧化物（MOX）燃料元件。基于250 MW球床模块式高温气冷堆堆芯结构,设计了4种球床式高温气冷堆下MOX燃料循环方式,包括铀钚混合的燃料球和独立的钚球与铀球混合装载的等效方式,采用高温气冷堆设计程序VSOP进行分析,比较了初装堆的有效增殖因数、燃料元件在堆芯内滞留时间、卸料燃耗、温度系数等主要物理特性。结果表明：采用纯铀和纯钚两种分离燃料球且铀燃料球循环时间更长的方案,平均卸料燃耗较高,总体性能较其他循环方式优越。     

高温气冷堆燃料球轨迹CT检测仿真研究与分析

为进一步研究高温气冷堆球流运动，清华大学核能与新能源技术研究院按照1∶5的比例，搭建10 MW高温气冷堆（HTR-10）三维模拟实验台架，采用多层螺旋CT研究燃料球在模拟堆芯中的运动规律，仿真燃料球为外观、质量一致的普通球和目标球。本文对CT球流检测过程进行了仿真，模拟了堆芯中目标球在不同时刻、不同位置的CT重建图像，对图像进行分析，寻找目标球并确定其横向坐标（x，y）和纵向坐标（z）。针对多目标球情况，建立了目标球匹配准则，匹配目标球用不同颜色（c）进行标识，最终完整还原了目标球的五维（x，y，z，t，c）历史运动轨迹信息并动态重现，本文对研究分析高温堆燃料球的行为特征具有重要的参考价值。     

Optimization of a pebble bed configuration for quasi-direct numerical simulation

A high temperature reactor (HTR) is envisaged to be one of the renewed reactor designs to play a role in nuclear power generation including process heat applications. The HTR design concept exhibits excellent safety features due to the low power density and the large amount of graphite present in the core which gives a large thermal inertia in the event of an accident such as loss of coolant. However, the possible appearance of hot spots in the pebble bed cores of HTR may affect the integrity of the pebbles. This has drawn the attention of several scientists to understand this highly three-dimensional complex phenomenon. A good prediction of the flow and heat transport in such a pebble bed core is a challenge for CFD based on the available turbulence models and computational power. Such models need to be validated in order to gain trust in the simulation of these types of flow configurations. Direct numerical simulation (DNS), while imposing some restrictions in terms of flow parameters and numerical tools corresponding to the available computational resources, can serve as a reference for model development and validation. In the present article, a wide range of numerical simulations has been performed in order to optimize a pebble bed configuration for quasi-DNS which may serve as reference for validation.     

Investigation of bounds on particle packing in pebble-bed high temperature reactors

Models and methods are presented for determining practical limits of the packing density of TRISO particles in fuel pebbles for a pebble-bed reactor (PBR). These models are devised for designing and interpreting fuel testing experiments. Two processes for particle failure are accounted for: failure of touching particles at the pressing stage in the pebble manufacturing process and failure due to inner pressure buildup during irradiation. The second process gains importance with increasing fuel temperature, which limits the particle packing density and the corresponding fuel enrichment. Suggestions for improvements to the models are presented.     

基于蒙特卡罗方法对VSOP模型的keff验证

VSOP程序广泛用于球床式高温气冷堆的工程设计，需对VSOP程序进行验证与确认。针对相同的高温气冷堆堆芯定义，比较了VSOP程序和蒙特卡罗程序采用特殊形状的重复结构来模拟随机分布的球床堆芯的建模结果。对VSOP模型中的侧反射层孔道进行均匀化处理，对球床顶锥和底锥的几何进行等效处理，用蒙特卡罗模型详细比较了近似处理为有效增殖因数k_eff带来的偏差。结果表明，VSOP模型中不同的近似处理方法会带来不同的偏差。但最终VSOP模型与最精细的蒙特卡罗模型在有效增殖因数方面差别不大，进一步说明VSOP模型的可用性和合理性。当然，VSOP程序和模型的验证还需要进一步深入研究。