超高通量快中子研究堆核燃料概念设计研究

提高中子注量率是高通量研究堆的发展趋势,能够大幅加速反应堆材料研发进程。但若提高中子注量率至1016 cm?2·s?1将导致功率密度峰值相较于现有研究堆高数倍,对反应堆和核燃料设计带来许多挑战。为此,本文从中子学、传热、燃料材料堆内行为等方面半定量分析了提高中子注量率对核燃料性能的影响,并提出应对超高通量和功率密度挑战的设计措施,为发展超高通量快中子研究堆燃料设计提供指导。      

超高通量快中子试验堆堆芯初步概念设计

针对先进核能系统发展需要,提出了超高通量堆的堆芯概念设计。本文采用板型燃料、正方形燃料组件设计,设置宽流道保证堆芯冷却剂占有较高的体积份额。堆芯采用52盒燃料组件,设置8盒控制棒组件和较厚的反射层。通过堆芯概念设计方案评价,结果表明堆芯循环长度可达100EFPD(等效满功率天),所提出的超高通量堆的最大中子注量率可达到1.08×10¹⁶ cm^-2·s^-1。     

南斯拉夫联盟研究堆简介

【本刊据因特网综合报道】南斯拉夫联盟现拥有2座研究用核反应堆,具体情况如下:一、R-A研究堆建造日期为1956年4月1日,临界日期为1959年12月28日,许可证颁发者为塞尔维亚共和国卫生与社会事务委员会,核保障提供者为国际原子能机构,年运行费用为100万美元,运行人员数目为28;技术规格:反应堆类型为重水堆,稳态热功率为6500kW,最大稳态热中子通量为1.0×1014中子/cm2·秒,最大稳态快中子通量为6.0×1013中子/cm2·秒,慢化剂材料为重水,冷却剂为重水,采用强制对流,冷却剂线速度为5米/秒,反射层材料为重水和石墨,反射面数目为4,控制材料为镉,控…     

铅基反应堆研究现状与发展前景

以铅或铅合金(统称铅基材料)为冷却剂的反应堆具有良好的中子学、热工水力学和安全特性,已成为第四代先进核能系统、加速器驱动次临界核能系统(ADS)以及聚变堆的主要候选堆型之一。本文简要介绍了先进核能系统发展趋势和铅基反应堆在核能发展中的地位,重点对铅基反应堆的发展历史与现状、铅基反应堆的基本特性以及铅基反应堆未来的发展前景进行了总结。     

压水堆冷却剂下降段温度对中子探测的影响分析和修正研究

为研究压水堆功率运行条件下压力容器冷却剂下降段的水介质层温度变化对堆外中子注量率测量结果准确性的影响,分析了下降段水介质厚度和温度与泄漏热中子注量率的关系。结果表明,下降段水介质厚度或温度变化大于一定值时,反应堆堆外测量得到的中子注量率需要修正。结合堆物理和热工理论,进一步提出了一套工程可参考的修正方法。     

压水堆主冷却剂16N的比活度计算

对压水堆主冷却剂中16N的快中子活化生成和衰变平衡机理进行了分析,建立了基于堆芯流道求和的16N比活度计算模型,此模型以堆芯各流道内流速及平均中子注量率为输入数据,计算反应堆运行时主冷却剂中16N的稳定浓度。以秦山二期核电厂为研究对象,在对堆芯进行精确MCNP建模的基础上,对堆芯中子注量率分布进行了MCNP模拟计算。并将模拟计算数据代入16N比活度计算模型,对主冷却剂中16N比活度进行了综合计算,计算结果与工程实用参考值吻合。     

熔盐实验堆MSRE堆芯罐和反应堆容器辐照损伤计算与分析

本文采用蒙特卡罗程序MCNP5对熔盐实验堆MSRE的堆芯罐和反应堆容器的中子辐照损伤量--原子离位数率(DPA rate)进行计算与分析。确定了堆芯罐和反应堆容器上的中子注量率分布,对其中中子注量率最大的区域进行详细的原子离位数率计算。计算显示堆芯罐和反应堆容器最大的原子离位数率均发生在内表面、堆中心平面处、θ角度在22°~34°之间的区域,最大原子离位数率可达3.90×10^-9s^-1,且快中子对原子离位数率贡献要大于热中子。研究结论对新概念熔盐堆设计和参数选择具有重要的实际意义。     

基于三维输运方法的压水堆主冷却剂~(16)N源项计算分析

在反应堆功率运行期间,一回路冷却剂水中的~(16)O受高能中子照射,活化生成~(16)N。~(16)N衰变会释放出高能γ射线,是反应堆内冷却剂系统放射性的主要来源。对一回路冷却剂中~(16)N源项进行计算可为反应堆屏蔽设计提供依据。~(16)N活度浓度及其在一回路中的分布是安全审评中的关键参数。为了精确计算~(16)N源项,本文首先使用JSNT程序计算了堆芯及其相邻区域的高能快中子注量率分布,然后考虑冷却剂在反应堆压力容器内的流动和照射情况,以及其在一回路中的流动和衰变情况,编制了~(16)N源项计算程序,在计算过程中考虑了快中子注量率的三维分布。以某三代压水堆核电厂为例计算了~(16)N源项在一回路中的分布。计算结果表明,使用三维中子注量率分布可以得到更精细的~(16)N源项分布;上下腔室内中子注量率对一回路中~(16)N源项分布影响很小,可以不予考虑。     

高燃耗下快堆燃料与包壳的化学相互作用模型建立及验证

快中子反应堆二氧化铀燃料元件在高燃耗、高中子注量率、高线功率和高温状况下运行,燃料与包壳材料会发生复杂的物理化学相互作用。燃料元件化学相互作用模型的建立对高燃耗快堆燃料元件的设计非常重要。针对快中子反应堆氧化物燃料元件与包壳材料发生的化学相互作用,采用动力学模型建立了二氧化铀与奥氏体不锈钢、铁素体-马氏体钢包壳材料的化学相互作用模型,并通过实验数据验证该模型。结果表明：建立的快堆二氧化铀燃料与奥氏体不锈钢的腐蚀模型可以成功预测最大燃耗10.8at%、辐照损伤87.5 dpa的包壳腐蚀;建立的快堆二氧化铀燃料与铁马钢的腐蚀模型可以成功预测最大燃耗9.3at%、辐照损伤76.6 dpa的包壳腐蚀。研究结果为高燃耗二氧化铀辐照元件及示范快堆燃料元件的设计和性能预测提供重要的参考价值。     

岷江试验堆Q15孔道中子谱测量试验的研究

为了确定岷江试验堆(简称MJTR)堆芯铍反射层内中子能量E >1.0MeV的快中子注量率,采用一组中子探测片测量了岷江试验堆内第一层铍反射层外Q15孔道内的快中子注量率谱,并由测量谱求得各阈能探测片的快中子反应的谱平均截面和该孔道测量点位置的快中子注量率。结果表明,铍反射层内快中子(E>1.0MeV)注量率为1.985×1012 cm-2·s-1,MJTR每运行一段,铍反射层内快中子(E>1.0MeV)积分注量最大可达1.54×1018cm-2。通过本次试验研究,为更好的开发利用MJTR提供了试验依据。     

环形元件超高通量堆堆芯初步概念设计

基于环形燃料元件,提出了一种超高通量堆(UFR)堆芯概念设计。UFR燃料组件设计采用61个燃料元件构成的六角形组件,堆芯采用52盒燃料组件、9盒控制棒组件和厚反射层设计。通过开展堆芯概念设计方案评价,给出了堆芯循环长度、中子注量率、中子能谱、中子空间分布等关键参数。结果表明,在当前的总体参数下所提出的UFR的最大中子注量率可达到1.0×10¹⁶ cm^-2·s^-1。     

The significance of applied mechanics in designing the fast test reactor

The discipline of applied-mechanics analysis has had a significant influence in designing the Fast Test Reactor (FTR). The FTR is a sodium-coolod fast flux reactor being constructed to test candidate materials and fuels for the U.S. Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFBR) program. The influence of applied mechanics is more evident in the design of a liquid metal cooled reactor such as the FTR than it is in the more conventional water-cooled designs, primarily because the combination of environmental conditions in a liquid metal reactor results in an interplay between the mechanics analyst and the reactor designer never before required. Specifically, these environments include a fast neutron spectra, high neutron fluence (flux-time) exposures, an elevated thermal environment, and a high conductivity coolant.     

基于启明星Ⅱ号的铅基堆核数据宏观检验

为提高铅基堆中子学模拟的可靠性,基于启明星Ⅱ号铅基零功率反应堆,开展铅基堆相关核数据的入堆宏观基准检验研究。采用周期法测量堆芯反应性,进而获得有效增殖因数keff为1001 14±0000 07。采用MCNP程序对铅基堆进行精细化建模,结合不同数据库内的中子评价核数据,计算实验燃料棒装载下的铅基堆芯的keff。比较结果可知,4种截面库计算的铅基堆keff模拟结果与实验结果吻合较好,最大相对偏差小于1%,其中,ENDF/B Ⅶ.1库的模拟结果与实验结果吻合最好,相对偏差和绝对偏差分别为025%和251 pcm。通过计算关键材料元素核数据引起keff的变化量,可知铅元素核数据引起的堆芯keff结果的波动量最大,在CENDL 31和JENDL 40中的铅元素引起keff的波动值分别为219 pcm和166 pcm。     

加速增产核燃料的天然安全“核热泉”快中子增殖堆

为保证21世纪中国经济的持续稳定地高速增长,必须充分发挥核能的巨大潜力,使之配合其他可再生能源同步增长,及早大规模替代煤炭等化石能源。由于目前国内大量兴建的核电站以压水堆为主,需要消费大量天然铀资源,倚靠廉价铀供应难于维持长期增长,必须依靠快中子增殖生产人造裂变燃料——钚,才能摆脱天然铀原料短缺的束缚。然而,传统的快中子增殖堆的核燃料增产速度较慢,难于配合中国核电的高速增长。本文介绍一种先进快中子增殖堆(AFBR)方案,其中利用在线连续换料的空心球形燃料元件,依靠载热剂的出入口之间的温度差实现满功率自然循环,可以成倍地提高燃料比功率与核燃料增殖速度。本快中子增殖堆改进了俄罗斯称为"天然安全"的BREST铅冷快堆设计方案,成为无须人为控制的"核热泉",它能在不设置加压泵及高位铅池的情况下,自动按外部负荷需要供应必要的热量,完全依靠自然循环将全部裂变热能及停堆后堆芯余热散出,不至对环境产生放射性污染。     

Fast neutron fluence calculations as support for a BWR pressure vessel and internals surveillance program

Materials surveillance programs are required to detect and prevent degradation of safety-related structures and components of a nuclear power reactor. In this work, following the directions in the Regulatory Guide 1.190, a calculational methodology is implemented as additional support for a reactor pressure vessel and internals surveillance program for a BWR. The choice of the neutronic methods employed was based on the premise of being able of performing all the expected future survey calculations in relatively short times, but without compromising accuracy. First, a geometrical model of a typical BWR was developed, from the core to the primary containment, including jet pumps and all other structures. The methodology uses the Synthesis Method to compute the three-dimensional neutron flux distribution. In the methodology, the code CORE-MASTER-PRESTO is used as the three-dimensional core simulator; SCALE is used to generate the fine-group flux spectra of the components of the model and also used to generate a 47 energy-groups job cross section library, collapsed from the 199-fine-group master library VITAMIN-B6; ORIGEN2 was used to compute the isotopic densities of uranium and plutonium; and, finally, DORT was used to calculate the two-dimensional and one-dimensional neutron flux distributions required to compute the synthesized three-dimensional neutron flux. Then, the calculation of fast neutron fluence was performed using the effective full power time periods through six operational fuel cycles of two BWR Units and until the 13th cycle for Unit 1.The results showed a maximum relative difference between the calculated-by-synthesis fast neutron fluxes and fluences and those measured by Fe, Cu and Ni dosimeters less than 7%. The dosimeters were originally located adjacent to the pressure vessel wall, as part of the surveillance program. Results from the computations of peak fast fluence on pressure vessel wall and specific weld locations on the core shroud are also presented.     

启明星Ⅱ号双堆芯零功率装置

启明星Ⅱ号是针对我国新型先进核能系统基础性研发及工程化设计验证而研制的双堆芯零功率装置。启明星Ⅱ号拥有两个堆芯,水堆堆芯侧重于开展热中子能谱环境下的原理性验证实验研究,铅堆堆芯侧重于重金属冷却的快中子反应堆及加速器驱动的次临界系统（ADS）等先进核能系统的中子物理特性实验研究。启明星Ⅱ号通过一套仪控系统实现了两个堆芯的集成化控制和测量数据采集,每个堆芯均配备了多套非能动安全停堆系统,固有安全性强。在启明星Ⅱ号上获取了多种堆芯的基准性临界实验数据,可为我国轻水堆的技术创新、重金属冷却反应堆工程化设计及新型核能系统的集成研发提供支持。     

Thermal hydraulic effect of fuel plate surface roughness

This study presents surface roughness measurements characteristic of the pre-film layer applied to a typical Advanced Test Reactor (ATR) fuel plate. This data is used to estimate the friction factor for thermal hydraulic flow calculations of a Gas Test Loop (GTL) system proposed for incorporation into ATR to provide a fast neutron flux environment for the testing of nuclear fuels and materials. To attain the required neutron flux, the design includes booster fuel plates clad with the same aluminum alloy as the ATR driver fuel and cooled with water supplied by the ATR primary coolant pumps. The objectives of this study are to (1) determine the surface roughness of the protective boehmite layer applied to the ATR driver fuel prior to reactor operations in order to specify the machining tolerances for the surface finish on simulated booster fuel plates in a GTL hydraulic flow test model and (2) assess the consequent thermal hydraulic impact due to surface roughness on the coolability of the booster fuel with a similar pre-film layer applied. While the maximum roughness of this coating is specified to be 1.6 μm (63 μin.), no precise data on the actual roughness were available. A representative sample coupon autoclaved with the ATR driver fuel to produce the pre-film coating was analyzed using optical profilometry. Measurements yielded a mean surface roughness of 0.53 μm (21 μin.). Results from a sensitivity study show that a ±15% deviation from the mean measured surface finish would have a minimal effect on coolant temperature, coolant flow rate, and fuel temperature. However, frictional losses from roughnesses greater than 1.5 μm (∼60 μin.) produce a marked decrease in flow rate, causing fuel and coolant temperatures to rise sharply.     

双环路压水堆非对称入口条件下物理-热工特性研究

双环路压水堆存在反应堆入口流量、温度不对称的非正常运行工况。本文建立了基于CFD方法的反应堆整体三维流场模型,并耦合中子动力学计算程序和RELAP5程序,对这种非对称入口条件下的反应堆物理-热工特性进行了数值模拟。结果表明：反应堆入口流量不对称会加剧堆芯入口流量分配的不均匀性,并进一步导致局部功率变化,对反应堆安全不利;在入口温度不对称的条件下,冷却剂在下腔室的混合非常不充分,并导致堆芯入口温度分布不均匀,引起局部功率变化较大,对反应堆安全不利。