磁镜聚变增殖堆概念设计初步报告

为满足下世纪上半叶核能迅速发展的需要,设计了为轻水堆提供充足核燃料的磁镜聚变增殖堆CHD。增殖堆能满足10个以上同等规模功率轻水堆的核燃料的需要,它可以在不需要进行再处理的情况下直接加浓燃料。为了抑制靠近等离子体区域的裂变,对压平的功率强度进行了计算。用这种办法,增强了直接加浓聚变增殖堆的燃料生产。为了减少MHD的压降,冷却剂LiPb轴向流入再生区。虽然在反应堆中氚的投料量很低,为了减少氚通过冷却剂管的渗透,必须研制特殊材料。由11个轻水堆电站和一个聚变增殖堆组成的系统的电成本为传统的轻水堆电站的1.05倍。     

聚变-裂变混合堆水冷包层中子物理性能研究

研究直接应用国际热核聚变实验堆（ITER）规模的聚变堆作为中子驱动源,采用天然铀为初装核燃料,并采用现有压水堆核电厂成熟的轻水慢化和冷却技术,设计聚变-裂变混合堆裂变及产氚包层的技术可行性。应用MCNP与Origen2相耦合的程序进行计算分析,研究不同核燃料对包层有效增殖系数、氚增殖比、能量放大系数和外中子源效率等中子物理性能的影响。计算分析结果显示,现有核电厂广泛使用的UO₂核燃料以及下一代裂变堆推荐采用的UC、UN和U₉₀Zr₁₀等高性能陶瓷及合金核燃料作为水冷包层的核燃料,都能满足以产能发电为设计目标的新型聚变 裂变混合堆能量放大倍数的设计要求,但只有UC和U₉₀Zr₁₀燃料同时满足聚变燃料氚的生产与消耗自持的要求。研究结果对进一步研发满足未来核能可持续发展的新型聚变-裂变混合堆技术具有潜在参考价值。     

托卡马克商用混合堆堆内燃料循环优化设计

简要介绍了聚变－裂变混合堆难内燃料循环研究的方法、程序和程序的改进，提出了适用于托卡马克商用混合堆ＴＣＢ设计的３种堆内燃料循环模型，研究了堆内燃料的装卸模式与增殖燃料２３９Ｐｕ生产量的关系，增殖燃料加浓度的选择，提出了抑制裂变直接加浓核燃料概念，并给出了有关的计算结果。结果表明，在ＴＣＢ设计中，采用抑制裂变直接加浓核燃料模式，可实现年产２３９Ｐｕ燃料２２００ｋｇ且加浓度大于３％。结果还表明，采用分区卸料方式，可有效地减小系统的功率摆动和裂变率，这对商用混合堆设计尤其重要。     

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。     

磁镜聚变增殖堆概念设计

抑制裂变型聚变增殖堆能给10个以上同规模的水堆补给燃料,借助于水堆的经济性能而具有经济上的可行性。设计了这类型的磁镜增殖堆CHD。等离子体半径48厘米,中心室长128米。采用Be作中子增殖剂,生产U-233加浓燃料直接用于水堆。本设计通过燃料增殖剂Th的适当的布置使靠近等离子体区域的裂变得到抑制。U-233在包层中的浓度分布较均匀,因而包层可以整体装卸料。年产U-233 4200kg。此外进行了热工水力、应力、屏蔽、氚在堆中的分布与漏失、放射性、停堆余热和剂量率、电站费用和经济性等分析计算。     

次临界能源堆物理性能初步分析

次临界能源堆（SER）是由托卡马克聚变源驱动的聚变裂变混合堆。SER以天然铀为燃料、水为冷却剂,主要目标是生产电能。本工作建立了次临界能源堆环形圆柱模型,利用蒙特卡罗输运和燃耗计算程序,比较了燃料区不同构型对k_eff、M、TBR和燃料增殖比等参数的影响,针对均匀模型进行中子源效率与聚变源强、功率分布与能谱、初步燃耗、寿期末停堆衰变热和卸载燃料放射性等物理性能分析。计算结果表明,该模型能满足能量倍增大于6、氚自持、较长时间不换料等设计目标。研究结果为下一步开展SER安全分析提供了基础。     

改进Flower型超临界水冷快堆初步增殖研究

超临界水冷快堆集快堆和轻水堆两种特性。整个堆芯冷却剂流量仅为现BWR的1/8,中子能谱硬于普通PWR,故有一定的核燃料增殖能力。本文建立不同Flower型超临界水冷快堆堆芯物理模型,研究堆芯分区布置、冷却剂密度分层、seed及blanket组件P/D值设计、MOX燃料设计、燃料富集度分区分层布置、blanket内部通道采用贫铀冷却等方案,分析堆芯的空泡反应性、功率分布及增殖比。通过比较,得到了超临界水冷快堆的优化设计方案。     

聚变-裂变混合堆的氚工艺问题

文章描述了聚变堆和聚变-裂变混合堆的氚工艺问题。根据聚变堆和聚变-裂变混合堆的特点讨论了对包层氚增殖材料的要求,列举了几种可作氚增殖的合理材料特性。给出了几种从包层提取氚和从废聚变燃料中回收氚的方法。最后对混合堆的氚安全及防护问题进行了讨论。     

聚变裂变混合堆钍基增殖锕系元素嬗变包层中子学初步研究

聚变裂变混合堆比纯聚变堆在工程及技术方面要求低,且在产生核燃料、嬗变长寿命核废料以及固有安全性方面具有一定优势,因此,越来越受到人们的重视。增殖包层是混合堆系统的关键部件,已有的包层研究基本上是基于较成熟的铀-钚燃料循环技术。针对我国铀资源相对较少而钍资源较丰富的现状,本文就一种新型的钍基燃料增殖锕系元素嬗变包层进行了初步的中子学研究,利用一维离散纵标法燃耗程序BISONC以及Monte-Carlo粒子输运程序MCNP,对包层的关键核参数,诸如氚增殖比、少量锕系元素的嬗变质量、233U产量以及热功率等,进行了较详细的计算分析。计算结果表明,生成的核燃料233U的富集度可达到3.65%,从而满足压水堆燃料富集度要求。分析结果为下一步的包层优化设计提供了依据。     

基于积分分析方法对聚变堆启动氚量与所需氚增殖比的评估

托卡马克聚变堆的主要发展方式包括混合堆、纯聚变堆。关于托卡马克聚变堆氚自持的研究,国内外主要采用平均滞留时间方法进行研究,并且针对聚变功率较低的混合堆的氚自持研究较少。本工作采用更符合实际的积分分析方法分析了混合堆、纯聚变堆氚自持的启动氚量、氚增殖比(TBR)要求。研究结果表明：启动氚量、备用氚量与聚变功率具有线性关系,所需TBR与聚变功率呈反比例关系;混合堆聚变功率较低,所需TBR较高,工程实现所需TBR挑战较大,需要通过限制长期氚滞留量以降低所需TBR要求;纯聚变堆聚变功率高,所需TBR较低,工程实现所需TBR挑战较小,但备用氚需求达数十千克,应考虑氚系统的冗余设计或提高氚系统的可靠性、可维护性,以降低备用氚的使用规模;运行因子是聚变堆的一个重要设计指标,在此着重分析了运行因子对所需TBR的影响,并重新定义了一个聚变堆氚自持的关系式,以突出运行因子对氚自持的重要影响。     

功率展平的压水堆乏燃料发电包层中子学初步研究

聚变裂变混合堆在增殖核燃料、嬗变长寿命核废料及固有安全性等方面具有较大优势,同时,它比纯聚变堆在工程及技术方面要求低,因此较聚变堆更易实现。本工作基于目前国际聚变实验堆（ITER）所能达到的技术水平,提出一种直接利用乏燃料进行发电的聚变裂变混合堆包层概念,利用在不同位置放置不同乏燃料体积分数的方法对燃料增殖区实现了功率展平。计算结果表明：功率展平后的包层功率不均匀系数更小,且包层中燃料区的能量输出要比不展平情况下的能量输出高约21.7%。燃料富集度到运行末期最大可达5.23%。从中子学角度初步论证了该包层的可行性。     

聚变堆氚材料衡算测量系统研究初探

氘(D)-氚(T)聚变是目前聚变研究的主要对象,也是未来最可能首先实现工程应用的聚变反应.氘氚聚变反应堆在消耗大量氚的同时,需要依靠锂-6增殖足够的氚来实现氚燃料自持.在国内,氚和浓缩锂-6都属于核材料,按照国家核材料管制条例要求,使用和生产核材料须建立核材料衡算系统.为此,本文针对液态包层聚变堆方案,简要归纳了聚变堆...     

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。     

FEB-E氚循环系统计算机模拟

对聚变实验增殖堆工程概要设计(FEB-E)的氚燃料循环构造了一个动态子系统模型,研制了模拟氚燃料循环系统的计算机程序SWITRIMcode。计算了10个子系统中运行一年后的氚投料量和整个堆系统总的氚投料。     

对D-D聚变系统的探讨

现在正开始探索一些新的聚变堆设计方案。电力研究所(EPRI)的第二个年度报告(EPRI-ER-919)——高效率的新型燃料聚变堆的探索研究——探讨了这些可能有前途的系统。对于第一代聚变堆来说,公认的燃料是氘一氚[T(d,n)~4He+17.6兆电子伏],这就带来了一些问题:首先,要生产氚就需要在增殖区里含有锂,这就增加了工程上和环境保护上的复杂性;其次,高中子通量会引起     

聚变堆氚分析程序TAS1.0的设计与开发

氚是聚变堆的重要燃料之一,对聚变堆氚系统进行分析从而实行有效的氚控制是聚变研究的重要内容之一.在中国系列液态金属锂铅包层聚变堆概念设计研究基础上,利用现代软件工程方法及面向对象技术设计思想,发展了聚变堆氚分析程序TAS1.0,可用于聚变堆氚自持分析、氚燃料管理及氚安全性分析与研究,并可为聚变堆包层及燃料循环系统设计与分析提供技术支持.通过一系列的测试校验,表明了该程序的正确性与有效性.本文主要介绍该程序的系统设计、技术特点与程序测试.     

超临界轻水冷却快堆的增殖比分析

本研究的目的是分析超临界压力轻水冷却快堆（SFPR）的增殖比和设计一个SFPR增殖堆芯。分析了堆芯参数对增殖比的敏感性。堆芯设计采用耦合的二维R-Z中子学和多通道热丁水力计算方法。对增殖比具有高敏感性的参数是燃料棒直径和空心柱状增殖燃料的冷却剂管直径。空心柱状燃料组件是指冷却剂在管内流动、燃料容纳在管外的“壳内管”燃料组件。为了增加重金属份额，考虑采用空心柱状增殖燃料。调换燃料和冷却剂的位置以增加空心柱状增殖燃料区内的重金属份额。带有棒状燃料增殖区的SFPR的增殖比为1．021，带空心柱状燃料增殖区的增殖比为1．034。当点火区和增殖区都由空心柱状燃料元件构成时，由于燃料体积份额高增殖比可达1．046。采用空心柱状燃料堆芯，反应堆功率也增加了。但即使点火区和增殖区都由棒状燃料组成，SCFR仍然可以是增殖堆。     

聚变堆增殖包层概念特征比较研究

在广泛调研国际上现有的聚变堆包层概念的基础上,对聚变堆包层的发展现状和需要解决的关键问题进行了总结。从工程可行性、氚增殖提取与控制特征、经济性以及安全和环境影响方面对固态和液态氚增殖剂包层进行了比较分析,系统阐述了各种包层概念的优缺点,从现实可行性与发展潜力方面为未来聚变堆包层概念发展提出建议。     

氦气、水和熔盐冷却的混合堆中子学性能研究

氦气、水、熔盐(Flibe)在强磁场中流动不存在严重的MHD问题,因此适合在基于磁约束的聚变-裂变混合堆中作为冷却剂.针对氦气、水、Flibe这3种冷却剂对混合堆包层中子学性能的影响进行研究,分析包层中能谱特点及燃料增殖特性.通过燃耗计算,研究氚增殖率(TBR)、能量倍增因子(M)、keff等随运行时间的变化.中子学输运采用三维蒙特卡罗程序MCNP.计算结果表明,不同的冷却剂对混合堆系统中子能谱影响很大:氦冷系统的能谱最硬,主要发生快中子裂变,氚增殖效果最好;水冷系统的能谱最软,产能最多,但需提高TBR;Flibe冷系统的能谱较硬,产能最少.     

MCORGS及次临界能源堆包层概念研究进展

次临界能源堆是以能源供应为目的的一种聚变裂变混合堆,以聚变驱动,天然铀为裂变燃料,轻水为冷却剂。本文针对该混合堆开发了基于MCNP与ORIGENS的三维中子输运燃耗耦合程序MCORGS,分析了包层三维中子学模型。提出简化干法后处理,设想利用衰变热将乏燃料加热到2 100K,将沸点低于该温度的裂变产物挥发去除。计算了包层各区材料每年发生的原子移位数,建议采用10a左右的换料周期,乏燃料经后处理后可多次复用。第1个寿期内氚增殖比TBR平均约1.15,包层能量放大倍数M平均约12;第2~9个寿期内TBR平均约1.35,M平均约18。利用流体动力学程序完成了包层CAD模型建立、网格划分及稳态传热计算分析,各区材料的最高温度均低于许用温度并有较大裕量。